一種移動機器人快速續(xù)能站機構設計與系統(tǒng)實現(xiàn)

胡丹丹，王磊，王漫，高慶吉

(中國民航大學機器人研究所，天津300300)

移動機器人大都使用高質(zhì)量的機載可充電蓄電池組來給自身供電，一般只能維持幾個小時，一旦電能耗盡，必須采用人工干預的方式來給機器人充電，此時，機器人就處于一種非連續(xù)的任務環(huán)[1]，這嚴重阻礙了機器人的長期自治。隨著人們對移動機器人能實現(xiàn)長期值守、延長自治時間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高，其動力能源的補充成為一個亟待解決的問題。

目前該方面的研究工作主要集中在自主充電和自主更換電池兩個方面。GREY WALTER 于1963年首次為兩臺機器人設計了充電站[2]，在充電站中放置一個光源和充電器，機器人通過光源的引導進入電站進行對接充電。加利福尼亞大學[3]在Pioneer 2DX 移動機器人上添加自制充電對接觸頭，與充電站上設計的喇叭狀接口巧妙對接，從而實現(xiàn)其自主充電。哈爾濱工業(yè)大學譚益松[4]設計的家用保安機器人智能充電系統(tǒng)，也設計了類似的喇叭狀接口，有機配合機械系統(tǒng)和導航系統(tǒng)，避免對單個系統(tǒng)的過分依賴。韓國成均館大學的自主充電系統(tǒng)[5]，利用磁鐵的引力和斥力來實現(xiàn)對接，該結構減少了對機器人控制精度的依賴，允許只依靠機械結構即可輕松實現(xiàn)對接。該種續(xù)能方式為機器人提供了能源續(xù)接，不會非正常方式影響電池使用壽命，但其充電時間較長，嚴重降低了機器人的工作效率，只適用于間斷運行的機器人。

相對于自主充電的移動機器人續(xù)能方式，自動更換電池則是一種更高效的續(xù)能方式，其極大地節(jié)省了機器人的續(xù)能時間，適用于保安機器人、巡邏機器人等需要不間斷工作的機器人。目前針對該種續(xù)能方式的研究較少。日本提姆查克公司設計了一種蓄電池交換裝置[6]，采用長方形結構，所有電池組橫向分布成行，通過電機驅(qū)動導軌實現(xiàn)電池組移動，該機構在單方向上占地面積較大，且當移動遠距離電池組時，機器人等待時間較長。臺灣工業(yè)技術研究院設計了一種可以用于電池更換的機器人電站[7]，其機構和原理與文獻[6]中的類似，其只能為1組蓄電池充電，占地面積相對較小，但無法滿足多機器人的續(xù)能要求。

針對上述問題，設計了一種移動機器人的快速續(xù)能站，采用自動更換電池的續(xù)能方式，在盡量減少機器人停留時間的基礎上，盡可能增加蓄電池組數(shù)量、減小其占地面積，且工作過程簡單，易于實現(xiàn)。

1 續(xù)能站機構設計

1.1 續(xù)能站總體結構設計

根據(jù)移動機器人的續(xù)能要求和續(xù)能方式，續(xù)能站系統(tǒng)需具備以下3個基本功能:

(1)新舊電池的快速切換。設計目標是盡量減少機器人的等待時間，快速高效地完成新舊電池的位置切換。

(2)新舊電池的快速更換。即拉出機器人內(nèi)部舊電池，并將充滿電的新電池推入機器人內(nèi)部。

(3)舊電池的充電。續(xù)能站應具備充電站功能，在續(xù)能站待機狀態(tài)下將舊電池進行充電，以備更換使用。

為了實現(xiàn)機器人的全自主續(xù)能，設計了電池箱，如圖1所示。將蓄電池放入電池箱內(nèi)，電池充電觸點與電池箱正后方的接觸觸點相連接，當接觸觸點與機器人內(nèi)部系統(tǒng)連接時，電池箱為機器人供電;當接觸觸點與續(xù)能站充電裝置連接時，充電裝置為蓄電池充電。

圖1 電池箱結構示意圖

自動更換電池的續(xù)能站系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由切換裝置和推拉裝置兩部分組成。切換裝置采用轉(zhuǎn)盤式結構，步進電機驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn)，使圓盤上相應位置對準泊位機器人。圓盤上設有電池組充電位，可對舊電池進行充電。推拉裝置采用直角坐標結構，并設計了能夠攜帶電池組的終端執(zhí)行器，其在驅(qū)動單元的驅(qū)動下可實現(xiàn)水平方向和垂直方向運動，完成電池組的取放功能。切換裝置和推拉裝置在主控計算機的控制下協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)自動更換電池功能。

圖2 續(xù)能站機構示意圖

1.2 切換裝置設計

為了解決續(xù)能站占地面積大的問題，同時盡可能增加備用電池組數(shù)量，將切換裝置設計為轉(zhuǎn)盤式結構，如圖3所示。

圖3 切換裝置示意圖

切換裝置主要包括傳動單元和轉(zhuǎn)盤兩部分。傳動單元主要由電機、編碼器和同步帶等構成，用于精確控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度和角度。轉(zhuǎn)盤表面均勻分布5個位置:2個空位和3個充電位，5個位置上分別安裝接近開關，用來檢測各個位置是否有電池置入。2個相鄰空位分別為中轉(zhuǎn)位和電池位，中轉(zhuǎn)位用來暫時放置從機器人中拉出的舊電池，電池位用來放置充滿電的電池組，轉(zhuǎn)盤只需旋轉(zhuǎn)一定角度即可將充滿電的電池組對準泊位機器人，大大降低了電池組的切換時間。

步進電機通過同步帶實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的傳動。由于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量較大，轉(zhuǎn)動時有較大慣性，為滿足更換電池對轉(zhuǎn)盤停止精度的要求，在轉(zhuǎn)盤中軸安裝了電磁式制動器，并基于開關量信號進行控制。當?shù)妆P轉(zhuǎn)動動作完成時，能瞬間抱死圓盤中軸，保證了轉(zhuǎn)盤較高的定位精度。

舊電池組箱通過鎖緊裝置鎖緊在充電位中進行充電。電池箱通過彈簧與充電位后方擋板上的充電觸點壓緊接觸充電，為此設計鎖緊裝置將電池組鎖緊在充電位中。鎖緊裝置結構設計如圖4所示。電池箱卡槽可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，當充電位無電池箱時，其在拉簧和平衡線的作用下處于水平位置，此時拉簧處于平衡狀態(tài);當電池箱在推拉裝置的推動下進入充電位時，電池箱卡槽被抬起，拉簧處于拉伸狀態(tài)，當電池組箱伸出柱卡入卡槽中時推拉裝置停止推電池動作，此時，電池箱接觸觸點與充電位充電觸點壓緊接觸，完成舊電池充電。

圖4 鎖緊裝置示意圖

1.3 推拉裝置設計

推拉裝置如圖5所示，采用水平－垂直正交的移動懸臂式結構，垂直模組可沿著水平模組導軌前后移動，終端執(zhí)行器可沿著垂直模組導軌上下移動。水平模組和垂直模組均使用直流微電機驅(qū)動，直流電機直接通過聯(lián)軸器和模組相連。水平模組和垂直模組分別安裝光電開關，用于檢測垂直模組和終端執(zhí)行器是否運動到位。

圖5 推拉裝置示意圖

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 續(xù)能站控制流程

機器人感知到自身能量不能保證繼續(xù)執(zhí)行任務時，自主移動到蓄能站，停泊在指定位置，為續(xù)能做好準備工作。更換電池時，更換裝置的中轉(zhuǎn)位對準機器人電池組箱，且已從充電位中選好滿電電池放置在電池位。推拉裝置首先將機器人內(nèi)部電池取出放置在中轉(zhuǎn)位，放下電池組箱后后退，以防轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時和推拉裝置終端執(zhí)行器發(fā)生碰撞。轉(zhuǎn)盤在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，將電池位對準機器人電池倉，在機器人和轉(zhuǎn)盤之間安裝有光電傳感器，以檢測兩者是否對準;之后推拉裝置將電池位的電池組送入機器人內(nèi)部，后退回轉(zhuǎn)盤上方，完成對機器人電池的更換。動作完成之后機器人檢測電池電壓，如果正常連接則告知續(xù)能站，并接通電池供電開關，否則，要求續(xù)能站調(diào)整置入電池組的位置。最后機器人解鎖，離開續(xù)能站，返回到先前中斷的任務。

機器人離開后，續(xù)能站完成后續(xù)工作，將中轉(zhuǎn)位電池放入空的充電位中充電。相應動作為推拉裝置先將中轉(zhuǎn)位電池取出移動到轉(zhuǎn)盤中心位置以便轉(zhuǎn)盤運動，然后轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)將空的充電位轉(zhuǎn)至推拉裝置正前方，繼而推拉裝置將電池組置入。最后推拉裝置退回轉(zhuǎn)盤中心，同時轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)仍將中轉(zhuǎn)位對準機器人到來方向。此時續(xù)能站完成全部續(xù)能工作，進入就緒狀態(tài)，等待下一次續(xù)能任務。

2.2 控制系統(tǒng)設計

續(xù)能站的控制系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。控制系統(tǒng)由上位機與下位機組成，其中上位機與下位機通過RS232接口通訊。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

上位機以嵌入式工控機作為主控單元，主要控制水平、豎直絲杠伺服電機，檢測位置傳感器信息，實時測量轉(zhuǎn)盤各充電位電池電量并根據(jù)電壓值決策轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動目標位置，通過RS232接口向下位機發(fā)送轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動命令并接收轉(zhuǎn)盤位置傳感器信息。

水平垂直絲杠限位傳感器選用電磁式接近開關，檢測距離4 mm，響應頻率1.5 kHz，可以安全可靠地用于水平、豎直絲杠滑塊的極限位置限定，確保設備的安全。水平、豎直絲杠限位接近開關信號線接入IO控制板數(shù)字量通道，實時反饋絲杠極限位置信息。轉(zhuǎn)盤充電位電壓信號接入IO控制板模擬量通道，中值濾波后，提供給工控機用于調(diào)度控制。基于總線結構的電機控制驅(qū)動板將工控機的控制指令轉(zhuǎn)換為電壓信號提供給伺服電機，并將伺服電機編碼器位置反饋信號反饋給工控機。

下位機系統(tǒng)主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的運動控制，包括單片機、伺服驅(qū)動器、步進電機、轉(zhuǎn)盤機構及其傳感器。單片機作為下位機控制系統(tǒng)的核心，其不斷接收并執(zhí)行上位機發(fā)送的控制命令，并將轉(zhuǎn)盤位置信息反饋給工控機。

為了提高圓盤運轉(zhuǎn)控制的穩(wěn)定性，選用等角度恒力矩細分驅(qū)動器作為底盤步進電機的驅(qū)動器，步進電機低速運行平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪聲。

3 實驗結果與分析

根據(jù)上述設計方案，制作移動機器人快速續(xù)能站樣機并進行續(xù)能實驗，如圖7所示。

圖7(a)模擬已泊位機器人內(nèi)部電池組箱，此時中轉(zhuǎn)位對準機器人電池組箱，電池位備有滿電電池組箱;圖7(b)中，推拉裝置的終端執(zhí)行器伸入電池組箱，通過電池箱橫梁抬起電池組箱;圖7(c)中，推拉裝置的垂直模組沿水平模組導軌向后移動至水平后限位開關位置，終端執(zhí)行器沿垂直模組導軌向下移動，將舊電池組箱放到中轉(zhuǎn)位，垂直模組后退至安全位置;圖7(d)中，轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)72°，將安放有滿電電池的電池位對準泊位機器人;圖7(e)中，終端執(zhí)行器伸入滿電電池組箱，將其抬起;圖7(f)中，垂直模組沿水平模組導軌向前移動至水平前限位開關位置，終端執(zhí)行器沿垂直模組導軌向下移動，將滿電電池組箱放到機器人內(nèi)部電池位，完成新舊電池的更換。

圖7 續(xù)能站電池更換全過程

當機器人離開續(xù)能站后，推拉裝置和切換裝置協(xié)同工作將舊電池組箱從中轉(zhuǎn)位移入充電位，為其充電，并時刻檢測電池位是否有充滿電電池組箱，如果有滿電電池組箱，則將滿電電池組箱移入電池位，為下一次機器人電池更換做準備。

由此可見，該續(xù)能站續(xù)能時間即為更換電池過程時間，大大減少了機器人停留時間。通過對更換電池過程的大量實驗表明，該續(xù)能站的續(xù)能時間約為32 s。

4 結論

設計了一種快速自動續(xù)能站系統(tǒng)，給出了續(xù)能站系統(tǒng)機械結構和控制系統(tǒng)的設計方法。該系統(tǒng)具有如下顯著特點:(1)通過將傳統(tǒng)續(xù)能站的水平方向移動的切換裝置設計為能夠旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤式結構，使其在相同數(shù)量電池組的情況下大大節(jié)省了占地面積;(2)該系統(tǒng)的推拉裝置和切換裝置協(xié)同工作實現(xiàn)機器人電池組的更換，更換時間短，大大減少了機器人的停留時間;(3)只需改變續(xù)能站機構的尺寸，即可將該系統(tǒng)推廣到小型蓄電池驅(qū)動的車輛續(xù)能上，如電動觀光車、電動巡邏車等，這也是課題組下一步的工作方向之一。

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【3】SILVERMAN M C，NIES D，JUNG B，et al.Staying Alive:a Docking Station for Autonomous Robot Recharging[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics ＆ Automation，Washington DC，2002(1):1050－1055.

【4】譚益松.家用保安機器人智能充電系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2007.

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