履带机器人自主定位充电系统的制作方法

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种履带机器人自主定位充电系统。

背景技术：

随着移动机器人技术不断的发展，自主移动机器人由于其良好的智能性、自主性已成为了机器人研究领域的热点之一，被赋予了多种多样的任务，如今自主机器人已经被广泛的应用到了各个行业，如清扫机器人、引导机器人、运输机器人、水下无缆机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等。尽管机器人的功能在不断地扩展，应用也越来越广泛，但是所有的这一切都离不开电能的支持。随着机器人功能的不断扩展，机器人对电能的要求量也不断的增加，如何实现长时间的、有效的供电成为了机器人产业化必须面对和解决的问题，自主充电技术是解决机器人自主性的关键。

目前,移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电,但是一般只能维持几个小时,一旦电能耗尽,必须采用人工干预的方式来给机器人充电。如果采用人工充电,那么机器人就处于一种非连续的任务环,这阻碍了机器人的长期自治。如果要实现真正意义上的长期自治,机器人必须能在所处的环境中实现自我支持,实现连续任务环。机器人连续任务环被简单地定义为使机器人以自主充电的方式来继续完成它所分配到的任务。一旦开始运行,机器人便进入连续任务环,即不再需要人的帮助,在此系统中,启动和停止是由机器人自动完成的。对于煤矿井下自主移动机器人来说，煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，如果存在着火点，容易发生二次爆炸等事故，人员进入具有高危险性，抢险人员在第一时间难以进入，而井上专家和决策者又急需获得井下情况，以便做出判断和决策。由机器人先行进入井下，探测井下事故破坏和环境情况，以声像和数据的形式将信息反馈到控制中心无疑是最有效而且安全的方案。由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高品质的机载蓄电池组,如何让机器人在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地实现自动充电是实现机器人长期自治的一项关键技术。

为了解决机器人自主充电的问题，国内外进行了如下研究：机器人自主充电技术始于20世纪40年，在国外，Grey Walter在20世纪40年末成功研发了一台能自主充电的移动机器人名“Tortoises”，这种机器人具有在神经学研究中向着光线行走的行为。Grey Walter设计了一个充电站，他在充电站内部放置了一个光源和充电器,机器人采用跟踪光源的方法来寻找充电站。Grey Walter首先通过光束引导机器人靠近充电装置，然后将机器人本体上的充电臂插入就近的插座为机器人充电。1998年，TSukuba大学研制出一款名为Yamabico-Liv的移动机器人，此机器人在室内环境不变的情况下，通过使用导航系统，利用已知环境地图引导机器人到达充电站，然后驱动机器人配备的特别设备与充电站进行对接，实现机器人自主充电的目的。跟据已知环境地图进行自主充电存在一个缺点，一旦环境地图受到破坏，机器人将失去寻找目标，使用已知地图进行导航，限制了移动机器人的灵活性。1999年，卡内基·梅隆大学的机器人研究所开发了一种自主导游机器人Sage，Sage机器人的本体是采用改良Nomad XR4000移动机器人，利用CCD摄像机和三维路标引导机器人实现充电。加利福尼亚大学使用Nomad XR4000移动机器人，通过在充电站的上方设置色块和IR二极管来引导机器人对接以及监控充电状况。卡内基·梅隆大学和加利福尼亚大学采用了视觉系统和信标对充电目标进行定位。卡内基·梅隆大学采用三维路标引导机器人充电，三维路标具有很好的定位效果，但是在近距离对接时，CCD摄像机的精度将影响对接效果。加利福尼亚大学设计的充电装置采用漏斗状的对接窗口增加了机器人对接误差，提高了容忍度，但是漏斗状的对接窗口只能沿着一个支点左右偏转，限制了对接窗口的水平移动。因此，机器人与充电装置对接时，充电插针必须对正窗口的支点。

在国内，哈尔滨工业大学于2005年用Pioneer3DX轮式机器人在室内未知环境中进行了自主充电技术研究，使用激光传感器、PTZ彩色摄像机和里程计来引导机器人进行自主充电。2010年，重庆大学对室内清洁机器人进行了自主充电的研究，提出了以返回固定充电座充电为目标的自主返回路径规划策略。哈尔滨工业大学直接对室内墙壁上的插座进行对接，并没有进行充电装置设计。电源插座的对接容忍度过小，容易导致充电失败。

综上所述，目前机器人自主充电技术还存在很多缺点，如导航定位精度不够理想、容错及纠错能力不够强壮，充电装置的设计从结构上还不能为自动充电系统提供足够大的容忍度，缺乏普遍环境适应性，且在结构设计合理性、科学、经济等方面还不够理想，这些机器人自主充电技术问题急需我们去解决。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种履带机器人自主定位充电系统，其结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用方便，对地形的容忍度较大，能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：包括远程服务端、激光引导式充电桩和机器人充电控制电路，所述远程服务端包括服务端微控制器、与市电连接并用于将市电转换为机器人充电所需电压的直流电压源和与直流电压源连接并用于为远程服务端各用电单元供电的电压转换电路，以及与服务端微控制器相接的服务端无线通信模块和触摸式液晶显示屏，所述服务端微控制器的输入端接有服务端地磁场传感器，所述服务端微控制器的输出端接有激光发射驱动电路；所述激光引导式充电桩包括底座以及转动连接在底座上且相啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述底座上通过舵机支架固定连接有位于第一齿轮上方的舵机，所述第一齿轮与舵机的输出轴固定连接，所述第二齿轮上固定连接有电源插入挡板，所述电源插入挡板的下部固定连接有激光发射器，所述电源插入挡板的上部固定连接有充电接口，所述充电接口与直流电压源的输出端连接，所述舵机与服务端微控制器的输出端连接，所述激光发射器与激光发射驱动电路的输出端连接；所述机器人充电控制电路包括机器人微控制器和与机器人微控制器相接且用于与服务端无线通信模块无线连接并通信的机载无线通信模块；所述机器人微控制器的输入端接有摄像头、超声波传感器、机载地磁场传感器、用于检测机器人供电电池的电量的电池电量检测电路和用于接收激光发射器发射的激光信号的激光接收器，所述机器人微控制器的输出端接有用于驱动机器人行走电机的电机驱动器和用于为机器人供电电池充电的电池充电电路，所述电池充电电路上连接有用于连接到充电接口上的充电插头。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述服务端微控制器为单片机MSP430F169。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述激光发射驱动电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述单片机MSP430F169的P4.4引脚连接，所述激光发射器的电源正极与+3.3V电源的输出端连接，所述激光发射器的电源负极与三极管Q1的集电极相接，所述三极管Q1的发射极接地。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述服务端无线通信模块和机载无线通信模块均为ZigBee无线通信模块。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述底座上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮的几何中心位置处固定连接有第一圆柱滚子轴承，所述第一齿轮通过将第一转动轴安装到第一圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座上，所述第二齿轮的几何中心位置处固定连接有第二圆柱滚子轴承，所述第二齿轮通过将第二转动轴安装到第二圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座上。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述底座上安装有对称位于第一齿轮两侧且用于保护第一齿轮的两块第一保护挡板和对称位于第二齿轮两侧且用于保护第二齿轮的两块第二保护挡板；所述舵机支架由两个分别位于舵机两侧的门字型支架组成，所述舵机通过六角螺栓和六角螺母与门字型支架固定连接；所述电源插入挡板通过三角形固定件固定连接在第二齿轮上。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述机器人微控制器为DSP数字信号处理器。

上述的履带机器人自主定位充电系统，其特征在于：所述服务端地磁场传感器和机载地磁场传感器均为型号为HMC5883L的三轴地磁场传感器。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单，设计合理，实现方便且成本低。

2、本实用新型的使用方便，能够放置在比较复杂的地形中使用，对地形的容忍度较大。

3、本实用新型在机器人电量即将不足时，能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高。

4、本实用新型的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本实用新型结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用方便，对地形的容忍度较大，能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图。

图2为本实用新型激光引导式充电桩的结构示意图。

图3为本实用新型激光发射驱动电路的电路原理图。

附图标记说明:

1—远程服务端； 1-1—服务端微控制器； 1-2—直流电压源；

1-3—服务端无线通信模块； 1-4—触摸式液晶显示屏；

1-5—服务端地磁场传感器； 1-6—激光发射驱动电路；

1-7—电压转换电路； 2—激光引导式充电桩； 2-1—底座；

2-2—充电接口； 2-3—第一齿轮； 2-4—第二齿轮；

2-5—门字型支架； 2-6—舵机； 2-7—电源插入挡板；

2-8—激光发射器； 2-9—第一保护挡板； 2-10—第二保护挡板；

2-11—六角螺栓； 2-12—六角螺母； 2-13—三角形固定件；

3—机器人充电控制电路； 3-1—机器人微控制器；

3-2—机载无线通信模块； 3-3—摄像头； 3-4—超声波传感器；

3-5—机载地磁场传感器； 3-6—电池电量检测电路；

3-7—激光接收器； 3-8—电机驱动器； 3-9—电池充电电路；

3-10—充电插头。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型的履带机器人自主定位充电系统，包括远程服务端1、激光引导式充电桩2和机器人充电控制电路3，所述远程服务端1包括服务端微控制器1-1、与市电连接并用于将市电转换为机器人充电所需电压的直流电压源1-2和与直流电压源1-2连接并用于为远程服务端1各用电单元供电的电压转换电路1-7，以及与服务端微控制器1-1相接的服务端无线通信模块1-3和触摸式液晶显示屏1-4，所述服务端微控制器1-1的输入端接有服务端地磁场传感器1-5，所述服务端微控制器1-1的输出端接有激光发射驱动电路1-6；所述激光引导式充电桩2包括底座2-1以及转动连接在底座2-1上且相啮合的第一齿轮2-3和第二齿轮2-4，所述底座2-1上通过舵机支架固定连接有位于第一齿轮2-3上方的舵机2-6，所述第一齿轮2-3与舵机2-6的输出轴固定连接，所述第二齿轮2-4上固定连接有电源插入挡板2-7，所述电源插入挡板2-7的下部固定连接有激光发射器2-8，所述电源插入挡板2-7的上部固定连接有充电接口2-2，所述充电接口2-2与直流电压源1-2的输出端连接，所述舵机2-6与服务端微控制器1-1的输出端连接，所述激光发射器2-8与激光发射驱动电路1-6的输出端连接；所述机器人充电控制电路3包括机器人微控制器3-1和与机器人微控制器3-1相接且用于与服务端无线通信模块1-3无线连接并通信的机载无线通信模块3-2；所述机器人微控制器3-1的输入端接有摄像头3-3、超声波传感器3-4、机载地磁场传感器3-5、用于检测机器人供电电池的电量的电池电量检测电路3-6和用于接收激光发射器2-8发射的激光信号的激光接收器3-7，所述机器人微控制器3-1的输出端接有用于驱动机器人行走电机的电机驱动器3-8和用于为机器人供电电池充电的电池充电电路3-9，所述电池充电电路3-9上连接有用于连接到充电接口2-2上的充电插头3-10。

本实施例中，所述服务端微控制器1-1为单片机MSP430F169。

本实施例中，如图3所示，所述激光发射驱动电路1-6包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述单片机MSP430F169的P4.4引脚连接，所述激光发射器2-8的电源正极与+3.3V电源的输出端连接，所述激光发射器2-8的电源负极与三极管Q1的集电极相接，所述三极管Q1的发射极接地。

本实施例中，所述服务端无线通信模块1-3和机载无线通信模块3-2均为ZigBee无线通信模块。具体实施时，所述ZigBee无线通信模块为型号为CC2530的ZigBee无线通信模块。

本实施例中，如图2所示，所述底座2-1上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮2-3的几何中心位置处固定连接有第一圆柱滚子轴承，所述第一齿轮2-3通过将第一转动轴安装到第一圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座2-1上，所述第二齿轮2-4的几何中心位置处固定连接有第二圆柱滚子轴承，所述第二齿轮2-4通过将第二转动轴安装到第二圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座2-1上。

本实施例中，如图2所示，所述底座2-1上安装有对称位于第一齿轮2-3两侧且用于保护第一齿轮2-3的两块第一保护挡板2-9和对称位于第二齿轮2-4两侧且用于保护第二齿轮2-4的两块第二保护挡板2-10；所述舵机支架由两个分别位于舵机2-6两侧的门字型支架2-5组成，所述舵机2-6通过六角螺栓2-11和六角螺母2-12与门字型支架2-5固定连接；所述电源插入挡板2-7通过三角形固定件2-13固定连接在第二齿轮2-4上。具体实施时，所述第一齿轮2-3和第二齿轮2-4的齿数比为1：1。

本实施例中，所述机器人微控制器3-1为DSP数字信号处理器。

本实施例中，所述服务端地磁场传感器1-5和机载地磁场传感器3-5均为型号为HMC5883L的三轴地磁场传感器。

具体实施时，所述激光发射器2-8为一字线激光发射器，与充电接口2-2的旋转摆动相配合，提高了机器人上的充电插头3-10与充电接口2-2的对接成功率，有效避免了无法对接的问题。

采用本实用新型进行履带机器人自主定位充电的过程为：电池电量检测电路3-6对机器人供电电池的电量进行实时检测并将检测到的信号实时输出给机器人微控制器3-1，机器人微控制器3-1将其接收到的机器人供电电池的电量与预先设定的低电量阈值进行比对，当机器人供电电池的电量小于低电量阈值时，判断为机器人供电电池的电量不足，此时，机器人微控制器3-1通过机载无线通信模块3-2向远程服务端1发送充电信号，当服务端微控制器1-1通过服务端无线通信模块1-3接收到机器人微控制器3-1发送的充电信号后，开始采集服务端地磁场传感器1-5检测到的地磁数据，并通过服务端无线通信模块1-3发送给机器人充电控制电路3；机器人微控制器3-1通过机载无线通信模块3-2接收服务端微控制器1-1发送的地磁数据，并采集机载地磁场传感器3-5检测到的地磁数据，并将采集到的地磁数据与其接收到的地磁数据进行比对，根据比对的差别移动，使其采集到的地磁数据逐渐接近其接收到的地磁数据，即机器人向靠近远程服务端1的位置移动；移动过程中，机器人微控制器3-1通过采集摄像头3-3拍摄到的图像，对激光引导式充电桩2上的激光发射器2-8进行定位，当采集到的图像中能够获取到激光发射器2-8发射的光时，开始进行激光定位，机器人微控制器3-1通过机载无线通信模块3-2向远程服务端1发送激光定位信号，当服务端微控制器1-1通过服务端无线通信模块1-3接收到机器人微控制器3-1发送的激光定位信号后，驱动舵机2-6转动，并通过激光发射驱动电路1-6驱动激光发射器2-8发射激光，舵机2-6顺时针旋转到位后再逆时针旋转到位，不断重复，舵机2-6转动时带动第一齿轮2-3转动，第一齿轮2-3再带动第二齿轮2-4转动，第二齿轮2-4再带动电源插入挡板2-7转动，直至激光接收器3-7接收到激光发射器2-8发射的激光信号后，机器人微控制器3-1通过机载无线通信模块3-2向远程服务端1发送激光定位完成信号，当服务端微控制器1-1通过服务端无线通信模块1-3接收到机器人微控制器3-1发送的激光定位完成信号后，停止驱动舵机2-6转动，充电插头3-10与充电接口2-2对接，从而给机器人供电电池充电。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。