机器人充电座的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人充电座。

背景技术：

目前机器人自动回充，较多的是利用红外传感器实现，这需要在充电桩和机器人上分别安装红外接收和发射装置，对已配有激光雷达的机器人来说，增加了结构成本，且红外传感器易受环境干扰，适用范围有限，机器人寻找充电座时无法远距离识别。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种机器人充电座，旨在解决现有充电座结构成本高及机器人无法远距离识别的问题。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的机器人充电座，包括：

座体；

电能输出导体，其安装在所述座体上，且其具有外露部分；

电源单元，其内置于所述座体，且其与所述电能输出导体电连接；及

标识区，其设置在所述座体上，包括若干强反射区与若干弱反射区，所述强反射区与弱反射区两者依次间隔设置。

进一步地，所述强反射区由贴在所述座体上的激光反射板形成。

进一步地，所述弱反射区由贴在所述座体上的吸光材料形成。

进一步地，所述座体上具有若干凹陷部，每个所述凹陷部的底部均设置为强反射区。

进一步地，所述电能输出导体可相对于所述座体弹性浮动。

进一步地，所述标识区上覆盖有红外透光片。

有益效果：本实用新型的机器人充电座通过在机器人充电座上设置特殊结构的标识区，使得配套使用的机器人只需要依赖自身的激光雷达获取的数据即可计算充电座的位置，进而实现自动回充，无需添加额外的传感器来实现自动回充；且机器人在距离较远时也能识别到标识区，扩大了机器人可以进行回充的范围。

附图说明

附图1为机器人充电座的结构图；

附图2为机器人充电座的侧视图；

附图3为带有红外透光片的机器人充电座的外形图；

附图4为电能输出导体与座体之间的连接结构图；

附图5为标识区处各反射区的宽度标示图；

附图6为机器人的结构图；

附图7为机器人坐标系及激光雷达坐标系两个坐标系的示意图；

附图8为机器人自动回充方法的流程示意图；

附图9为激光扫描结果示意图。

附图中各附图标记表示的零部件名称如下：

1-机器人充电座；11-座体；12-电能输出导体；13-电源连接口；14-标识区；141-强反射区；142-弱反射区；15-红外透光片；2-机器人；21-移动底盘；22-激光雷达；23-控制单元；24-充电触片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如附图1所示的机器人充电座，包括座体11、电能输出导体12、电源单元以及标识区14：其中电能输出导体12安装在所述座体11上，且其具有外露部分；电源单元内置于所述座体11，且其与所述电能输出导体12电连接，需要充电的机器人上配套设置有电能输入导体，机器人需要充电时运动到位，使得电能输入导体与电能输出导体12接触，即可进行充电。本实施例中，电能输出导体12为铜块。电源单元主要实现电能功率及交直流转换，并可实现短路保护，市面上这种类型的电源单元较为常见，可使用现有产品，本实用新型在此不对电源单元的具体电路作说明。

如附图2所示，座体11上安装有外露的电源连接口13，电源连接口13可连接带有插头的电源线，且电源连接口13电连接所述电源单元。

标识区14设置在所述座体11上，包括若干强反射区141与若干弱反射区142，所述强反射区141与弱反射区142两者依次间隔设置，即每两个相邻的强反射区141之间均设置有一个弱反射区142，且每两个相邻的弱反射区142之间均设置有一个强反射区141。优选地，所述强反射区141由贴在所述座体11上的激光反射板形成，激光反射板对激光具有较强的反射作用，激光雷达扫描激光反射板时收到的反馈信号的强度远大于扫描一般物体时收到的反馈信号的强度。所述弱反射区142可以是普通材料表面(弱反射区142自身的外表面，或者在座体11上对应于弱反射区142的位置贴普通的标识材料)，但优选地，弱反射区142可以由贴在所述座体11上的吸光材料形成，吸光材料对激光的反射率较低，激光雷达扫描后收到的返回信号的强度会低于一般物体。如此，通过对标识区14进行特殊设计，使得标识区14反馈的信号强度明显区别于一般物体反馈的信号的强度，使得机器人寻找充电座时容易确定目标。

本实施例中，弱反射区142的数量为3个，强反射区141的数量为2个，即标识区14的两端为两个弱反射区142，中间为强、弱、强的布局。如图5所示，三个弱反射区142的宽度从左到右依次为d0、d1与d2，两个强反射区141的宽度从左到右依次为l0与l1。此外，为了方便机器人对激光雷达扫描的数据进行处理与识别，此处d0、d1与d2三个数值各不相等，l0与l1也不相等。

所述座体11上具有若干凹陷部111，每个所述凹陷部111的底部均设置为强反射区141，即：对应于每个强反射区141的位置座体11上均设置有凹陷部111，这样标识区14不仅具有反馈信号强度有别于一般物体的特征，而且还具有凹凸特征，可方便机器人寻找充电座时对充电座进行进一步确认。此处，凹陷部111的深度即为w，即强反射区141与弱反射区142之间的平面距离为w。

优选地，如附图3所示，标识区14上覆盖有红外透光片15，红外透光片15可保护标识区14，并使得充电座整体的外观较为美观。

为了使得机器人上的电能输入导体与电能输出导体12之间可以有效接触，所述电能输出导体12可相对于座体11弹性浮动。如附图4为一种可实现电能输出导体12相对于座体11弹性浮动的结构，其中电能输出导体12与座体11滑动连接，且电能输出导体12后侧与座体11之间设置有弹簧。

本实用新型还提供了一种机器人自动回充系统，包括上述的机器人充电座1以及机器人2。如附图7所示，所述机器人2包括可移动底盘21、激光雷达22、控制单元23、电源及充电触片24，所述充电触片24与所述电源电连接。其中，可移动底盘21具有两个主动轮，每个主动轮均具有驱动电机，驱动电机与激光雷达22均与控制单元23电性连接，控制单元23可通过激光雷达22扫描周围环境采集环境数据，且可驱动两个驱动电机作差速转动，实现可移动底盘21的前进、后退、转弯等运动。电源用于为整个机器人2供电，充电触片24即上述的电能输入导体，充电触片24为金属铜片。此外，为了保护电源，可在充电触片24与所述电源之间设置保护电路，保护电路可监测充电电流，若出现过流过载的情形，可及时切断充电电路，以保护电池，此处保护电路为现有技术，也有成熟产品可以购买，由于其不是本实用新型的创新核心内容，此处不对其作具有说明。

本实用新型还提供了一种机器人自动回充方法，应用于机器人自动回充系统中机器人2的控制单元23，所述控制单元23至少包括处理器与存储器，存储器内存储有可执行程序，处理器执行存储器内的可执行程序以实现下列自动回充方法。

首先，需要说明的是，本实用新型的自动回充方法涉及两个直角坐标系，即机器人坐标系orxryr和激光雷达坐标系olxlyl；如附图7所示，机器人坐标系原点位于机器人旋转中心，xr为机器人运动的正方向，yr指向机器人左方(符合右手直角坐标系)；ol位于激光雷达测量中心，xl指向激光雷达正方向。激光雷达坐标系到机器人坐标系的变换矩阵为t(2×2矩阵，已知量，根据机械设计图纸或者实际测量获得)，即一般情况下，激光雷达安装在机器人前方，两个坐标系的指向一致(此时t表示平移变换)，如图7所示，此外，指向不一致(t包含平移和旋转变换)时本专利方法同样适用。

激光雷达扫描周边环境后，得到的扫描点反馈的数据以(li,θi,si)表示,其中0≤i<n,n是激光雷达扫描一周可以获取的数据数目，l为测量距离，θ是该次测量与雷达正方向(激光雷达出厂设置规定的正方向)的夹角，s是返回的信号强度。

数据(li,θi,si)通过如下公式转换到激光雷达坐标系：

xi＝li·cosθi

yi＝li·sinθi

如附图8所示，本实用新型的机器人自动回充方法包括如下步骤s301-s305：

步骤s301，利用激光雷达22扫描周围环境获取一帧扫描数据，根据所述扫描数据判断是否扫描到了标识区14；若扫描到了标识区14，转至步骤302；若未扫描到标识区14，使可移动底盘21移动位置并重新扫描，直至扫描到标识区14；

本步骤中，控制单元23利用激光雷达22扫描数据的方法为：控制可移动底盘21原地旋转一周，激光雷达22以设定频率发出激光并接收物体的反馈信号，如此可移动底盘21旋转一周后激光雷达22扫描得到了若干扫描点的坐标信息与反馈的激光信号强度信息。基于扫描数据进行计算可判断是否存在满足标识区14反射信号特征的数据，从而判断出是否扫描到标识区14，若判断出激光雷达22未扫描到标识区14，则说明机器人2与机器人充电座1之间距离存在障碍物。此外，在其他实施例中，如果机器人2具有自动导航功能，机器人2可先运动到一预设点位，再进行扫描，但预设点位与机器人充电座1之间也有可能存在障碍物，因此也有扫描不到标识区14的可能，当扫描不到标识区14，机器人2换位扫描直至扫描到标识区14为止。

步骤s302，根据所述扫描数据计算机器人充电座1的计算位置，并根据所述计算位置计算位于所述机器人充电座1的特定方位的过渡点位的坐标；

步骤s303，控制所述可移动底盘21运动，使所述机器人2整体运动至所述过渡点位；

步骤s304，利用激光雷达22扫描，计算并判断所述标识区14是否位于所述计算位置处；若判断出所述标识区14确实位于所述计算位置处，进入步骤s305；

本步骤用于再次确认充电座的位置，由于之前通过远距离扫描算出的计算位置与过渡点位可能有错误，因此，此处通过二次扫描计算可判断充电座是否确实在计算位置。若判断出所述标识区14不在所述计算位置处，说明之前的计算存在失误，需要整个流程重新开始。

步骤s305，控制所述可移动底盘21向所述机器人充电座1运动，使所述充电触片24与所述电能输出导体12对接。

具体地，所述存储器内至少存储有第一预定值、第二预定值、第三预定值、第四预定值及第五预定值；所述第四预定值为第一个强反射区141的首端至最后一个强反射区141的尾端的总距离；具体到本实施例中，上述第四预定值的值即为l0+l1+d1。

基于此，上述步骤s301中根据所述扫描数据判断是否扫描到了标识区14包括如下步骤s401-s406：

步骤s401，对所述扫描数据进行预处理，剔除其中强度值小于第一预定值的扫描点的数据，得到第一数据组；

具体到本实施例中，第一预定值为一强度数值，其值可定为s0，s0大于一般物体的反射强度，但稍小于反射板反射强度，如此，可剔除掉大部分扫描点，只留下若干强度值满足条件的扫描点，且这些扫描点一般是分段聚集的。将剩下的扫描点的数据索引i存入数组v中，数组v即为本步骤中的第一数据组，当然，此处仅为第一数据组的一种形式，其还可以直接是所有扫描点的数据的集合。

步骤s402，计算第一数据组中每相邻两个扫描点之间的距离，并判断各距离是否超过第二预定值，若超过，将该距离对应的扫描点记为分割点；

具体到本实施例中，控制单元23依次计算数组v中每相邻两个数据索引所对应的扫描点之间的间距δd，如第j个扫描点与第j+1个扫描点之间的距离为其中，0≤j≤k，k为预处理后扫描点的数目。若δd大于第二预定值，说明这两个点之间距离较大，在空间上不是连续的点，则记下此时的索引值v[j]，将该值记为一个分割点。

步骤s403，利用所述分割点将所述第一数据组分割为若干子数据组，去掉数量少于第三预定值的子数据组；

具体到本实施例中，若有m个分割点，则第一数据组v被分割为m+1个子数据组，判断每个子数据组中包含数据的个数，若子数据组中数据个数太少(如只有一个独立的扫描点)，少于第三预定值，则说明该子数据组对应的扫描点不可能是标识区14的扫描点，可以将其剔除以节省后续工作量，此处第三预定值的数值大于等于2。

步骤s404，计算剩余每个子数据组首尾两个扫描点之间的线段的长度，剔除长度超过第四预定值的线段；

具体到本实施例中，同一子数据组中的数据由于在空间上是连续的，说明他们来自同一反射面，计算子数据组首尾两个扫描点之间的线段距离即可大概计算出该反射面的宽度数据。若根据单一子数据组计算出的线段长度大于l0+l1+d1(即第四预定值)，说明该子数据组明显不是标识区14的扫描点对应的线段，可以直接剔除。

步骤s405，计算剩余线段中相邻线段的间距，对间距小于第五预定值的两个线段进行合并，计算合并后线段的总长；

具体到本实施例中，若算得的两个线段之间的间距小于第五预定值，第五预定值稍大于d1(如第五预定值可以是d1与1.2倍d1之间的某一数值)，即说明此两个线段之间的间距较近，可能是标识区14中的扫描点组成的线段，因此将两个线段进行合并计算，注意，此处合并计算的方法是，计算第一个子数据组最前端扫描点到第二个子数据组最后端扫描点之间的线段的长度，而不是将两者形成的线段长度相加。

步骤s406，在最终所得线段中，判断是否存在线段的长度与所述第四预定值的差值百分比在设定范围内，是则说明扫描到了标识区14，该线段为标识线段；否则说明未扫描到标识区14。

具体到本实施例中，此步骤即判断最终所得的线段中是否有线段长度与l0+l1+d1这一数值相接近，是则可初步确定扫描到了标识区14。

进一步地，上述步骤s302具体为：根据确立所述标识线段的子数据组的扫描点的坐标，在所述激光雷达22的坐标系下拟合得到一条直线，并计算所述标识区14正前方设定距离处(如q米)的过渡点位的坐标。

具体地，在本实施例中，过渡点位为p点。若最终确立所述标识线段的子数据组的扫描点有h个，各点的坐标为(xi,yi),采用整体最小二乘法求合的直线ax+by+c＝0，其中a²+b²＝1。a、b是矩阵的最小特征值所对应的特征向量，c可根据a、b获取，矩阵元素为点集的二阶中心距,如下所示。

求点p的坐标可得两个值其中λ＝±q，取距原点近的值作为p的坐标。

具体地，所述存储器内还存储有第六预定值、第七预定值及第八预定值；所述利用激光雷达22扫描，步骤s304中计算并判断所述标识区14是否位于所述计算位置处包括如下步骤s501-s506：

步骤s501，利用激光雷达22扫描机器人2前方一定角度获取一帧扫描数据；

在上述步骤s303中，控制单元23控制机器人2到达过渡点位p点后，可进一步使机器人2的激光雷达22正对充电座的计算位置，这样本步骤中，只需要扫描机器人2正前方一定角度就可以进行判断，无需扫描一周，如附图9所示，图中θ为扫描角度，θ1为扫描步距，即每隔θ1的角度采集一个扫描点获取扫描点的反馈数据。本步骤中扫描得到的数据的类型与上述步骤s301中类似，此处不多赘述。

步骤s502，对所述扫描数据进行预处理，剔除其中信号强度小于第一预定值的扫描点的数据，得到第二数据组；

步骤s503，计算第二数据组中每相邻两个扫描点之间的距离，并判断各距离是否超过第六预定值，若超过，将该距离对应的扫描点记为分割点；

步骤s504，利用所述分割点将所述第一数据组分割为若干分数据组，剔除数量少于第七预定值的分数据组；

上述步骤s502-s504与前述步骤s401-s403类似，此处不多赘述。

步骤s505，计算剩余每组分数据组首尾两个扫描点之间的线段的长度，剔除其中算得线段长度大于第八预定值的分数据组；

具体到本实施例中，本步骤中剔除长度大于l0和l1的数据组。

步骤s506，计算剩余每组分数据组对应线段之间的间距，判断剩余线段中是否存在若干线段的长度及间距的排列规律与所述标识区14的强反射区141与弱反射区142的宽度排列规律契合；若存在，这些线段为匹配线段。

具体到本实施例中，若经过步骤s505剩余的线段有n个(正常情况下n＝2)，每个线段的长度leni及相邻两条线段的间距disi，取与信标长度l0,l1、信标间隔dis0相匹配的一组数据，匹配度根据式1获取，f越小，匹配度越高，当匹配度足够高，得到的两个线段即可确认是对应于两个强反射区141的线段，如此可确定标识区14在计算位置。匹配度的计算公式如下：

进一步地，由于所述强反射区141与弱反射区142不在同一平面，可以利用此特征对充电座进行进一步确认，具体方法为：从所述匹配线段对应的扫描点之间被剔除的扫描点中选取若干扫描点，判断选取的扫描点到所述匹配线段的距离是否与所述强反射区141与弱反射区142之间的距离相符；是则说明所述机器人充电座1位于所述计算位置处。

具体到本实施例中，上述匹配线段对应的扫描点之间被剔除的扫描点即对应于宽度为d1的弱反射区142的扫描点，从这些扫描点中选取若干扫描点并计算选取的扫描点到上述匹配线段的距离w(如附图9所示)，并与强反射区141与弱反射区142之间的实际距离w对比，判断两者的差值比例是否小于特定值，若是，则进一步确认了充电座1位于所述计算位置处。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。