一种机器人充电装置及其实现方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人充电装置及其实现方法。

背景技术：

近年来，机器人产品的国际市场保持着持续扩大的趋势。在“使机器人更好地服务人类”的需求下，人型机器人以其安全、便捷、智能的特性，与人类相似的外观和运动规律，在与被服务对象交互方面达到较高的水平，能够实现比非人型机器人更加具有亲和力的功能，因而受到各类人群的广泛青睐。然而，目前市面上已有的人型机器人的功能较为单一，许多潜在的发展方向尚未被开发，往往需要人手动完成部分功能，例如需要人手动进行充电，无法自动充电。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够快速、自主充电的机器人充电装置。

本发明的另一目的在于提供一种机器人充电装置的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种机器人充电装置，包括机器人、机械手模块、传感器模块，内部电源模块、控制系统和外部充电模块，所述机械手模块、传感器模块和内部电源模块分别与所述控制系统相连接；所述机器人包括头部、躯干和手部，所述机械手模块设置在机器人的手部，所述传感器模块包括双摄像头传感器和超声波传感器，所述双摄像头传感器设置在机器人的头部，所述超声波传感器设置在机械手模块上，所述内部电源模块和控制系统设置在机器人的躯干内，所述外部充电模块设置在外接的插座电源上；

所述机械手模块模拟人手的外观造型和内部结构，包括腕部、掌部、拇指、食指、中指、无名指、尾指、舵机一、舵机二、舵机三、舵机四、舵机五、舵机六、舵机七、舵机八和牵引线，其中，所述腕部包括屈伸部和旋转部；所述掌部设有两个关节；所述拇指设有两个关节，所述食指、中指、无名指和尾指设有三个关节；所述舵机一与腕部的屈伸部通过所述牵引线相连接，所述舵机二与拇指通过所述牵引线相连接，所述舵机三与食指通过所述牵引线相连接，所述舵机四与中指通过所述牵引线相连接，所述舵机五与无名指通过所述牵引线相连接，所述舵机六与尾指通过所述牵引线相连接，所述舵机七与掌部通过所述牵引线相连接，所述舵机八与腕部的旋转部相连接；所述食指和中指的指尖设有充电电极；所述舵机一、舵机二、舵机三、舵机四、舵机五、舵机六、舵机七和舵机八分别与所述控制系统相连接；所述超声波传感器设置在所述机械手的掌部；

所述内部电源模块包括蓄电池、配电元件和电线，所述蓄电池与配电元件通过所述电线相连接，所述机械手食指和中指指尖的充电电极与所述配电元件通过所述电线相连接；

所述外部充电模块包括外壳、电源适配器、接口和超声波探测区，所述电源适配器封装在所述外壳内，所述接口和超声波探测区设置在所述外壳上，所述接口与电源适配器相连接，所述超声波探测区设置在接口上方，所述接口设有两个，与所述机械手的食指和中指指尖的充电电极相对应配合设置；

所述控制系统包括单片机。

优选地，所述内部电源模块的配电元件包括稳压电路板和驱动电路板；开关电源稳压电路板通过高频滤波电容实现大功率、高效率地降压低纹波的功能，使自带电源输出稳定的工作电流，保障机器人的正常运作，电机驱动电路板的芯片内含双H桥高电压大电流全桥式驱动器，用以驱动机器人身上的直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载。

优选地，所述机械手模块包括机械手左手和机械手右手；左右对称的仿人形机械手由多级内置舵机进行牵引驱动，在单片机程序源码的控制下，可以精确实现各种事先设定的动作，再者，藉由移植外部投影操作系统的手段，可实现以人手运动同步控制机械手的动作，进而达到机械手自主学习各类生产操作技术的目的。

优选地，所述机械手的结构框架采用ABS材料经3D打印制成。所述ABS材料具有高强度，低重量，冲击强度较高，尺寸稳定性好，电性能、耐磨性、抗化学药品性较好等特点，易于进行成型加工和机械加工。

优选地，所述双摄像头传感器设置在机器人头部眼睛的位置上；采用仿人体学原理，设置于机器人眼睛部位的双摄像头传感器相当于可自由进行周角运动进行取景的“眼珠”，在不破坏人型机器人头部外形美感的同时，可以最大限度地实现对机器人周围环境图像的采集，便于控制系统对外界情况进行分析及判断。

优选地，所述设置在机械手掌部的超声波传感器为HC-SR04型号的超声波传感器；型号为HC-SR04的超声波传感器具有体积小巧、操作简单、性能稳定等特点，同时其收发盲区极近，测距精度高。

优选地，所述外部充电模块的外壳由ABS材料经3D打印制成；所述ABS材料具有高强度，低重量，冲击强度较高，尺寸稳定性好，电性能、耐磨性、抗化学药品性较好等特点，易于进行成型加工和机械加工。

一种由上述机器人充电装置的实现方法，包括下述步骤：

(1)外部充电模块与插座电源相连接，机器人的控制系统内置电源电量检测程序，在内部电源模块的蓄电池的电量下降到标准值附近时，机器人的控制系统自动向操作者发送通知，并同时控制机械手向外部充电模块靠近；

(2)在机械手到达外部充电模块附近时，机器人的控制系统在机械手掌心处用于测距的超声波传感器模块的配合下，控制机械手内各舵机相互配合进行角度微调以实现机械手的姿态微调，从而使机械手掌部抬起，进而使机械手掌部平面向前与外部充电模块的超声波探测区相平行，并缓慢、平稳地接近外部充电模块，直到两者的相对距离进入指定距离范围内；

(3)机械手移动到指定位置后，机器人的控制系统控制舵机一工作，进而控制腕部的屈伸部使机械手掌部放下变为水平状态，此时机械手的食指、中指、无名指和尾指都处于水平状态，控制系统控制舵机五和舵机六工作，进而控制无名指和尾指弯曲；在机器人头部的双摄像头传感器的配合下，机械手的食指和中指缓慢、平稳地接近外部充电模块的接口，直至机械手的食指和中指指尖上的充电电极插入外部充电模块的接口内并与接口相连接，此时内部电源模块的蓄电池与插座电源相连接，对蓄电池进行充电；

(4)当控制系统内置的电源电量检测程序检测到内部电源模块的蓄电池的电量充满时，控制系统驱动机械手的相关舵机工作，使机械手的食指和中指从外部充电模块的接口内拔出，从而实现内部电源模块的蓄电池与插座电源断开，完成充电，机器人恢复到正常使用状态。

本发明的工作原理：

工作时，机器人的控制系统内置电源电量检测程序，在内部电源模块的蓄电池的电量下降到标准值附近时，机器人的控制系统自动向操作者发送通知，并同时控制机械手向外部充电模块靠近，此时外部充电模块与插座电源相连接，在机械手到达外部充电模块附近后，机器人的控制系统在机械手掌心处用于测距的超声波传感器模块的配合下，通过机械手内的相关舵机配合进行角度微调以实现机械手的位置微调，从而使机械手掌部抬起，进而使机械手掌部平面向前与外部充电模块的超声波探测区相平行，并缓慢、平稳地接近电源适配器，直到两者的相对距离进入指定距离范围内；机械手移动到指定位置后，机器人的控制系统控制舵机一工作，进而控制腕部的屈伸部使机械手掌部放下变为水平状态，此时机械手的食指、中指、无名指和尾指都处于水平状态，控制系统控制舵机五和舵机六工作，进而控制无名指和尾指弯曲；在机器人头部的双摄像头传感器的配合下，机械手的食指和中指缓慢、平稳地接近外部充电模块的接口，直至机械手的食指和中指指尖上的充电电极插入外部充电模块的接口内并与接口相连接，此时内部电源模块的蓄电池与插座电源相连接，对蓄电池进行充电；当控制系统内置的电源电量检测程序检测到内部电源模块的蓄电池的电量充满时，控制系统驱动机械手的相关舵机工作，使机械手的食指和中指从外部充电模块的接口内拔出，从而实现内部电源模块的蓄电池与插座电源断开，完成充电，机器人恢复到正常使用状态。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明在保留机器人仿人机械手的所有已开发功能(包括多自由度运动，取、放物品，迎宾交互等)的基础上，向“自主快速充电”的研究方向进行更深层次的发展，实现机器人的自主、快速充电功能，通过机械手指尖设置充电电极与外部电源连接的方式，在控制系统和传感器模块的相互配合下，实现机器人的快速、自主充电功能；

(2)本发明的整体结构布局紧密，功能实现状态稳定，机器人充电终端与电源适配器的连接结构设计简洁、可靠，使机器人自主控制充电时的出错率大大降低；

(3)本发明综合应用机电一体化、快速建模成型等多项国内外先进技术，结合单片机及多种传感器的特性，达到模拟机器人视觉及触觉功能的效果。

附图说明

图1为本发明机械手的结构示意图；

图2为本发明机械手内部舵机的连接结构示意图；

图3为本发明外部充电模块的结构示意图；

图4为本发明的工作过程示意图之一；

图5为本发明的工作过程示意图之二；

图6为本发明控制系统的工作流程图；

图7为本发明的立体图。

图中附图标记为：1、机械手；2、充电电极；3、超声波传感器；4、舵机一；5、舵机二；6、舵机三；7、舵机四；8、舵机五；9、舵机六；10、舵机七；11、舵机八；12、外壳；13、接口；14、超声波探测区；15、插座电源；16、头部；17、双摄像头传感器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～7所示，一种机器人充电装置，包括机器人、机械手模块、传感器模块，内部电源模块、控制系统和外部充电模块，所述机械手模块、传感器模块和内部电源模块分别与所述控制系统相连接；所述机器人包括头部16、躯干和手部，所述机械手模块设置在机器人的手部，所述机械手模块包括机械手左手和机械手右手，所述机械手1的结构框架采用ABS材料经3D打印制成，而ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymers，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料是一种3D打印材料，具有优秀的综合性能：高强度，低重量，冲击强度较高，尺寸稳定性好，电性能、耐磨性、抗化学药品性较好，易于进行成型加工和机械加工，在3D打印机日益普及的今天，通过3D打印来实现机械定制，具有加工方便、可操作性强，自定义范围广等显著优点。所述传感器模块包括双摄像头传感器17和超声波传感器3，所述双摄像头传感器17设置在机器人的头部16，具体来说，所述双摄像头传感器17设置在机器人头部16眼睛的位置上，所述超声波传感器3设置在机械手模块上，所述内部电源模块和控制系统设置在机器人的躯干内，所述外部充电模块设置在外接的插座电源15上；如图1～2所示，所述机械手模块模拟人手的外观造型和内部结构，包括腕部、掌部、拇指、食指、中指、无名指、尾指、舵机一4、舵机二5、舵机三6、舵机四7、舵机五8、舵机六9、舵机七10、舵机八11和牵引线，其中，所述腕部包括屈伸部和旋转部；所述掌部设有两个关节；所述拇指设有两个关节，所述食指、中指、无名指和尾指设有三个关节；所述舵机一4与腕部的屈伸部通过所述牵引线相连接，所述舵机二5与拇指通过所述牵引线相连接，所述舵机三6与食指通过所述牵引线相连接，所述舵机四7与中指通过所述牵引线相连接，所述舵机五8与无名指通过所述牵引线相连接，所述舵机六9与尾指通过所述牵引线相连接，所述舵机七10与掌部通过所述牵引线相连接，所述舵机八11与腕部的旋转部相连接；所述食指和中指的指尖设有充电电极2；所述舵机一4、舵机二5、舵机三6、舵机四7、舵机五8、舵机六9、舵机七10和舵机八11分别与所述控制系统相连接；所述超声波传感器3设置在所述机械手1的掌部，具体来说，超声波传感器3的工作原理是以回声来定位，在不使用头部16摄像头时，该模块可辅助控制系统实现机械手1盲寻目标物，即用超声波“摸”寻、定位目标物，实现接近于人体皮肤的触觉功能；所述设置在机械手1掌部的超声波传感器3分为发射部件和接收部件，所述设置在机械手1掌部的超声波传感器3为HC-SR04型号的超声波传感器，型号为HC-SR04的超声波传感器具有体积小巧、操作简单、性能稳定等特点，同时其收发盲区极近，测距精度高；所述内部电源模块包括蓄电池、配电元件和电线，所述蓄电池与配电元件通过所述电线相连接，所述机械手1食指和中指指尖的充电电极2与所述配电元件通过所述电线相连接，所述内部电源模块的配电元件包括稳压电路板和驱动电路板；如图3所示，所述外部充电模块包括外壳12、电源适配器、接口13和超声波探测区14，所述外部充电模块的外壳12由ABS材料经3D打印制成，所述电源适配器封装在所述外壳12内，所述接口13和超声波探测区14设置在所述外壳12上，所述接口13与电源适配器相连接，所述超声波探测区14设置在接口13上方，所述接口13设有两个，与所述机械手1的食指和中指指尖的充电电极2相对应配合设置；所述控制系统包括单片机，作为控制系统的STM32单片机采用C语言进行编程，各部位舵机的驱动程序，各部位传感器的反馈处理程序及电量监测软件程序存储于芯片中，由主程序进行判断、调用和执行。

如图6所示，工作时，机器人的控制系统内置电源电量检测程序，在内部电源模块的蓄电池的电量下降到标准值附近时，机器人的控制系统自动向操作者发送通知，并同时控制机械手1向外部充电模块靠近，此时外部充电模块与插座电源15相连接，在机械手1到达外部充电模块附近时，如图4所示，机器人的控制系统在机械手1掌心处用于测距的超声波传感器3模块的配合下，控制机械手1内各舵机相互配合进行角度微调以实现机械手1的姿态微调，从而使机械手1掌部抬起，进而使机械手1掌部平面向前与外部充电模块的超声波探测区14相平行，并缓慢、平稳地接近外部充电模块，直到两者的相对距离进入指定距离范围内；机械手1移动到指定位置后，机器人的控制系统控制舵机一4工作，进而控制腕部的屈伸部使机械手1掌部放下变为水平状态，此时机械手1的食指、中指、无名指和尾指都处于水平状态，控制系统控制舵机五8和舵机六9工作，进而控制无名指和尾指弯曲；如图5所示，在机器人头部16的双摄像头传感器17的配合下，机械手1的食指和中指缓慢、平稳地接近外部充电模块的接口13，直至机械手1的食指和中指指尖上的充电电极2插入外部充电模块的接口13内并与接口13相连接，具体来说，机械手1食指指尖的零线接入电极与中指指尖的火线接入电极与外部充电模块的接口13上相应的N孔(内置接通插座电源15零线接口13的电极)和L孔(内置接通插座电源15火线接口13的电极)接通，此时内部电源模块的蓄电池与插座电源15相连接，对蓄电池进行充电；当控制系统内置的电源电量检测程序检测到内部电源模块的蓄电池的电量充满时，控制系统驱动机械手1的相关舵机工作，使机械手1的食指和中指从外部充电模块的接口13内拔出，从而实现内部电源模块的蓄电池与插座电源15断开，完成充电，机器人恢复到正常使用状态。

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于复合传感器模块的机器人快速充电结构，所述机器人由上半身的仿人运动结构和下半身非足式运动结构构成，使得机器人可以在控制系统的控制下，通过机械手1指尖中的充电电极2将内置的蓄电池与外部电源接通，从而实现快速、自主充电的功能，具体来说，机器人仿人机械手1通过内置的标准舵机和控制系统进行精准的驱动，可以准确地实现五指各关节、掌部和腕部的仿人运动，机械手1具有包含五指(与人手相同，除拇指为两个自由度外，每个手指各有三个自由度)十四个自由度、掌部两个自由度和腕部两个自由度在内共十八个自由度，可在控制系统的控制下准确实现开掌、抱拳等各种复杂的仿人手部动作。

本发明在保留机器人仿人机械手的所有已开发功能(包括多自由度运动，取、放物品，迎宾交互等)的基础上，向“自主快速充电”的研究方向进行更深层次的发展，实现机器人的自主、快速充电功能，通过机械手指尖设置充电电极与外部电源连接的方式，在控制系统和传感器模块的相互配合下，实现机器人的快速、自主充电功能；整体结构布局紧密，功能实现状态稳定，机器人充电终端与电源适配器的连接结构设计简洁、可靠，使机器人自主控制充电时的出错率大大降低；综合应用机电一体化、快速建模成型等多项国内外先进技术，结合单片机及多种传感器的特性，达到模拟机器人视觉及触觉功能的效果。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。