电池充电底座和应用所述底座的充电方法与流程

本发明涉及一种充电组件并且特别地应用于机器人领域，所述充电组件包括可移动载体(运载工具)和用于对所述可移动载体的可充电电池充电的底座。本发明还涉及一种应用所述组件对可充电电池充电的方法。

背景技术：

依靠电池运转的可移动载体在特定的时刻需要对其电池充电。可移动载体例如可以是类人型机器人。类人型机器人应当被理解成与人体具有相似性的机器人。其可以是身体的上部或者仅仅是终止于抓持器的铰接臂，所述抓持器可以比作人手。在本发明中，机器人身体的上部类似于人类躯干的上部。类人机器人可以或多或少地复杂化。其可以静态地和动态地控制其自身的平衡并且依靠两个肢体行走(可能在三维空间中行走)或者简单地依靠底座滚动。其可以从环境中收集信号(声音、视觉、触觉等)并且根据一个或者多个或多或少地复杂化的行为作出反应，并且通过言语或者手势与其他机器人或者人类互动。对于类人机器人的当前阶段，程序员能够设计出或多或少地复杂化的脚本，例如对机器人和/或由机器人执行的动作具有影响的事件序列。这些动作可以取决于与机器人互动的人的特定行为。然而，在这些第一代的类人机器人中，应用程序的编程在开发工具中完成并且每个应用程序必须由产生包含在应用程序中的事件的触发器起动。

在类人机器人的领域中，因此需要一种能够像人类一样过“独立生活”的类人机器人，所述类人机器人能够根据其移动的环境表现出确定举止。

通常，所述机器人由一个或多个蓄电池或者更普遍地由一个或多个电池供电。这些电池是一组被链接到一起以便产生具有期望电压和容量的发电机的蓄电池。所述电池的第一目的是提供机器人移动所需的电流和电压。所述电池还可以用于对嵌在机器人上的电子设备供电。

于是需要在特定时刻对机器人的电池充电。通常，依靠电池运转的机器人只要电池有电就能够移动并且在电池没电时变得不可移动。于是需要外部干预来例如将机器人放置到电池充电底座上。一些机器人能够独立地返回其充电底座。因为机器人在其底座上的不良定位或者因为机器人的连接器和充电底座的连接器之间的不良接触，这些机器人有时在连接至其充电底座方面具有困难。此外，当机器人连接至其充电底座时，在机器人的电连接器和充电底座的电连接器之间产生电弧，所述电弧可能损坏机器人和/或底座。

技术实现要素：

本发明的目的是通过提出一种充电组件以及一种应用所述组件的方法来缓解上述问题中的全部或者一些，所述充电组件包括可移动载体和用于对所述可移动载体的电池充电的底座，所述方法允许诸如机器人的任何可移动载体独立地充电。

为此，本发明的主题是一种充电组件，所述充电组件包括可移动载体和充电底座，所述充电底座具有与所述可移动载体互补的轮廓并能够接收所述可移动载体且预定用于对包括至少一个轮子的可移动载体的电池充电，所述底座能够被连接至电源，其特征在于，所述底座包括：

·接收表面和预定用于放置在参考平面上的底板平面，所述底座的接收表面和底板平面形成锐角，

·处于所述接收表面中的中空的并且预定用于接收所述至少一个轮子的半球形空腔，

·至少一个电连接器，所述至少一个电连接器被布置成允许所述底座与所述电池在所述至少一个轮子下落至所述半球形空腔中时相连接。

根据一个实施例，所述充电底座还包括处于所述底座上的所述可移动载体的存在连接器，所述存在连接器在所述电连接器和所述电池连接之后被触发。

根据一个实施例，所述充电底座包括第一键槽轮廓，所述第一键槽轮廓定位于所述接收表面和所述底板平面之间的相交部处并预定用于形成载体的第二轮子的抵接部。

根据另一实施例，所述充电底座包括在所述接收表面中、在所述接收表面与所述底板平面的相交部和所述空腔之间制成的导向槽，所述导向槽预定用于朝向所述空腔引导至少一个轮子。

有利地，所述导向槽被配置成确保轮子关于所述导向槽的主方向定心，并且定心的精度在接近所述空腔时提高。

根据另一实施例，所述空腔具有中心和极点以及穿过所述中心和所述极点从而基本上与所述参考平面成直角的轴线Z，所述底座包括从所述空腔的极点穿过所述底座并且基本上平行于轴线Z的孔隙。

有利地，所述连接器包括可在基本上与所述底板平面成直角的方向上移动的可移动接触件。

有利地，所述底座包括能够紧密遵循所述可移动载体的轮廓的外周。

本发明的另一主题是应用前述权利要求之一所述的底座的充电方法和配置成在所述底座上充电的载体，其特征在于，所述充电方法包括以下步骤：

·使所述可移动载体在所述接收表面上平移，

·将所述至少一个轮子插入所述半球形空腔中并且同时使所述底座的连接器与所述可移动载体的电池接触。

有利地，所述充电方法包括触发电池充电的步骤，所述触发电池充电的步骤包括以下步骤：

·通过所述存在连接器的压下来确认在所述充电底座上存在所述可移动载体，

·测量所述电池的端子处的电压并且将测得的电压与最小电压值和最大电压值进行比较，

·测量所述电池的内部电阻并且将所述电阻与最小电阻值和最大电阻值进行比较。

所述方法还可以包括使所述第二轮子抵接所述键槽轮廓的步骤。

所述方法可以包括首先借助于所述导向槽朝向所述空腔引导至少一个轮子的步骤。

所述可移动载体例如是机器人。该机器人具有至少一个轮子以允许其在参考平面上移动。

备选地，所述可移动载体可以是具有至少一个轮子的任何类型的载体。

本发明的另一主题是一种包括根据本发明的充电底座的类人型机器人。

附图说明

通过阅读借助于示例给出的实施例的详细说明，本发明将被更好地理解并且其他优点将变得显而易见，所述说明通过附图来阐明，其中：

-图1显示了配置成在根据本发明的充电底座上充电的类人型机器人，

-图2显示了类人型机器人的包括轮子的底座的示例，所述类人型机器人被配置成在根据本发明的充电底座上充电，

-图3示意性地显示了根据本发明的充电底座的横截面图，

-图4显示了根据本发明的充电底座的视图，

-图5示意性地显示了根据本发明的充电方法的步骤，

-图6示意性地显示了可移动载体与根据本发明的充电底座相连结期间的不同步骤。

为了清楚起见，相同的元件在不同的附图中将具有相同的附图标记。

具体实施方式

在说明书中，以借助于至少一个轮子移动的机器人为例来描述本发明。然而，本发明适用于任何其他具有至少一个轮子的可移动载体。

图1显示了被配置成在根据本发明的充电底座上充电的类人性质的机器人100。图1中的机器人100被当作配置成在根据本发明的底座上充电的类人机器人的示例。图1中的机器人100的下部的功能并非行走，但是可以依靠其底板140向任何方向移动，所述底板140在机器人100所处的表面上滚动。在我们的示例中，机器人100具有可以为大约120cm的高度110、大约65cm的深度120和大约40cm的宽度130。在一特定配置中，所述机器人具有面板150，所述面板150可以向其环境传达讯息(声音、视频、网页)，或者通过所述面板的触摸界面从使用者处接收输入。除了面板的处理器之外，所述机器人还使用其自身主板的处理器，所述处理器例如可以是来自Intel^TM的ATOM^TM Z530板。有利地，所述机器人还具有专用于主板和支承磁旋转传感器或者磁旋转编码器(缩写为MRE)的板之间的数据流的处理器以及对肢体和球体中的关节的电机进行控制的传感器，在本发明的实施例中，所述机器人将所述球体用作轮子。所述电机可以是不同类型的电机，这取决于确定的关节所需的最大扭矩的幅值(幅度)。例如，可以使用来自e-minebea^TM的无芯有刷直流电机(例如SE24P2CTCA)，或者来自Maxon^TM的无刷直流电机(例如EC45_70W)。磁旋转编码器优选以12或者14位的精度利用霍耳效应。

在本发明的实施例中，图1中所示的机器人还包括不同类型的传感器。一些传感器被用于控制机器人的位置和移动。例如，位于机器人的躯干中并且包括3轴陀螺仪和3轴加速度计的惯性单元的情况就是如此。所述机器人还可以包括处于机器人的前部(顶部和底部)的、芯片上系统(SOC)的类型的两个RGB彩色二维摄像机，例如来自Shenzen V-Vision Technology Ltd^TM(OV5640)的在每秒5个图像的速度下具有5兆像素的分辨率并具有大约水平57°且竖直44°的视野(FOV)的那些摄像机。在机器人的眼睛后面还可以包括三维传感器，例如在每秒20个图像的速度下具有0.3兆像素的分辨率的、具有大约与所述二维摄像机相同的视野的ASUS XTION^TM SOC传感器。机器人还可以配备有激光线发生器(例如，三个处于头部水平并且三个处于底部)，以便能够探测机器人相对于其环境中的物体和/或人类的相对位置。机器人还可以包括拾音器以能够探测其环境中的声音。在一个实施例中，可以在机器人的头部设置四个在1kHz的频率下具有300mV/Pa+/-3dB的灵敏度并且具有300Hz至12kHz(相对于1kHz为-10dB)的频率范围的拾音器。机器人还可以包括两个声纳传感器，所述两个声纳传感器可定位在机器人底座的前部和后部，以测量将所述机器人与处于其环境中的物体和/或人类分开的距离。机器人还可以在其头部和手部上包括触摸传感器，以允许与人类互动。机器人还可以在其底座上包括减震器，以保护所述机器人免于被其四处移动时遇到的障碍物损坏。

为了翻译其情绪并且与处于其环境中的人类通讯，所述机器人还可以包括：

-例如处于其眼睛、耳朵中和肩膀上的LED或者发光二极管；

-位于其耳朵中的扬声器(例如两个)。

所述机器人可以通过RJ45以太网或者802.11wifi连接与基地或者其他机器人通讯。

所述机器人可以由具有大约400Wh的能量的磷酸铁锂电池或者大约860Wh的三元混合锂聚合物(锂钴锰)电池来供电。所述机器人可以访问适于其所包含的电池类型的充电底座。

通过使用由限定在每个肢体中的测链(测量链)和限定在每个肢体的末端处的效应器来触发的算法并将来自传感器的测量值考虑在内，机器人的位置和移动由其电机控制。

图2显示了类人型机器人的、包括轮子50、51、52的底板140的示例，所述类人型机器人被配置成在根据本发明的充电底座上充电。在图2中所示的示例中，底板140包括三个轮子50、51、52。为了被配置成在根据本发明的充电底座上充电，底板140必须包括至少一个轮子50。其当然可以包括多个其他的轮子。

图3示意性地显示了根据本发明的充电组件的底座200的横截面图。充电底座200预定用于对包括至少一个轮子50的可移动载体的电池充电。底座200可以被连接至电源。底座200包括接收表面210和预定用于放置在参考平面230上的底板平面220。接收表面210和底板平面220形成锐角240。底座200包括预定用于接收轮子50的半球形空腔250。所述底座还包括电连接器260。电连接器260例如可以处于接收表面210上。连接器260包括可以在基本上与底板平面220成直角的方向上移动的可移动接触件330。所述可移动接触件330可以借助于弹簧或者任何其他具有一定弹性的部件来实现。

底座200还包括处于底座200上的可移动载体的存在连接器265，所述存在连接器265在电连接器260和电池连接之后被触发。存在连接器265具有在基本上与底板平面220成直角的方向上平移的自由度。因此，当可移动载体为了对其电池充电而在充电底座200上就位时，所述存在连接器265在可移动载体的重量下平移。换言之，当可移动载体存在于其底座上时，存在连接器265被压下至底座200的接收表面210中。

电连接器260和存在连接器265略微偏置。因此，当轮子50下降至半球形空腔250中时，首先，在电连接器260和底座200(可移动载体的电池)之间存在电连接。然后，仅仅在上述电连接之后，存在连接器265才因可移动载体存在于充电底座200上而被触发，也就是说被压下。然后执行充电。存在连接器265最后被压下使得能够避免形成任何可能导致部件损坏的电弧。反之，一旦已经执行对电池的充电并且在可移动载体离开其底座的时刻，首先断开存在连接器265，于是产生断电。然后，可移动载体的电连接器260因可移动载体离开底座200而断开(也就是说物理断开)。

图4显示了根据本发明的充电底座200的视图。底座200包括定位于接收表面210和底板平面220之间的相交部处的第一键槽轮廓270。在载体包括两个轮子的情况下，第一键槽轮廓270预定用于形成可移动载体的第二轮子52的抵接部。在载体包括三个轮子50、51、52的情况下(如图2中所示)，底座200包括第二键槽轮廓280，所述第二键槽轮廓280预定用于形成可移动载体的第三轮子51的抵接部。

底座200包括在接收表面210中、在接收表面210与底板平面220的相交部和空腔250之间制成的导向槽290。所述导向槽290预定用于朝向空腔250引导轮子50。

底座200允许在可移动载体在底座200上充电期间良好地放置所述可移动载体。在可移动载体包括三个轮子50、51、52的情况下，轮子50被插入导向槽290中，所述导向槽290使得能够朝向充电底座200的半球形空腔250引导轮子50。换言之，导向槽290被配置成确保轮子50关于导向槽290的主方向定心，并且定心的精度在接近空腔250时提高。当在接收表面210上平移时，轮子50被导向槽290引导，理想地轮子50在导向槽290的中心处被引导。当轮子50与半球形空腔250接触时，轮子50沿着所述空腔的最大坡度线移动以便使轮子50在半球形空腔250的中心处就位。换言之，轮子50的轨线对应于朝向半球形空腔250上升然后再下落至半球形空腔250中。轮子50插入空腔250中与电连接器260接触可移动载体的电池同时发生。

轮子50被插入空腔250中。可移动载体的平移自由度被阻挡。轮子51、52抵接键槽轮廓270、280。可移动载体的旋转自由度被阻挡。因此，可移动载体被极佳地放置在其充电底座200上。于是，底座200的电连接器260接触可移动载体的电连接器，以确保可移动载体的电池的充电。在图4中，显示了两个连接器260。根据本发明的底座200可以只包括一个电连接器260或者包括多于两个的电连接器260。

空腔250具有中心300和极点310以及穿过中心300和极点310从而基本上与参考平面230成直角的轴线Z。底座200包括从空腔250的极点310穿过底座200并且基本上平行于轴线Z的孔隙320。孔隙320使得能够直接地或者间接地经由轮子50排出聚积在空腔250中的水或者任何其他液体物质。

底座200包括能够紧密遵循可移动载体的轮廓的外周340。因此，一旦被放置到其充电底座200上，可移动载体就被其底座良好地保持。并且外周340还是确保过来充电的确实是与所述底座对应的可移动载体的器件。

图5示意性地显示了根据本发明的充电方法的步骤。根据本发明，所述充电方法包括以下步骤：

·朝向半球形空腔250引导至少一个轮子50，

·使所述可移动载体在接收表面210上平移，

·将至少一个轮子50插入半球形空腔250中并且同时使所述底座的连接器260与所述可移动载体的电池接触，

·使载体的第二轮子52抵接键槽轮廓270。

所述方法还包括触发充电的步骤，所述触发充电的步骤包括以下步骤：

·通过由可移动载体造成的存在连接器265的压下来确认在底座200上存在可移动载体，

·测量电池的端子处的电压并且将测得的电压与最小电压值和最大电压值进行比较，

·测量电池的内部电阻并且将测得的电阻与最小电阻值和最大电阻值进行比较。

为了使电池的充电能够被触发，执行上述三个步骤是必要的。因此，需要对可移动载体被良好地定位在其底座上进行核实。这在存在连接器265被压下时得到确认。因为所述底座具有与可移动载体互补的轮廓并且其包括紧密遵循可移动载体的轮廓的外周，所以该步骤确保了该充电底座所认可的可移动载体的存在。

此外，电池的端子处的电压处于预先确定的最小电压值和最大电压值之间是必要的。例如，对于具有25.4V的标称电压的电池来说，在电池的端子处测得的电压必须处于17和26V之间。

最后，电池的内部电阻处于预先确定的最小电阻值和最大电阻值之间是必要的。该值为数十毫欧。应当强调的是，人体的内部电阻为数千欧。因此，该测量值构成了安全措施，以避免在人体可能位于充电底座上的情况下发生任何电流环流。

当这三个条件被满足时，充电于是被触发。

图6a、6b、6c、6d示意性地显示了可移动载体再次与根据本发明的充电底座相连结的不同步骤。为了简化附图，仅仅显示了可移动载体的底板140。

在图6a中，可移动载体接近其充电底座200。为了探测其底座200，载体可以包括障碍物探测装置，所述障碍物探测装置包括至少一个电磁波束发射器、至少一个图像传感器以及图像分析器件，所述至少一个电磁波束发射器能够形成可以与障碍物相交的虚拟平面，所述至少一个图像传感器能够生成所述虚拟平面和所述障碍物的相交部的图像，所述图像分析器件能够确定障碍物并且被配置成将所述图像与参考图像进行比较。

更具体地，所述探测装置可以包括第一所谓水平发射器和第一图像传感器，所述第一所谓水平发射器具有在基本上平行于参考平面的第一虚拟平面中延伸的第一水平波束，所述第一图像传感器能够生成所述第一虚拟平面和障碍物的相交部的图像。

由于可移动载体具有按照轴线X在第一方向上的偏好(优选)移动方向，所述第一虚拟平面形成关于轴线X的角度扇区，并且所述障碍物探测装置还包括第二所谓水平发射器，所述第二所谓水平发射器具有第二水平波束，所述第二水平波束在第二虚拟平面中沿着第一方向延伸，从而形成关于与轴线X成直角的轴线Y并且基本上平行于参考平面的角度扇区。所述障碍物探测装置包括第二图像传感器，所述第二图像传感器能够生成所述第二虚拟平面和所述障碍物的相交部的图像。所述装置包括第三所谓水平发射器，所述第三所谓水平发射器具有第三水平波束，所述第三水平波束在第三虚拟平面中沿着与第一方向相反的第二方向延伸，从而形成关于轴线Y并基本上平行于参考平面的角度扇区。所述障碍物探测装置包括第三图像传感器，所述第三图像传感器能够生成所述第三虚拟平面和障碍物的相交部的图像。

第一、第二和第三所谓水平发射器在距离参考平面一定高度的位置处定位于可移动载体上。分别由所述发射器形成的虚拟平面可以与位于其高度大于上述高度的位置处的障碍物相交或者与一部分位于与虚拟平面齐平的位置处的障碍物相交。所述发射器允许可以比作全景探测的障碍物探测。

所述图像传感器还可以是一种所谓的“广角”图像传感器，其允许单次发射三个水平虚拟平面。

所述障碍物探测装置包括具有在虚拟平面中延伸的铲形波束的所谓铲形发射器，所述虚拟平面被配置成按照与轴线X成直角的直线与参考平面相交。所述第一图像传感器能够生成由虚拟平面和参考平面的相交产生的直线的图像。由上述发射器形成的虚拟平面可以与位于对应于所述虚拟平面和参考平面之间的距离的高度处的障碍物相交。所述障碍物可以是放置在参考平面上的大尺寸或者小尺寸的障碍物。孔或者门挡可特别地作为障碍物的示例被引用。

所述障碍物探测装置包括第一所谓倾斜发射器，所述第一所谓倾斜发射器具有在第一倾斜虚拟平面中按照轴线X在第一方向上延伸并且与参考平面交叉(相割)的第一倾斜波束。所述障碍物探测装置包括第二所谓倾斜发射器，所述第二所谓倾斜发射器具有在第二倾斜虚拟平面中按照轴线X在第一方向上延伸并且与参考平面交叉(相割)的第二倾斜波束。所述第一图像传感器能够生成关于所述倾斜虚拟平面与参考平面的相交部的图像。

所述倾斜波束可以与小障碍物、孔或者大尺寸的障碍物相交，而所述水平波束也许不一定与之相交。

因此，六个波束允许所述障碍物探测装置通过虚拟平面和位于附近环境中的任何障碍物形成相交部。在充电底座200的情况下，所述虚拟平面和底座200之间的相交部将形成可移动载体的已知的精确图像。因此，可移动载体将探测到底座200并且将能够被导引过去以便执行对其电池的充电。

借助于导向槽290朝向空腔250引导轮子50。导向槽呈现出在底板平面220和接收表面210之间的相交部的水平处形成宽松定心的特定特征。因此，轮子50可以沿着导向槽290的方向在接收表面210上平移，即使可移动载体未相对于底座200极佳地定心。导向槽290越靠近空腔250，定心就变得越精确。因此，在可移动载体在接收表面210上的平移的末尾，可移动载体被极佳地定位在其底座200上。

在可移动载体在接收表面210上平移期间，如图6b中所示，底板140在连接器260上方通过，从而避免了底板140和连接器260之间的任何刮削或者摩擦。因此，不会损坏连接器。此外，这使得能够避免在底座200的连接器和载体的连接器之间产生电弧。

应当指出，图6b是横截面图，轮子50在导向槽290中平移并且不会接触置于导向槽290之外的连接器260。

可移动载体朝向空腔250的平移继续(参见图6c)。最后，轮子50通过沿着空腔250的最大坡度线移动而插入空腔250中，轮子52于是抵接键槽轮廓270，于是同时底座200的连接器260在下落至空腔中和沿着导向槽290的纵向轴线的平移结束的双重作用下与可移动载体的电池的正负电极接触。可移动载体于是被极佳地定位在其充电底座200上。通过可移动接触件330和由可移动载体上的重力作用所施加的压力的双重作用促进了连接器260和电池之间的良好接触。应当指出，可移动载体放置在连接器260上的方向不同于沿着参考平面的平移(方向)。可移动载体按照基本上与参考平面成直角的平移来放置在连接器260上。这具有恰好在充电可以开始的时刻进行连接器260与电池(更具体地，与电池的端子)的接触的优点，以便避免在接触时的任何摩擦，以及还避免在可移动载体的电池和底座200分开时形成电弧。