輪式移動機(jī)器人自主充電電源自動對接裝置研究與設(shè)計(jì)

劉卓明，柳 斐，鄭倩倩，徐 平，馬承志，楊 璽，郭素梅，王少榮

（1.廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東江門 529000；2.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

0 引言

輪式移動機(jī)器人的動力來源主要采用高品質(zhì)機(jī)載蓄電池組，因此需要在電能不足的情況下自主進(jìn)行充電。目前應(yīng)用比較廣泛的充電方式如普通直插式充電[1]、利用光伏發(fā)電原理充電[2]、利用激光導(dǎo)航對接充電[3]、利用磁軌道導(dǎo)航對接充電[4]、采用傳感器輔助定位法充電[5]、采用車載充電連接器與地面電源連接充電[6]、使用紅外傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合充電[7]以及非接觸感應(yīng)即利用電磁感應(yīng)原理[8]來給蓄電池充電等。本文結(jié)合變電站定軌機(jī)器人巡視系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要，以及輪式機(jī)器人行程和載重等需要，提出了一種新型實(shí)用的電源自動對接方法。所提方法類比人獲取電源插頭的行為，機(jī)器人裝載的電源對接控制器首先控制機(jī)器人的機(jī)械手水平向后伸出，接著通過無線電信號遙控饋電裝置帶動電源線及特制電源插座進(jìn)行靠近機(jī)械手方向的水平橫向移動，在電源線和機(jī)械手接觸后，進(jìn)一步控制電源線橫向移動以實(shí)現(xiàn)特制電源插座在機(jī)械手上的高度調(diào)節(jié)。這種方法實(shí)現(xiàn)了特制電源插座在三維空間坐標(biāo)的準(zhǔn)確定位。從而，只要輪式機(jī)器人停泊在指定區(qū)域，盡管存在停泊偏差以及輪胎氣壓變化引起的機(jī)械手離地面高度偏差，機(jī)械手均能實(shí)現(xiàn)電極抓取、插入和拔出的準(zhǔn)確控制，完成機(jī)器人自主充電電源自動對接——分離的完整過程。本文對上述對接方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

本裝置充分考慮到輪式機(jī)器人需配置較大容量的蓄電池和充電電流較大的特點(diǎn)，又融合了輪式機(jī)器人停泊位置可能具有較大誤差的情況，要求電源對接裝置的電極接觸面大且具有較大的壓力，從而設(shè)計(jì)出能夠自動伸縮的機(jī)械手來獲取電源，進(jìn)行充電。本文提出的技術(shù)方案已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。

1 電源自動對接裝置

1.1 裝置組成

輪式機(jī)器人自主充電的電源自動對接裝置，如圖1所示，包括懸掛的饋電裝置和車載的受電裝置。饋電裝置包括電動機(jī)a、絲杠、滑塊、滑軌、左限位開關(guān)、右限位開關(guān)、電線懸掛桿、電線懸掛環(huán)、電源線、特制電源插座、懸掛彈簧、懸掛鋼絲和無線控制器。受電裝置包括電動機(jī)b、絲杠、滑塊、滑軌、支撐座、梳狀機(jī)械手、電極插槽、前限位開關(guān)、后限位開關(guān)和對接控制器。

1.2 裝置原理

輪式機(jī)器人自主充電的電源自動對接裝置采用類比人獲取電源插頭和插接電源的行為，當(dāng)機(jī)器人回到艙位準(zhǔn)備充電時，裝設(shè)在機(jī)器人上的電源對接控制器首先控制機(jī)器人的機(jī)械手水平向后伸出，接著通過無線電信號遙控裝設(shè)在機(jī)器人艙位中的饋電裝置帶動電源線及特制電源插座進(jìn)行靠近機(jī)械手方向的水平橫向移動，在電源線和機(jī)械手接觸后，進(jìn)一步控制電源線橫向移動以實(shí)現(xiàn)特制電源插座在機(jī)械手上的高度調(diào)節(jié)。

圖1 電源自動對接裝置

假設(shè)機(jī)械手向后水平伸出的方向?yàn)閅軸正方向，電源線靠近機(jī)械手橫向移動的方向?yàn)閄軸負(fù)方向，電源線和機(jī)械手的相交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，Z軸垂直XOY平面且通過O點(diǎn)，向上為Z軸正方向。機(jī)械手抓住特制電源插座情況如圖2所示。

圖2 機(jī)械手抓住特制電源插座情況示意圖

從圖2可以看出，滿足下面3個條件可以實(shí)現(xiàn)特制電源插座的準(zhǔn)確抓取：（1）當(dāng)機(jī)械手向后伸出，其頂端的Y坐標(biāo)大于0且有足夠裕度；（2）電源線自X坐標(biāo)大于0且有足夠裕度的位置向X軸反方向移動，并能夠在X負(fù)半軸繼續(xù)移動；（3）特制電源插座初始位置的Z坐標(biāo)應(yīng)小于0且有足夠裕度。當(dāng)滿足上述3個條件時，這種方法可實(shí)現(xiàn)特制電源插座在空間三維坐標(biāo)中的準(zhǔn)確定位。從而，只要輪式機(jī)器人停泊在指定區(qū)域，盡管存在停泊偏差以及輪胎氣壓變化引起的機(jī)械手離地面高度偏差，機(jī)械手均能實(shí)現(xiàn)特制電源插座抓取和插拔的準(zhǔn)確控制。

1.3 工作過程

本裝置的工作過程如下：按上述原理，當(dāng)輪式機(jī)器人電力不足需要補(bǔ)充電能時，輪式機(jī)器人自動停泊到指定區(qū)域，首先對接控制器控制梳狀機(jī)械手向后伸出，直到滑塊觸碰到后限位開關(guān)，電機(jī)b停止轉(zhuǎn)動；隨后對接控制器發(fā)出無線電信號，啟動饋電裝置動作，電動機(jī)a驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，帶動滑塊和下方的電源線和特制電源插座向左移動，電源線與梳狀機(jī)械手接觸后，由于機(jī)械手的阻擋，電源線的繼續(xù)左移導(dǎo)致特制電源插座上升，直到特制電源插座觸碰到梳狀機(jī)械手任意圓弧底面的三個觸覺傳感器，對接控制器發(fā)出無線電信號，控制電動機(jī)a停止轉(zhuǎn)動，隨之滑塊和下方的電源線停止向左移動；接著，對接控制器啟動受電裝置的電動機(jī)b，驅(qū)動絲杠反向轉(zhuǎn)動，帶動滑塊返回，梳狀機(jī)械手及特制電源插座前移，將特制電源插座引至電極插槽，直到碰到槽位限位開關(guān)，電機(jī)b停止轉(zhuǎn)動；進(jìn)一步，對接控制器啟動電動推桿將插頭推向特制電源插座，直到觸碰插入限位開關(guān)，電動推桿停止；至此，電源電路連通，對接控制器再發(fā)出無線電信號要求合上電源開關(guān)，饋電裝置中的無線電控制器接收到關(guān)合信號后，控制電源開關(guān)合上，機(jī)器人即處于充電狀態(tài)。

充電完成后，對接控制器首先發(fā)出無線電信號要求斷開電源開關(guān)，且待饋電裝置斷開電源后，再進(jìn)行與上述相反的控制，即完成將電源插頭拔出、將特制電源插座推出電極槽位且機(jī)械手向后伸出、發(fā)出無線電信號要求饋電裝置帶動電源線及特制插座右移、收回機(jī)械手這4個步驟。

2 關(guān)鍵部件

2.1 梳狀機(jī)械手

梳狀機(jī)械手包括機(jī)械手臂、梳狀板和觸覺傳感器，如圖3所示。梳狀板上分布有多個圓弧狀的梳孔。梳狀板與水平面呈一定角度，梳孔之間的連接處為圓弧，以方便電源線進(jìn)入。每個梳孔均布有觸覺傳感器，觸覺傳感器的工作原理是：當(dāng)特制電源插座被拉入梳狀板的任意梳孔時，特制電源插座與三個觸覺傳感器接觸形成兩個通路使對接控制器檢測到兩路電信號，以確認(rèn)特制電源插座已經(jīng)進(jìn)入機(jī)械手的梳孔。當(dāng)對接控制器感知特制電源插座已經(jīng)抓取，即啟動電動機(jī)b，帶動梳狀機(jī)械手縮回，將特制電源插座拉入電極插槽。

圖3 梳狀機(jī)械手

2.2 特制電源插座

特制電源插座如圖4所示，包括鋁合金圓錐外殼、絕緣支座、銅管電極、銅環(huán)電極、鋼絲繩固定扣和絕緣墊片，其組裝圖如圖4(a)所示。鋁合金圓錐外殼上段為內(nèi)空的圓錐體，下段為有內(nèi)螺紋的圓柱體，如圖4(b)所示；絕緣支座為用阻燃ABS或尼龍等絕緣材料制成的與鋁合金圓錐外殼配合的帶有外螺紋的圓柱體，頂端帶有圓柱體凸臺，中心有下段直徑較大、上段直徑較小的軸向通孔，該絕緣支座下端面還刻有環(huán)形槽，在環(huán)形槽上布置四個對稱的軸向通孔，如圖4(c)所示；銅管電極用銅棒制成，上段直徑較小且頂端有螺紋成為接線柱之一、下段直徑較大且中心有電極插孔，如圖4(d)所示；銅環(huán)電極由下銅環(huán)、上銅環(huán)和四個銅螺釘構(gòu)成，下銅環(huán)較厚、環(huán)上四個固定孔帶螺紋且螺孔不貫穿，上銅環(huán)略薄且其四個固定通孔無螺紋，四個銅螺釘中的三個可用普通銅螺釘，其中一個為帶接線柱的特制銅螺釘，如圖4(e)所示；鋼絲繩固定扣用于固定鋼絲繩，為市面上可購置件；絕緣墊片為帶穿線孔的絕緣材料圓片，用于隔離鋼絲繩固定扣和銅接線柱。

圖4 特制電源插座裝置圖

2.3 電極插槽

圖5 電極插槽三視圖

電極插槽包括插槽、插頭、電動推桿、槽位限位開關(guān)和插入限位開關(guān)，如圖5所示。插槽是U型不銹鋼凹槽，槽口為喇叭口，方便特制電源插座入槽。插頭中間是針形電極，外圍為環(huán)形電極，兩電極與特制電源插座的兩個電極相匹配，該插頭有電動推桿驅(qū)動插入或拔出；槽位限位開關(guān)用于感應(yīng)特制電源插座入槽狀態(tài)；插入限位開關(guān)用于感應(yīng)插頭插入狀態(tài)。

2.4 對接控制器

對接控制器以微處理器作為控制核心，能夠檢測機(jī)械手觸覺感應(yīng)信號、機(jī)械手前后限位信號、特制電源插座入槽信號和插頭插入信號，具有無線電通信接口，并有控制機(jī)械手伸縮和電動推桿運(yùn)動的控制輸出接口，其電氣原理框圖如圖6所示。

圖6 對接控制器電氣原理圖框圖

2.5 無線控制器

饋電裝置的無線控制器以微處理器作為控制核心，能夠檢測饋電裝置滑塊的左右限位信號，具有無線電通信接口，并有控制滑塊左右移動的控制輸出接口和控制饋電電源開關(guān)分合閘的輸出接口，其電氣原理框圖如圖7所示。

圖7 無線控制器電氣原理圖框圖

3 結(jié)束語

輪式移動機(jī)器人自主充電電源自動對接裝置，是實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人能夠及時補(bǔ)充能源，從而能夠完成繼續(xù)作業(yè)任務(wù)不可缺少的關(guān)鍵裝置。本文提出和實(shí)現(xiàn)的電源自動對接裝置采用了類比人獲取電源插座和插入電源的行為，能夠在多種因素的影響下實(shí)現(xiàn)特制電源插座的空間三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定位，并且設(shè)計(jì)的插座和插頭能夠滿足大容量蓄電池的充電需要。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，充電電源自動對接技術(shù)也將不斷發(fā)展，本文研究的機(jī)器人充電電源自動對接裝置也將得到進(jìn)一步改進(jìn)，以更好地適應(yīng)各種實(shí)際應(yīng)用場合。

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