磁共振式自动充电机器人及其充电方法与流程

本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及一种磁共振式自动充电机器人及其充电方法。

背景技术：

随着机器人产业持续升温，中国机器人市场需求不断扩大，机器人逐渐走进人们的视野中。机器人，可实现音视频对讲、室内无线导航、人机交互、人脸识别等各项功能。

为了提高机器人的可持续工作能力，在电池技术尚未有重大突破的前提情况下，方便快捷的充电技术是机器人发展的关键技术之一。相比接触式充电，无线充电由于有着无外漏接口、运行安全、便捷灵活、维护成本低、用户体验好等优点，受到了越来越多的关注。

机器人无线充电方案中，耦合线圈是实现电能与场能相互转化的元器件。发射线圈通常固定于地面，接收线圈安装在机器人底盘下方，相距约10cm～15cm。耦合线圈的相对垂直距离和横向偏移都会直接影响充电的性能和效率，尤其是横向偏移。目前机器人常用的定位技术有视觉、雷达、超声波、红外，这些技术在机器人与充电座相距较近时都有一定的对准定位局限性。因此，如何做到简单高效的对准定位是一项重要而亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种操作方便、充电高效的磁共振式自动充电机器人及其充电方法。

为了达到上述目的，本发明一种磁共振式自动充电机器人的充电方法，包括以下实现过程：

s1、寻找充电桩，充电桩上的发射传感器向可控区域内发射红外信号，机器人在移动的过程中，机器人上的红外接收传感器搜索红外信号，直至接收到充电桩发射的红外信号；

s2、靠近充电桩，机器人搜索到充电桩发送的红外信号后，通过红外信号信息不断调整位置，以逐步接近充电桩，并通过红外信号精确定位，使机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近；

s3、接收电源能量，机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近后，无线发射线圈向无线接收线圈发送定频的电磁波，无线接收线圈接收电磁波并转换成可使用能量；

s4、稳定电源电压电流，机器人检测输入的电源电压电流是否稳定，当电压电流不稳定时，机器人选择离开充电桩并通过红外信号继续精准调整位置，直至寻找到电压电流稳定的位置；

s5、进入充电模式，当电源的电压电流稳定后，机器人进入充电模式，在充电过程中机器人实时检测充电是否正常，若充电异常则离开充电桩，继续精准调整位置；

s6、充电完成，机器人实时检测自身电池是否充满电，当电池电量充满时，机器人停止充电，并离开充电桩。

其中，充电桩上的发射传感器包括将信号发射到a区的a区精准传感器、将信号发射到b区的b区精准传感器以及将信号发射到c区的c区广角传感器，a区精准传感器为充电桩左侧的发射管，b区精准传感器为充电桩右侧的发射管，c区广角传感器为广角大于135度的发射管，在s1寻找充电桩的过程中，机器人上的红外接收传感器首先搜索c区广角传感器发射的信号，当机器人能够接收到c区广角传感器发射的信号时，机器人先向前行走，进一步找到a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号，若没有找到，则向后倒退寻找a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号。

其中，机器人上的红外接收传感器包括左侧接收传感器、右侧接收传感器以及背部接收传感器，在s1寻找充电桩的过程中，左侧接收传感器、右侧接收传感器或背部接收传感器接收到c区广角传感器发射的信号时，机器人向前或向后行走，直至找到a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号。

其中，在s1寻找充电桩的过程中，机器人的左侧接收传感器收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若左侧接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右原地旋转，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若左侧接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左边弧线行走，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。

其中，在s1寻找充电桩的过程中，机器人的右侧接收传感器收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若右侧接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右弧线行走，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若右侧接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左原地旋转，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。

其中，背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号后，进行s2靠近充电桩的过程；当背部接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人小幅度左转走向b区，到机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近并可接收稳定电源时机器人停止行走进行充电；当背部接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人小幅度右转走向a区，到机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近并可接收稳定电源时机器人停止行走进行充电。

其中，在s1寻找充电桩的过程中，充电桩主控首先进行红外编码，对每种红外线的光源脉冲进行编码，再通过发射传感器发射红外信号，机器人的红外接收传感器收到红外信号后，经过红外解码器对相应红外信号进行解码后发送到机器人主控，机器人主控通过指令解析，计算运动轨迹，再发送到运动控制模块进行底盘制动系统的控制；在s3接收电源能量的过程中，充电桩主控首先通过无线充电模块控制无线发射线圈发送定频的电磁波，机器人的无线接收线圈接收电磁波后通过无线充电接收模块将电磁波转换成电能并将电能信息传递到机器人主控，机器人主控分析电能的稳定性已经充电状态的安全性。

其中，在s1-s4中机器人移动的过程中，机器人主控实时通过超声波感应器获取机器人与充电桩之间的距离，并实时将机器人行走速度进行控制；具体的，当机器人与充电桩之间的距离大于等于20cm时，机器人高速行走；当机器人与充电桩之间的距离大于10cm且小于20cm时，机器人低速行走；当机器人与充电桩之间的距离小于10cm时，机器人超低速行走。

本发明还公开了一种磁共振式自动充电机器人，包括机器人充电组件以及充电桩组件，所述机器人充电组件靠近充电桩组件并实现无线充电过程；

所述机器人充电组件包括机器人主控pcb板、充电接收线圈、充电接收pcb板、机器人外壳、线圈支架、左侧接收传感器、右侧接收传感器、背部接收传感器以及超声波感应器，所述充电接收pcb板的输入端与充电接收线圈电连接，且所述充电接收pcb板的输出端与机器人主控pcb板电连接，所述左侧接收传感器、右侧接收传感器以及背部接收传感器均与机器人主控pcb板电连接，且所述左侧接收传感器、右侧接收传感器以及背部接收传感器分别从机器人外壳的左侧、右侧以及背部中间伸出，所述超声波感应器的输入端从机器人外壳的背部引出且超声波感应器的输出端与机器人主控pcb板电连接，所述充电接收线圈一面固定在线圈支架上，且另一面紧贴机器人外壳；

所述充电桩组件包括充电桩主控pcb板、发射线圈pcb板、无线发射线圈、充电桩壳体、广角发射传感器、精准发射传感器以及精准遮光座，所述发射线圈pcb板的输入端与充电桩主控pcb板电连接，且所述发射线圈pcb板的输出端与无线发射线圈电连接，所述无线发射线圈固定在充电桩壳体上充电窗的内表面，所述广角发射传感器以及精准发射传感器均与充电桩主控pcb板电连接，且所述充电桩壳体表面设有便于广角发射传感器以及精准发射传感器发射信号的通孔，所述精准遮光座盖合在精准发射传感器的外表面。

其中，所述机器人主控pcb板上设有将接收的红外信号解码的红外解码器、将接收电磁波转换为电能的无线接收模块、检测输入电源是否稳定的电源检测模块、监控电池是否充电完成的电量监控模块以及向底盘电机发送行走指令的运动控制模块；所述充电桩主控pcb板上设有将红外信号进行编码的红外编码器以及控制无线发射线圈发射电磁波的无线充电模块。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的磁共振式自动充电机器人的充电方法，通过在充电桩上设置红外发射传感器，在机器人上设置红外接收传感器，方便了自动识别位置并靠近充电桩，使得充电桩上的无线发射线圈与机器人上的无线发射线圈靠近，无线发射线圈向无线接收线圈发送电磁波，机器人进一步转换为可使用电能从而实现了机器人的自动充电。

附图说明

图1为本发明磁共振式自动充电机器人充电的流程图；

图2为本发明磁共振式自动充电机器人靠近充电桩的控制流程图；

图3为本发明磁共振式自动充电机器人实现充电的原理示意图；

图4为本发明磁共振式自动充电机器人的结构爆炸图；

图5为本发明磁共振式自动充电机器人的红外接收示意图。

主要元件符号说明如下：

1、机器人充电组件2、充电桩组件

11、机器人主控pcb板12、充电接收线圈

13、充电接收pcb板14、机器人外壳

15、红外接收传感器16、超声波感应器

17、线圈支架151、左侧接收传感器

152、右侧接收传感器153、背部接收传感器

21、充电桩主控pcb板22、发射线圈pcb板

23、无线发射线圈24、充电桩壳体

25、红外发射传感器26、广角玻璃挡板

27、精准玻璃挡板28、遮光座

241、充电发射窗251、广角发射传感器

252、精准发射传感器。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

参阅图1，本发明一种磁共振式自动充电机器人的充电方法，包括以下实现过程：

s1、寻找充电桩，充电桩上的发射传感器向可控区域内发射红外信号，机器人在移动的过程中，机器人上的红外接收传感器搜索红外信号，直至接收到充电桩发射的红外信号；

s2、靠近充电桩，机器人搜索到充电桩发送的红外信号后，通过红外信号信息不断调整位置，以逐步接近充电桩，并通过红外信号精确定位，使机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近；

s3、接收电源能量，机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近后，无线发射线圈向无线接收线圈发送定频的电磁波，无线接收线圈接收电磁波并转换成可使用能量；

s4、稳定电源电压电流，机器人检测输入的电源电压电流是否稳定，当电压电流不稳定时，机器人选择离开充电桩并通过红外信号继续精准调整位置，直至寻找到电压电流稳定的位置；

s5、进入充电模式，当电源的电压电流稳定后，机器人进入充电模式，在充电过程中机器人实时检测充电是否正常，若充电异常则离开充电桩，继续精准调整位置；

s6、充电完成，机器人实时检测自身电池是否充满电，当电池电量充满时，机器人停止充电，并离开充电桩。

进一步参阅图5，充电桩上的发射传感器包括将信号发射到a区的a区精准传感器、将信号发射到b区的b区精准传感器以及将信号发射到c区的c区广角传感器，a区精准传感器为充电桩左侧的发射管，b区精准传感器为充电桩右侧的发射管，c区广角传感器为广角大于135度的发射管，在s1寻找充电桩的过程中，机器人上的红外接收传感器首先搜索c区广角传感器发射的信号，当机器人能够接收到c区广角传感器发射的信号时，机器人先向前行走，进一步找到a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号，若没有找到，则向后倒退寻找a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号。

在本实施例中，机器人上的红外接收传感器包括左侧接收传感器、右侧接收传感器以及背部接收传感器，在寻找充电桩的过程中，左侧接收传感器、右侧接收传感器或背部接收传感器接收到c区广角传感器发射的信号时，机器人向前或向后行走，直至找到a区精准传感器的信号或b区精准传感器的信号。

进一步参阅图2，在寻找充电桩的过程中，机器人的左侧接收传感器收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若左侧接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右原地旋转，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若左侧接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左边弧线行走，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。

若机器人的右侧接收传感器收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若右侧接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右弧线行走，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若右侧接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左原地旋转，直至背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。

若背部接收传感器接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号后，进行s2靠近充电桩的过程；当背部接收传感器接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人小幅度左转走向b区，到机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近并可接收稳定电源时机器人停止行走进行充电；当背部接收传感器接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人小幅度右转走向a区，到机器人背后的无线接收线圈与充电桩的无线发射线圈靠近并可接收稳定电源时机器人停止行走进行充电。

进一步参阅图3，在寻找充电桩的过程中，充电桩主控首先进行红外编码，对每种红外线的光源脉冲进行编码，再通过发射传感器发射红外信号，机器人的红外接收传感器收到红外信号后，经过红外解码器对相应红外信号进行解码后发送到机器人主控，机器人主控通过指令解析，计算运动轨迹，再发送到运动控制模块进行底盘制动系统的控制；在接收电源能量的过程中，充电桩主控首先通过无线充电模块控制无线发射线圈发送定频的电磁波，机器人的无线接收线圈接收电磁波后通过无线充电接收模块将电磁波转换成电能并将电能信息传递到机器人主控，机器人主控分析电能的稳定性已经充电状态的安全性。

在本实施例中，机器人移动的过程，机器人主控实时通过超声波感应器获取机器人与充电桩之间的距离，并实时将机器人行走速度进行控制；具体的，当机器人与充电桩之间的距离大于等于20cm时，机器人高速行走；当机器人与充电桩之间的距离大于10cm且小于20cm时，机器人低速行走；当机器人与充电桩之间的距离小于10cm时，机器人超低速行走。

进一步参阅图4，本发明还公开了一种磁共振式自动充电机器人，包括机器人充电组件1以及充电桩组件2，机器人充电组件1包括机器人主控pcb板11、充电接收线圈12、充电接收pcb板13、机器人外壳14以及红外接收传感器15，充电接收pcb板13的输入端与充电接收线圈12电连接，且充电接收pcb板13的输出端与机器人主控pcb板11电连接，红外接收传感器15与机器人主控pcb板11电连接，且红外接收传感器15从机器人外壳14内伸出；

电桩组件包括充电桩主控pcb板21、发射线圈pcb板22、无线发射线圈23、充电桩壳体24以及红外发射传感器25，发射线圈pcb板22的输入端与充电桩主控pcb板21电连接，且发射线圈pcb板22的输出端与无线发射线圈23电连接，无线发射线圈23固定在充电桩壳体24上充电窗的内表面，红外发射传感器25与充电桩主控pcb板21电连接，且充电桩壳体24表面设有便于红外发射传感器25发射信号的通孔。

相较于现有技术，本发明的磁共振式自动充电机器人，通过在充电桩上设置红外发射传感器25，在机器人上设置红外接收传感器15，方便了自动识别位置并靠近充电桩，使得充电桩上的无线发射线圈23与机器人上的无线发射线圈23靠近，无线发射线圈23向无线接收线圈发送电磁波，机器人进一步转换为可使用电能从而实现了机器人的自动充电。

进一步参阅图5，红外发射传感器25包括广角发射传感器251以及精准发射传感器252，充电桩壳体24上还设有广角玻璃挡板26以及精准玻璃挡板27，广角发射传感器251的信号发射角度大于135度的且分布于c区，精准发射传感器252外套设有遮光座28，穿过遮光座28的精准信号分别分布于a区和b区，a区与b区均覆盖于c区之内。遮光座28限制了精准发射传感器252的信号发射区间，a区与b区以c区夹角的中间等分线作为中轴对称设置，无线发射线圈23处于广角发射传感器251的正上方，且a区与b区有较窄距离的交集，这样机器人在按照a区和b区信号向前行驶的过程中，不断行驶在a区与b区的交界处，这样就可以保证机器人直线行驶，且不会行走偏离轨道。

遮光座28上设有两个通孔，精准发射传感器252包括将光线发射到a区的a红外传感器以及将光线发射到b区的b红外传感器，两个传感器的光线分别从遮光座28的两个通孔中发出以形成a感应区与b感应区，遮光座28在此过程中主要起到隔离a红外传感器以及b红外传感器发射出来的光线，使其ab区域不会重叠，形成临界点。

在本实施例中，红外接收传感器15包括左侧接收传感器151、右侧接收传感器152以及背部接收传感器153，左侧接收传感器151从机器人外壳14的左侧伸出，右侧接收传感器152从机器人外壳14的右侧伸出，背部接收传感器153从机器人外壳14的背部中间位置伸出，且左侧接收传感器151、右侧接收传感器152以及背部接收传感器153均与机器人主控pcb板11电连接。寻找充电桩的过程中，机器人的左侧接收传感器151收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若左侧接收传感器151接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右原地旋转，直至背部接收传感器153接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若左侧接收传感器151接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左边弧线行走，直至背部接收传感器153接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。寻找充电桩的过程中，机器人的右侧接收传感器152收到发射传感器的信息后辨别信号的种类；若右侧接收传感器152接收的信号为a区精准传感器发射的信号，则机器人向右弧线行走，直至背部接收传感器153接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号；若右侧接收传感器152接收的信号为b区精准传感器发射的信号，则机器人向左原地旋转，直至背部接收传感器153接收到a区精准传感器发射的信号或b区精准传感器发射的信号。

在本实施例中，机器人充电组件1还包括实时监测机器人充电组件1与充电桩组件2之间距离的超声波感应器16，超声波感应器16的输入端从机器人外壳14的背部引出且超声波感应器16的输出端与机器人主控pcb板11电连接。超声波感应器16可以实时监测机器人的位置，从而调节机器人前进的不同速度。当机器人与充电桩之间的距离大于等于20cm时，机器人高速行走；当机器人与充电桩之间的距离大于10cm且小于20cm时，机器人低速行走；当机器人与充电桩之间的距离小于10cm时，机器人超低速行走。

在本实施例中，机器人充电组件1还包括线圈支架17，充电接收线圈12一面固定在线圈支架17上，且另一面紧贴机器人外壳14；充电桩壳体24上设有光面的充电发射窗241，充电发射线圈容置在充电发射窗241的内表面。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。