一种二自由度机器人充电桩的制作方法

本实用新型属于机器人自主充电技术领域，具体涉及一种二自由度机器人充电桩。

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，蓄电池单位重量储存的能量太少，同时机器人所用的电池较贵，也未形成经济规模，购买价格也较贵。因此，对于机器人而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程。机器人在行驶过程中，因为其电池都是预先配置的，因此很可能会在工作时将耗费掉电池中的电量，而如果没有相应的充电站给机器人直接进行快速有效充电，则机器人长期工作就不可能成为现实。综上所述，为保证机器人的正常工作，如何快速有效地给机器人电池进行充电，成为了迫切需要解决的技术问题。为了解决这一技术问题，有人研发了激光引导式机器人充电桩，能够实现机器人电池自主充电，但是，现有技术中的机器人充电桩由于只能在水平面上来回转动对准机器人，因此还存在着地形适应性较差、不同型号的机器人适性较差、充电对准效率低等缺陷和不足，限制了其推广使用。

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，提供一种二自由度机器人充电桩，其结构简单，实现方便且成本低，使用方便，能够快速有效地给机器人电池进行充电，对地形的容忍度大，对接效率和成功率高，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：一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：包括底板和安装在底板上的控制电路板，以及转动连接在底板上且相啮合的第一齿轮和第二齿轮；所述底板上设置有架设在第一齿轮上方的两个门字型支架和与两个门字型支架垂直设置的两块齿轮保护挡板，两块齿轮保护挡板中的一块位于第一齿轮和第二齿轮的一侧，两块齿轮保护挡板中的另一块位于第一齿轮和第二齿轮的另一侧，两个门字型支架上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，所述第二齿轮上通过固定座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超声波测距模块和与安装在机器人上的激光接收器配合使用的激光发射器，所述超声波测距模块位于激光发射器的上方，所述电源插入挡板的上部沿竖直方向设置有滑道，所述电源插入挡板的背面设置有电机和与电机的输出轴固定连接的丝杠，所述丝杠上连接有丝杠螺母，所述丝杠螺母上通过穿过滑道并能够沿滑道上下滑动的滑块固定连接有电源插口；所述控制电路板上集成有充电引导控制电路，所述充电引导控制电路包括微控制器、与微控制器相接且用于与安装在机器人上的无线通信模块无线连接并通信的ZigBee无线通信模块和为所述充电引导控制电路中各用电模块供电的电源电路，所述超声波测距模块与微控制器的输入端连接，所述舵机与微控制器的输出端连接，所述微控制器的输出端还接有激光发射驱动电路和电机驱动电路，所述激光发射器与激光发射驱动电路连接，所述电机与电机驱动电路连接，所述电机上接有电机编码器，所述电机编码器与微控制器的输入端连接。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述底板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板上，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板上。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述舵机通过六角螺栓和与六角螺栓相配合的六角螺母与门字型支架固定连接。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述第一齿轮和第二齿轮的齿数比为1：1。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述激光发射器为一字线激光发射器。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述固定座的形状为圆柱形。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述微控制器包括单片机MSP430F169。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述ZigBee无线通信模块的型号为CC2530，所述ZigBee无线通信模块的串口发送引脚与所述单片机MSP430F169的第33引脚连接，所述ZigBee无线通信模块的串口接收引脚与所述单片机MSP430F169的第32引脚连接。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述舵机的控制线与所述单片机MSP430F169的第13引脚相接，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的第40引脚连接，所述激光发射器的电源正极与电源电路的+3.3V电压输出端连接，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。

上述的一种二自由度机器人充电桩，其特征在于：所述电机为两相四线制步进电机M1，所述电机驱动电路包括型号为A4988的电机驱动芯片D2以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U1和光耦隔离芯片U2，所述光耦隔离芯片U1的第1引脚通过电阻R2与所述单片机MSP430F169的第17引脚连接，所述光耦隔离芯片U2的第1引脚通过电阻R4与所述单片机MSP430F169的第18引脚连接，所述光耦隔离芯片U1的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U2的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U1的第3引脚通过电阻R3与电源电路的+5V电压输出端连接，所述光耦隔离芯片U2的第3引脚通过电阻R5与电源电路的+5V电压输出端连接；所述电机驱动芯片D2的第1～4引脚以及第9引脚和第15引脚均接地，所述电机驱动芯片D2的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第7引脚与所述光耦隔离芯片U1的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第8引脚与所述光耦隔离芯片U2的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第10引脚与电源电路的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D2的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M1的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D2的第16引脚与电源电路的+30V电压输出端相接。

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，体积小，设计新颖合理，实现方便且成本低。

2、本实用新型的使用方便，够快速有效地给机器人电池进行充电。

3、本实用新型通过电机、丝杠、丝杠螺母等实现了电源插口在竖直方向上的运动，通过舵机、第一齿轮、第二齿轮等实现了电源插口在水平方向上的运动；与现有技术中仅有水平方向一个自由度运动对接的充电桩相比，能够放置在更为复杂的地形中使用，对地形的容忍度更大，且进一步提高了对接效率。

4、本实用新型采用了一字线激光发射器，与电源插口的旋转摆动相配合，提高了机器人上的充电插头与电源插口的对接成功率，有效避免了无法对接的问题。

5、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，实现方便且成本低，使用方便，能够快速有效地给机器人电池进行充电，对地形的容忍度大，对接效率和成功率高，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为本实用新型的立体图。

图2为本实用新型的后视图。

图3为本实用新型充电引导控制电路的电路原理框图。

图4为本实用新型微控制器、舵机、激光发射驱动电路和激光发射器的电路连接图。

图5为本实用新型电机驱动电路与电机的电路连接图。

附图标记说明:

1—底板； 2—第二齿轮； 3—激光发射器；

4—超声波测距模块； 5—焊接孔； 6—滑道；

7—电源插口； 8—电源插入挡板； 9—六角螺栓；

10—舵机； 11—第一齿轮； 12—齿轮保护挡板；

13—丝杠； 14—丝杠螺母； 15—电机；

16—门字型支架； 17—控制电路板； 18—微控制器；

19—ZigBee无线通信模块； 20—电源电路； 21—激光发射驱动电路；

22—电机驱动电路； 23—电机安装板； 24—固定座；

25—电机编码器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型的二自由度机器人充电桩，包括底板1和安装在底板1上的控制电路板17，以及转动连接在底板1上且相啮合的第一齿轮11和第二齿轮2；所述底板1上设置有架设在第一齿轮11上方的两个门字型支架16和与两个门字型支架16垂直设置的两块齿轮保护挡板12，两块齿轮保护挡板12中的一块位于第一齿轮11和第二齿轮2的一侧，两块齿轮保护挡板12中的另一块位于第一齿轮11和第二齿轮2的另一侧，两个门字型支架16上固定连接有位于第一齿轮11上方的舵机10，所述第一齿轮11与舵机10的输出轴固定连接，所述第二齿轮2上通过固定座24固定连接有电源插入挡板8，所述电源插入挡板8的下部固定连接有超声波测距模块4和与安装在机器人上的激光接收器配合使用的激光发射器3，所述超声波测距模块4位于激光发射器3的上方，所述电源插入挡板8的上部沿竖直方向设置有滑道6，所述电源插入挡板8的背面设置有电机15和与电机15的输出轴固定连接的丝杠13，所述丝杠13上连接有丝杠螺母14，所述丝杠螺母14上通过穿过滑道6并能够沿滑道6上下滑动的滑块固定连接有电源插口7；所述控制电路板17上集成有充电引导控制电路，结合图3，所述充电引导控制电路包括微控制器18、与微控制器18相接且用于与安装在机器人上的无线通信模块无线连接并通信的ZigBee无线通信模块19和为所述充电引导控制电路中各用电模块供电的电源电路20，所述超声波测距模块4与微控制器18的输入端连接，所述舵机10与微控制器18的输出端连接，所述微控制器18的输出端还接有激光发射驱动电路21和电机驱动电路22，所述激光发射器3与激光发射驱动电路21连接，所述电机15与电机驱动电路22连接，所述电机15上接有电机编码器25，所述电机编码器25与微控制器18的输入端连接。

具体实施时，所述电源插入挡板8的中下部焊接有电机安装板23，所述电源插入挡板8上设置有用于装入焊锡焊接电机安装板23的焊接孔5，所述电机15安装在电机安装板23上。

本实施例中，所述底板1上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮11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11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板1上，所述第二齿轮2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板1上。这样的连接方式，能够减小摩擦，提高充电对接效率和精度。

如图1所示，本实施例中，所述舵机10通过六角螺栓9和与六角螺栓9相配合的六角螺母与门字型支架16固定连接。

本实施例中，所述第一齿轮11和第二齿轮2的齿数比为1：1。所述激光发射器3为一字线激光发射器。采用一字线激光发射器，能够保证机器人与该二自由度机器人充电桩方便对接。

如图1所示，本实施例中，所述固定座24的形状为圆柱形。

结合图4，本实施例中，所述微控制器18包括单片机MSP430F169。

具体实施时，所述超声波测距模块4的型号为LM-112-010-DAC。所述超声波测距模块4的信号输出端引脚与所述单片机MSP430F169的第19引脚连接。所述电机编码器25的信号输出端引脚与所述单片机MSP430F169的第14引脚连接。

本实施例中，所述ZigBee无线通信模块19的型号为CC2530，所述ZigBee无线通信模块19的串口发送引脚与所述单片机MSP430F169的第33引脚连接，所述ZigBee无线通信模块19的串口接收引脚与所述单片机MSP430F169的第32引脚连接。

结合图4，本实施例中，所述舵机10的控制线与所述单片机MSP430F169的第13引脚相接，所述激光发射驱动电路21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的第40引脚连接，所述激光发射器3的电源正极与电源电路20的+3.3V电压输出端连接，所述激光发射器3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。

结合图5，本实施例中，所述电机15为两相四线制步进电机M1，所述电机驱动电路22包括型号为A4988的电机驱动芯片D2以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U1和光耦隔离芯片U2，所述光耦隔离芯片U1的第1引脚通过电阻R2与所述单片机MSP430F169的第17引脚连接，所述光耦隔离芯片U2的第1引脚通过电阻R4与所述单片机MSP430F169的第18引脚连接，所述光耦隔离芯片U1的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U2的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U1的第3引脚通过电阻R3与电源电路20的+5V电压输出端连接，所述光耦隔离芯片U2的第3引脚通过电阻R5与电源电路20的+5V电压输出端连接；所述电机驱动芯片D2的第1～4引脚以及第9引脚和第15引脚均接地，所述电机驱动芯片D2的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第7引脚与所述光耦隔离芯片U1的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第8引脚与所述光耦隔离芯片U2的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第10引脚与电源电路20的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D2的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M1的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D2的第16引脚与电源电路20的+30V电压输出端相接。

本实用新型使用时，机器人上安装有充电电池，机器人的主控电路板上集成有主控制器、无线通信模块(ZigBee无线通信模块)、激光接收器、电池电量检测电路和电池充电电路，电池电量检测电路检测到电池电量低时，主控制器通过无线通信模块发送充电信号给该二自由度机器人充电桩，微控制器18通过ZigBee无线通信模块19接收到机器人发送的充电信号后，开始采集超声波测距模块4检测到的机器人与电源插入挡板8之间的距离，通过激光发射驱动电路21驱动激光发射器3开始发射激光，通过电机驱动电路22驱动电机15转动，电机15带动丝杠13转动，丝杠螺母14上下运动，并带动电源插口7上下运动，电源插口7每运动到一个位置，微控制器18都控制舵机10转动，顺时针旋转到位后再逆时针旋转到位，舵机10转动时带动第一齿轮11转动，第一齿轮11再带动第二齿轮2转动，第二齿轮2再带动电源插入挡板8转动，直至机器人上的激光接收器接收到激光信号，并反馈一个信号给该二自由度机器人充电桩，微控制器18通过ZigBee无线通信模块19接收到机器人反馈回的信号后，停止控制电机15和舵机10转动，等待机器人上的充电插头与该二自由度机器人充电桩上的电源插口7对接，从而给机器人充电。

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。