本发明涉及电池更换技术领域，尤其涉及一种自动更换电池机器人、系统及系统控制方法。
背景技术：
移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，可以自动行走执行给定任务，用于智能仓储、清洁、监控等领域。现有的移动机器人在电池电量不足时，会自动运动到充电站点进行充电，但是在充电过程中移动机器人不能工作，降低了移动机器人使用率。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有移动机器人电量不足时要运动到充电站点充电，充电时间内不能工作，降低了移动机器人使用率的技术问题，提供了一种自动更换电池机器人、系统及系统控制方法，其能够自动给移动机器人更换电池，移动机器人无需进行长时间充电，提高了降低了移动机器人使用率。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种自动更换电池机器人，包括移动底盘和用于抓取电池的机械臂，所述移动底盘底部设有二维码读取器，所述移动底盘上设有带动机械臂沿竖直方向运动的升降器和用于放置电池的电池槽，所述电池槽内设有电池，所述移动底盘上还设有控制器和第一无线通信模块，所述控制器分别与移动底盘、机械臂、二维码读取器、升降器、第一无线通信模块和电池槽内的电池电连接。
在本技术方案中，移动底盘包括底盘、设置在底盘底部的若干个脚轮以及驱动脚轮运动的驱动模块，驱动模块与控制器电连接，控制器通过驱动模块驱动脚轮运动，从而控制移动底盘在地面上自由移动。
二维码读取器为摄像头，用于读取地面上用于定位的二维码标签，每个二维码内均内置有唯一的ID号或坐标值。地面上布置有一定数量的二维码标签实现对移动机器人和自动更换电池机器人的引导功能。二维码采用矩阵形，三个角上有三个寻象图形，使用CCD识读设备来探测二维码的位置、大小、倾斜角度、并加以解码。自动更换电池机器人通过识别二维码进行自身定位，运动到指定位置。
自动更换电池机器人通过第一无线通信模块与管理中心进行无线通信。当有移动机器人需要更换电池时，管理中心发送指令给自动更换电池机器人，控制自动更换电池机器人给移动机器人更换电池。自动更换电池机器人移动到移动机器人处，通过升降器带动机械臂运动到合适高度，通过机械臂动作把移动机器人的电池取出；接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，通过升降器带动机械臂运动到合适高度，通过机械臂动作把电池放到充电架上空闲的充电座充电；然后自动更换电池机器人移动到管理中心指定的充电架上用来更换的电池的位置，通过升降器带动机械臂运动到合适高度，通过机械臂动作把指定的电池取出；最后，移动到移动机器人处，通过升降器带动机械臂运动到合适高度，通过机械臂动作把电池放入移动机器人内，完成电池更换。
作为优选，所述移动底盘上还设有带动升降器水平移动的平移机构，所述平移机构与控制器电连接。平移机构实现带动机械臂水平移动。
作为优选，所述移动底盘上还设有备用电池，所述备用电池与控制器电连接。自动更换电池机器人给自己更换电池时，启用备用电池供电。
作为优选，所述机械臂包括与电池配合的抓爪、带动抓爪水平移动的伸缩机构以及驱动伸缩机构伸缩的驱动机构，所述驱动机构与控制器电连接。取电池时，升降器带动机械臂运动到合适高度，驱动机构驱动伸缩机构伸出使抓爪抓住电池，升降器带动机械臂向上运动，将电池提起；放电池时，将电池放置到指定位置后，驱动机构驱动伸缩机构缩回使抓爪缩回。
作为优选，所述移动底盘上还设有检测电池槽内电池电量的第一电量检测模块，所述第一电量检测模块与控制器电连接。
本发明的一种自动更换电池系统，包括上述的一种自动更换电池机器人，还包括管理中心、充电架和设置于地面上的若干个用于定位的二维码标签，所述充电架上设有若干个用于给电池充电的充电座，所述充电架上还设有电池电量监测装置，电池电量监测装置用于监测每个充电座上电池的电量并将其发送到管理中心，管理中心通过无线网络与第一无线通信模块无线连接。
在本技术方案中，电池电量监测装置与管理中心有线连接或无线连接。管理中心包括电池集中管理模块、移动机器人电池电量监测模块、自动更换电池机器人电池电量监测模块，电池集中管理模块、移动机器人电池电量监测模块、自动更换电池机器人电池电量监测模块之间可以进行有线通信或无线通信。
移动机器人电池电量监测模块，用于监测所有移动机器人的电池电量状态；自动更换电池机器人电池电量监测模块，用于监测自动更换电池机器人的电池电量状态；电池集中管理模块，用于集中管理移动机器人的电池电量、自动更换电池机器人的电池电量和充电架上电池的电量，给自动更换电池机器人和移动机器人发送控制指令，能够控制自动更换电池机器人给移动机器人或自身更换电池。
设置于地面上的若干个用于定位的二维码标签，多个二维码标签依次相邻设置构成二维码导航带，用于给移动机器人和自动更换电池机器人提供定位。充电架连接提供电能的外部充电站，充电架的充电座给放置在其上的电池充电。
本发明的一种自动更换电池系统的控制方法，采用上述的自动更换电池系统，用于给具有无线通讯功能的移动机器人更换电池，包括：移动机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有移动机器人中电池电量最少的移动机器人，判断该移动机器人的电池电量是否小于设定值K1，如果小于设定值K1，则发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到指定位置，发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后从该移动机器人的电池座内取出电池放到充电架上充电，从充电架上取出充满电的电池放到该移动机器人的电池座内。
在本技术方案中，换电池指令包括电池更换指令、充满电的电池的位置信息和需要移动到的给移动机器人换电池的位置信息。此方法优点是合理调度系统内的所有电池，最大效率的利用充电架。
本发明的一种自动更换电池系统的控制方法，采用上述的自动更换电池系统，用于给具有无线通讯功能的移动机器人更换电池，包括：移动机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当某个移动机器人的电池电量小于设定值K2时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到指定位置，发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后从该移动机器人的电池座内取出电池放到充电架上充电，从充电架上取出电量最大的电池放到该移动机器人的电池座内。
本发明的一种自动更换电池系统的控制方法，采用上述的自动更换电池系统，包括：自动更换电池机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有自动更换电池机器人中电池电量最少的自动更换电池机器人，判断该自动更换电池机器人的电池电量是否小于设定值K3，如果小于设定值K3，则发送换电池指令给该自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后启动备用电池供电，接着从自身电池槽内取出电池放到充电架上充电，从充电架上取出充满电的电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电。
本发明的一种自动更换电池系统的控制方法，采用上述的自动更换电池系统，包括：自动更换电池机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当某个自动更换电池机器人的电池电量小于设定值K4时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后启动备用电池供电，接着从自身电池槽内取出电池放到充电架上充电，从充电架上取出电量最大的电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电。
本发明的有益效果是：（1）能够自动给移动机器人更换电池，移动机器人无需进行长时间充电，提高了降低了移动机器人使用率。（2）自动更换电池机器人给移动机器人更换电池，完全省去了人力。（3）合理规划电池的更换，以最小数量的充电架及电池保证最大数量机器人的无间断工作，极大的调高了充电架的效率和移动机器人的效率。
附图说明
图1是自动更换电池机器人的一种结构示意图；
图2是自动更换电池机器人的一种电路原理连接框图；
图3是移动机器人的结构示意图；
图4是电池槽的结构示意图；
图5是机械臂的伸缩机构缩回时的结构示意图；
图6是机械臂的伸缩机构伸出时的结构示意图；
图7是自动更换电池系统的电路原理连接框图；
图8是充电架的结构示意图；
图9是电池电量监测装置的电路原理连接框图；
图10是自动更换电池机器人从充电架上取出电池的示意图；
图11是自动更换电池机器将电池放到移动机器人的电池座内的示意图。
图中：1、移动底盘，2、机械臂，3、二维码读取器，4、升降器，5、电池槽，6、电池，7、控制器，8、第一无线通信模块，9、平移机构，10、备用电池，11、伸缩机构，12、驱动机构，13、第一电量检测模块，14、管理中心，15、充电架，16、充电座，17、电池电量监测装置，18、移动机器人，19、电池座，20、电芯，21、电池盒，22、翻边，23、连接头，24、抓爪，25、自动更换电池机器人，26、微处理器，27、第二无线通信模块，28、第二电量检测模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：本实施例的一种自动更换电池机器人，如图1、图2所示，包括移动底盘1和用于抓取电池6的机械臂2，移动底盘1底部设有二维码读取器3，移动底盘1上设有带动机械臂2沿竖直方向运动的升降器4和用于放置电池6的电池槽5，电池槽5内设有电池6，移动底盘1上还设有控制器7、第一无线通信模块8、备用电池10、带动升降器水平移动的平移机构9以及检测电池槽内电池电量的第一电量检测模块13，控制器7分别与移动底盘1、机械臂2、二维码读取器3、升降器4、第一无线通信模块8、备用电池10、平移机构9、第一电量检测模块13和电池槽5内的电池6电连接。
移动底盘包括底盘、设置在底盘底部的若干个脚轮以及驱动脚轮运动的驱动模块，驱动模块与控制器电连接，控制器通过驱动模块驱动脚轮运动，从而控制移动底盘在地面上自由移动。平移机构带动机械臂水平运动，升降器带动机械臂竖直运动，两者配合实现带动机械臂三维运动。
二维码读取器为摄像头，用于读取地面上用于定位的二维码标签，每个二维码内均内置有唯一的ID号或坐标值。地面上布置有一定数量的二维码标签实现对移动机器人和自动更换电池机器人的引导功能。二维码采用矩阵形，三个角上有三个寻象图形，使用CCD识读设备来探测二维码的位置、大小、倾斜角度、并加以解码。自动更换电池机器人通过识别二维码进行自身定位，运动到指定位置。
自动更换电池机器人用于给移动机器人更换电池，移动机器人如图3所示，移动机器人一侧设有凹槽，凹槽内设有电池座19，电池6放置在电池座内给移动机器人供电。
自动更换电池机器人通过第一无线通信模块与管理中心进行无线通信。当有移动机器人需要更换电池时，管理中心发送指令给自动更换电池机器人，控制自动更换电池机器人给移动机器人更换电池。自动更换电池机器人移动到移动机器人处，通过平移机构和升降器带动机械臂运动到合适位置，通过机械臂动作把移动机器人的电池取出；接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，通过平移机构和升降器带动机械臂运动到合适位置，通过机械臂动作把电池放到充电架上空闲的充电座充电；然后自动更换电池机器人移动到管理中心指定的充电架上用来更换的电池的位置，通过平移机构和升降器带动机械臂运动到合适位置，通过机械臂动作把指定的电池取出；最后，自动更换电池机器人移动到移动机器人处，通过平移机构和升降器带动机械臂运动到合适位置，通过机械臂动作把电池放入移动机器人内，完成电池更换。
自动更换电池机器人还能给自己更换电池，给自己更换电池时，启用备用电池供电，更换电池完毕后，由电池槽内的电池供电，备用电池停止供电，电池槽内的电池还能给备用电池充电。
如图4所示，电池槽内设有用于与电池电连接的连接头23，电池6包括电芯20和用于放置电芯20的电池盒21，电池盒21顶部开口，开口向外翻折形成翻边22。
如图5所示，机械臂2包括与电池盒21的翻边22配合的抓爪24、带动抓爪24水平运动的伸缩机构11以及驱动伸缩机构11运动的驱动机构12，驱动机构12与控制器7电连接。取电池时，升降器带动机械臂运动到合适高度，如图6所示，驱动机构驱动伸缩机构伸出，使抓爪底部运动到电池盒的翻边下方，升降器带动机械臂向上运动，将电池提起，如图5所示，驱动机构驱动伸缩机构缩回，将电池取出；放电池时，驱动机构驱动伸缩机构伸出将电池放置到指定位置后，升降器带动机械臂向下运动一小段，驱动机构驱动伸缩机构缩回，使抓爪从电池盒的翻边下方缩回。
伸缩机构可带动抓爪往两侧伸缩，电池槽位于抓爪一侧，伸缩机构可带动抓爪移动到电池槽上方。机械臂可将电池槽内的电池取出或将电池放入电池槽内，从而使得自动更换电池机器人能够给自己更换电池。机械臂上还设有摄像头，摄像头与控制器电连接，自动更换电池机器人通过摄像头识别定位电池，使得电池的取放更精确。
本实施例的一种自动更换电池系统，包括上述的一种自动更换电池机器人25，如图7、图8所示，还包括管理中心14、充电架15和设置于地面上的若干个用于定位的二维码标签，充电架15上设有若干个用于给电池6充电的充电座16，充电架15上还设有电池电量监测装置17，电池电量监测装置17用于监测每个充电座16上电池的电量并将其发送到管理中心14，管理中心14通过无线网络与第一无线通信模块8无线连接。
电池电量监测装置与管理中心有线连接或无线连接。管理中心包括电池集中管理模块、移动机器人电池电量监测模块、自动更换电池机器人电池电量监测模块，电池集中管理模块、移动机器人电池电量监测模块、自动更换电池机器人电池电量监测模块之间可以进行有线通信或无线通信。移动机器人电池电量监测模块，用于监测所有移动机器人的电池电量状态；自动更换电池机器人电池电量监测模块，用于监测自动更换电池机器人的电池电量状态；电池电量监测装置、移动机器人电池电量监测模块、自动更换电池机器人电池电量监测模块将监测的电池电量数据发送到电池集中管理模块，由电池集中管理模块统一管理。
电池集中管理模块，用于集中管理移动机器人的电池电量、自动更换电池机器人的电池电量和充电架上电池的电量，给自动更换电池机器人25和移动机器人18发送控制指令，能够控制自动更换电池机器人给移动机器人或自身更换电池。
设置于地面上的若干个用于定位的二维码标签，多个二维码标签依次相邻设置构成二维码导航带，用于给移动机器人和自动更换电池机器人提供定位。充电架连接提供电能的外部充电站，充电架的充电座给放置在其上的电池充电。
如图9所示，电池电量监测装置17包括微处理器26、第二无线通信模块27以及若干个第二电量检测模块28，第二电量检测模块28与充电座19一一对应，第二电量检测模块28用于检测对应充电座19上电池6的电量，并将其发送到微处理器26，管理中心14通过无线网络第二无线通信模块27无线连接，微处理器26通过第二无线通信模块27将电池电量信息发送到管理中心14。
本实施例的一种自动更换电池系统的控制方法，采用上述的自动更换电池系统，用于给具有无线通讯功能的移动机器人更换电池，包括：移动机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有移动机器人中电池电量最少的移动机器人，判断该移动机器人的电池电量是否小于设定值K1，如果小于设定值K1，则发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到充电架附近的指定位置，并发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后，移动到与该移动机器人需要移动到的指定位置相对应的位置，从该移动机器人的电池座内取出电池，接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，把电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的充满电的电池所在位置，如图10所示，从充电架上取出该电池，最后自动更换电池机器人移动到与移动机器人相对应的位置，如图11所示，将从充电架上取出的电池放到该移动机器人的电池座内，完成电池更换。
换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的充满电电池的位置信息和需要移动到的给移动机器人换电池的位置信息。此方法优点是合理调度系统内的所有电池，最大效率的利用充电架。
实施例2：本实施例的一种自动更换电池系统的控制方法，采用实施例1的自动更换电池系统，用于给具有无线通讯功能的移动机器人更换电池，包括：移动机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当某个移动机器人的电池电量小于设定值K2时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到充电架附近的指定位置，并发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后，移动到与该移动机器人需要移动到的指定位置相对应的位置，从该移动机器人的电池座内取出电池，接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，把电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的电量最大的电池所在位置，从充电架上取出该电池，最后自动更换电池机器人移动到与移动机器人相对应的位置，将从充电架上取出的电池放到该移动机器人的电池座内，完成电池更换。
换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的电量最大的电池的位置信息和需要移动到的给移动机器人换电池的位置信息。
实施例3：本发明的一种自动更换电池系统的控制方法，采用实施例1的自动更换电池系统，包括：自动更换电池机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有自动更换电池机器人中电池电量最少的自动更换电池机器人，判断该自动更换电池机器人的电池电量是否小于设定值K3，如果小于设定值K3，则发送换电池指令给该自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后，移动到充电架前指定位置，接着启动备用电池供电，从自身电池槽内取出电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的充满电的电池所在位置，从充电架上取出该电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电，完成电池更换，电池槽内电池还给备用电池充电。
换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的充满电电池的位置信息。此方法优点是合理调度系统内的所有电池，最大效率的利用充电架。
实施例4：本实施例的一种自动更换电池系统的控制方法，采用实施例1的自动更换电池系统，包括：自动更换电池机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当某个自动更换电池机器人的电池电量小于设定值K4时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送换电池指令给自动更换电池机器人，自动更换电池机器人接收到换电池指令后，移动到充电架前指定位置，接着启动备用电池供电，从自身电池槽内取出电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的电量最大的电池所在位置，从充电架上取出该电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电，完成电池更换，电池槽内电池还给备用电池充电。
换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的电量最大的电池的位置信息。
实施例5：本实施例的一种自动更换电池系统的控制方法，采用实施例1的自动更换电池系统，用于给具有无线通讯功能的移动机器人更换电池，包括：移动机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有移动机器人中电池电量最少的移动机器人，判断该移动机器人的电池电量是否小于设定值K1，如果小于设定值K1，则发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到充电架附近的指定位置，并发送第一换电池指令给自动更换电池机器人（第一换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的充满电电池的位置信息和需要移动到的给移动机器人换电池的位置信息），自动更换电池机器人接收到第一换电池指令后，移动到与该移动机器人需要移动到的指定位置相对应的位置，从该移动机器人的电池座内取出电池，接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，把电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的充满电的电池所在位置，如图10所示，从充电架上取出该电池，最后自动更换电池机器人移动到与移动机器人相对应的位置，如图11所示，将从充电架上取出的电池放到该移动机器人的电池座内，完成电池更换。
当某个移动机器人的电池电量小于设定值K2时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送移动指令给该移动机器人，命令其移动到充电架附近的指定位置，并发送第二换电池指令给自动更换电池机器人（第二换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的电量最大的电池的位置信息和需要移动到的给移动机器人换电池的位置信息），自动更换电池机器人接收到第二换电池指令后，移动到与该移动机器人需要移动到的指定位置相对应的位置，从该移动机器人的电池座内取出电池，接着自动更换电池机器人移动到充电架前指定位置，把电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的电量最大的电池所在位置，从充电架上取出该电池，最后自动更换电池机器人移动到与移动机器人相对应的位置，将从充电架上取出的电池放到该移动机器人的电池座内，完成电池更换。
自动更换电池机器人将自身的电池电量信息发送到管理中心，当充电架上有电池充满电时，管理中心找出所有自动更换电池机器人中电池电量最少的自动更换电池机器人，判断该自动更换电池机器人的电池电量是否小于设定值K3，如果小于设定值K3，则发送第三换电池指令给该自动更换电池机器人（第三换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的充满电电池的位置信息），自动更换电池机器人接收到第三换电池指令后，移动到充电架前指定位置，接着启动备用电池供电，从自身电池槽内取出电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的充满电的电池所在位置，从充电架上取出该电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电，完成电池更换，电池槽内电池还给备用电池充电。
当某个自动更换电池机器人的电池电量小于设定值K4时，管理中心找出充电架上电量最大的电池，发送第四换电池指令给自动更换电池机器人（第四换电池指令包括电池更换指令、充电架上空闲的充电座位置、用于更换的电量最大的电池的位置信息），自动更换电池机器人接收到第四换电池指令后，移动到充电架前指定位置，接着启动备用电池供电，从自身电池槽内取出电池放到充电架上空闲的充电座上充电，然后自动更换电池机器人移动到管理中心分配的用来更换的电量最大的电池所在位置，从充电架上取出该电池放到自身电池槽内，启动电池槽内电池供电，备用电池停止供电，完成电池更换，电池槽内电池还给备用电池充电。