CN105743194A - 一种充电适配器及其移动机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充电适配器及其移动机器人系统。该系统包括移动机器人和充电适配器。移动机器人包括：机器人主体；多个主动轮，安装于机器人主体的底部；功率接收模块，用于接收充电适配器发射的充电功率；储能模块，用于存储上述充电功率转化的电能。充电适配器包括：功率发射模块，用于发射充电功率；多个定位槽，设置于充电适配器的底座。当主动轮陷入定位槽时，充电适配器与移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升系统的充电效率。相比于现有技术，本发明利用主动轮与定位槽之间的精确位置对准，使功率发射模块与功率接收模块充分吻合，从而解决无线充电时定位不准所导致的充电效率低下的问题。

Description

一种充电适配器及其移动机器人系统

技术领域

本发明涉及一种自主充电的移动机器人，尤其涉及一种对该移动机器人进行自主充电的充电适配器及其移动机器人系统。

背景技术

随着传感器、智能控制以及能源等方面技术日新月异的发展，越来越多的服务机器人已逐渐使用于不同的服务场合。由于人们希望服务机器人能够尽可能地延长现场作业的时间，实现相当长的一段时间内的自主工作，故而补充服务机器人的动力源成为一个亟待解决的问题。例如，当前的一些移动机器人往往使用可充电电池(rechargeablebattery)来给自身供电，但是一般只能维持几个小时，一旦电池中的存储电量耗尽或小于预设阈值，必须采用人工干预方式对移动机器人重新充电，而这将无法满足移动机器人的智能化设计要求。

在现有技术中，移动机器人的自主充电技术大多采用接触式充电，并借助激光测距仪、视觉传感器或红外探测器与充电适配器进行对接。然而，接触式充电方案存在以下问题：首先，移动机器人从当前位置移动到充电座需要导航行为，受到定位误差的限制，导航精度较低；其次，移动机器人与充电适配器的触点对接需要较高的精确性，这增加了设计的复杂性和控制的难度，同时对接操作过程非常复杂，耗时较长；再者，由于结构设计等方面的诸多因素，移动机器人和充电触点之间一旦连接便无法自动脱离，频繁对接容易对系统的可靠性带来影响，比如多次插拔对接操作会引起机械磨损，导致接触松动而无法有效传输电能，又如，连接部件出现污物时，会导致接触不良或电连接失败。此外，现有的移动机器人在进行充电时也面临着十分严峻的安全问题，举例来说，充电触点本身裸露在外面，使用上存在明显的安全隐患，且充电触点与移动机器人之间的位置对准亦较难控制，这对于大功率充电时的充电效率将产生较大的不利影响。

有鉴于此，如何设计一种通过非接触方式对移动机器人进行无线充电和精确位置对准的技术方案，以克服现有技术中的上述缺陷或不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术的移动机器人在自主充电时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种用于移动机器人的充电适配器以及包含该充电适配器的移动机器人系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种基于无线充电技术的移动机器人系统，其包括移动机器人和充电适配器，其中，

移动机器人包括：机器人主体；多个主动轮，安装于所述机器人主体的底部，每对主动轮相对于所述机器人主体的中轴线对称地设置；功率接收模块，设置于所述机器人主体上，所述功率接收模块用于接收来自所述充电适配器发射的充电功率；储能模块，与所述功率接收模块电性耦接，所述储能模块用于存储来自所述功率接收模块的充电功率所转化的电能，从而提供所述移动机器人正常运行时的续航能力；以及

充电适配器包括：功率发射模块，用于向所述功率接收模块以无线方式发射所述充电功率；多个定位槽，设置于所述充电适配器的底座，所述定位槽的数目与所述主动轮的数目一一对应，当所述主动轮陷入所述定位槽时，所述充电适配器与所述移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升所述移动机器人系统的充电效率。

在其中的一实施例，所述移动机器人还包括定位模块，用于实现所述移动机器人与所述充电适配器之间的厘米级位置对准。

在其中的一实施例，所述定位模块为雷达地图构建模块、超宽带(UltraWideband，UWB)定位模块或红外定位模块。

在其中的一实施例，所述定位槽为梯形或类球形。

在其中的一实施例，所述储能模块为电池组或超级电容组。

在其中的一实施例，所述移动机器人运行于顶部充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的顶部，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的定位柱，且所述定位柱位于所述充电适配器的顶部。

在其中的一实施例，所述移动机器人运行于侧面充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的侧面，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的侧面，所述功率接收模块与所述功率发射模块均为弧形表面，使得所述功率接收模块上的各点在水平方向上与所述功率发射模块上的对应点之间的距离相等。

在其中的一实施例，所述移动机器人运行于底部充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的底部，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的底座且位于每对所述定位槽之间的中心位置。

在其中的一实施例，所述充电适配器还包括一液晶显示屏，当所述移动机器人进行无线充电时，所述液晶显示屏用于实时地显示所述移动机器人的充电进度。

依据本发明的另一个方面，提供了一种基于无线充电技术的充电适配器，适于对一移动机器人进行大功率无线充电，所述移动机器人包括机器人主体、安装于所述机器人主体的底部的多个主动轮、设置于所述机器人主体的功率接收模块、用于存储来自所述功率接收模块的充电功率所转化的电能的储能模块，其中充电适配器包括：

功率发射模块，用于向所述功率接收模块以无线方式发射所述充电功率；以及

多个定位槽，设置于所述充电适配器的底座，所述定位槽的数目与所述主动轮的数目一一对应，当所述主动轮陷入所述定位槽时，所述充电适配器与所述移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升所述移动机器人的充电效率。

在其中的一实施例，所述定位槽为梯形或类球形。

在其中的一实施例，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的定位柱，且所述定位柱位于所述充电适配器的顶部。

在其中的一实施例，所述功率发射模块位于所述充电适配器的侧面，且所述功率发射模块的表面为内凹的弧状，使得所述功率接收模块上的各点在水平方向上与所述功率发射模块上的对应点之间的距离相等。

在其中的一实施例，所述功率发射模块位于所述充电适配器的底座，且位于每对所述定位槽之间的中心位置。

在其中的一实施例，所述充电适配器还包括一液晶显示屏，当所述移动机器人进行充电时，所述液晶显示屏用于实时地显示所述移动机器人的充电进度。

采用本发明的充电适配器及其移动机器人系统，该系统包括移动机器人和充电适配器。移动机器人包括机器人主体、多个主动轮、功率接收模块和储能模块，充电适配器包括功率发射模块和多个定位槽。主动轮安装于机器人主体的底部，每对主动轮相对于机器人主体的中轴线对称地设置。功率接收模块用于接收来自充电适配器发射的充电功率。储能模块用于存储来自功率接收模块的充电功率所转化的电能。功率发射模块用于向功率接收模块以无线方式发射充电功率。多个定位槽设置于充电适配器的底座，当主动轮陷入定位槽时，充电适配器与移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升移动机器人系统的充电效率。相比于现有技术，本发明利用移动机器人的主动轮陷入充电适配器的定位槽来实现毫米级的位置对准，使功率发射模块与功率接收模块充分吻合，从而解决无线充电时功率发射模块与功率接收模块定位不准确所导致的充电效率低下的问题。此外，由于移动机器人与充电适配器之间的定位精准，功率发射模块发射的电磁波绝大部分被功率接收模块所接收，从而可最大程度减少对周围环境的影响。再者，本发明的非接触充电方式无需线缆和人工插拔，简单方便，安全实用。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出依据本发明的一实施方式，包含移动机器人和充电适配器的移动机器人系统的结构示意图；

图2示出图1的移动机器人系统的充电适配器的结构示意图；

图3示出图1的移动机器人系统中，充电适配器以无线方式对移动机器人进行充电的原理示意图；

图4示出依据本发明的另一实施方式，包括移动机器人以及充电适配器的移动机器人系统的结构示意图；

图5示出图4的移动机器人系统的俯视图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出依据本发明的一实施方式，包含移动机器人和充电适配器的移动机器人系统的结构示意图。图2示出图1的移动机器人系统的充电适配器的结构示意图。图3示出图1的移动机器人系统中，充电适配器以无线方式对移动机器人进行充电的原理示意图。

参照图1，在该实施方式中，本发明的基于无线充电技术的移动机器人系统包括移动机器人和充电适配器。详细而言，移动机器人包括储能模块2、功率接收模块6、机器人主体7和多个主动轮8。充电适配器包括多个定位槽3、底座4和功率发射模块5。

机器人主体7为移动机器人的主体部分，其上安装有多个部件。主动轮8一般成对出现，例如，每对主动轮8相对于机器人主体7的中轴线对称地设置。主动轮8安装于机器人主体7的底部，用来驱动移动机器人前进、后退或转向。功率接收模块6设置于机器人主体7的底部，用来接收充电适配器的功率发射模块5所发射的充电功率。储能模块2与功率接收模块6电性耦接。储能模块2用于存储来自功率接收模块6的充电功率所转化的电能，从而提供移动机器人正常运行时的续航能力。较佳地，储能模块2为电池组(batteryunits)或超级电容组(supercapacitorunits)。

功率发射模块5与功率接收模块6相对设置。功率发射模块5位于底座4的上表面，用来向功率接收模块6以无线方式发射充电功率。定位槽3设置于充电适配器的底座4，定位槽3的数目与主动轮8的数目一一对应。例如，定位槽3为梯形或类球形。当主动轮8陷入定位槽3时，充电适配器与移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升移动机器人系统的充电效率。这是因为，大功率(诸如100W或以上)无线充电要求功率发射模块5和功率接收模块6位置很靠近，二者的距离越近，充电效率越高。本发明的充电适配器与移动机器人之间具有毫米级的位置对准功能，使得功率发射模块5和功率接收模块6充分吻合，进而提高无线充电效率。

由上述可知，在当前实施例，本发明的移动机器人运行于底部充电模式。功率接收模块6位于每对主动轮8之间的中心位置，功率发射模块5位于每对定位槽3之间的中心位置，但本发明并不只局限于此。例如，在其它实施例中，功率发射模块和功率接收模块各自的位置并不局限于定位槽的中心和主动轮的中心，仅仅只需满足——充电适配器一侧的定位槽和功率发射模块位于一面，移动机器人一侧的主动轮和功率接收模块位于另一面，且这两面在位置上为镜像关系，使得主动轮陷入定位槽的同时，功率接收模块与功率发射模块也可充分吻合，从而提高充电效率。在移动机器人与充电适配器进行毫米级定位之前，移动机器人通过厘米级定位运动至充电适配器的前方，并开始移向底座4。例如，移动机器人还包括定位模块1，其可为雷达地图构建模块、超宽带(UltraWideband，UWB)定位模块或红外定位模块。

此外，在搭载功率接收模块6的移动机器人靠近功率发射模块5之前，功率发射模块5并不会大功率发射功率的，而是处于待机状态。功率发射模块5在待机状态下发射微弱的无线信号，等待功率接收模块6的到来。当功率接收模块6靠近功率发射模块5的时候，功率接收模块6就会在所接收的无线信号基础上叠加一个反馈信号并将叠加之后的信号回送给功率发射模块5，通知功率发射模块5即将就位。当功率接收模块6真正就位(诸如，主动轮陷入定位槽)时，功率发射模块5开始大功率的无线充电。此时，功率发射模块5停止给功率接收模块6发送微弱无线信号，但功率接收模块6回送给功率发射模块5的那个叠加信号一直存在，因为功率接收模块6要一直报告接收侧的状态以便功率发射模块5调整频率和振幅，从而自适应功率接收模块6的状态调整。当功率接收模块6由于外部原因突然远离功率发射模块5时，功率发射模块5无法接收来自功率接收模块6的回送信号就会停止大功率发射功率，从而确保充电安全。

并且，当功率发射模块5检测到功率接收模块6靠近的时候，功率接收模块6向移动机器人本体发信号，通知移动机器人已经靠近充电适配器的功率发射模块5，功率发射模块5开始给功率接收模块6进行大功率的无线供电，但由于此时功率接收模块6与功率发射模块5对接并未到达最佳位置，充电效率尚未达到最高。接着，移动机器人继续向前移动，直到主动轮8陷入定位槽3，并检测到从定位槽3的槽壁往上爬坡的阻力则确认已到达最好的充电位置，此时功率发射模块5与功率接收模块6充分吻合，此时的充电效率达到最高。之后，主动轮8停止转动，移动机器人停止移动。

在一具体实施例，充电适配器还包括一液晶显示屏(图中未示出)，当移动机器人进行无线充电时，该液晶显示屏用于实时地显示移动机器人的充电进度。

参照图2和图3，本发明的充电适配器还包括一电压转换模块(voltageconversionmodule)10，该电压转换模块10电性耦接至底座4上的功率发射模块5。从原理上讲，例如，于充电适配器一侧，电压转换模块10将220V的交流电转换为24V的直流电。功率发射模块5将24V的直流电转化为流经线圈的交流电。于移动机器人一侧，功率接收模块6藉由空气介质接收来自功率发射模块5的交流电，并将其转化为24V的直流电，然后通过24V的直流电对储能模块2进行充电。此外，如前文所述，功率接收模块6也会将反馈信息回送给功率发射模块5。例如，在移动机器人靠近充电适配器之前，功率发射模块5并不会大功率发射电磁波。只有移动机器人靠近充电适配器并就位充电位置之后，功率接收模块6基于无线供电载波通讯技术实时地告知其自身的当前状态，在握手通信之后才由功率发射模块5开始大功率无线充电。

有鉴于此，本发明的移动机器人系统相比于现有技术，可利用移动机器人的主动轮陷入充电适配器的定位槽来实现毫米级的位置对准，使功率发射模块与功率接收模块充分吻合，从而解决无线充电时功率发射模块与功率接收模块定位不准确所导致的充电效率低下的问题。

本领域的技术人员应当理解，本发明的上述实施例不仅揭露了一种基于无线充电技术的移动机器人系统，而且还揭露了一种移动机器人系统中的、对移动机器人进行精准定位的充电适配器。简要地，该充电适配器包括一功率发射模块和多个定位槽。功率发射模块用于向移动机器人的功率接收模块以无线方式发射充电功率。定位槽设置于充电适配器的底座。定位槽的数目与移动机器人的主动轮数目一一对应，当主动轮陷入相应的定位槽时，充电适配器与移动机器人之间实现毫米级的位置对准，以提升移动机器人的充电效率。

图4示出依据本发明的另一实施方式，包括移动机器人以及充电适配器的移动机器人系统的结构示意图。图5示出图4的移动机器人系统的俯视图。

参照图4和图5，在该实施方式中，移动机器人运行于侧面充电模式。对应地，功率接收模块6设置于机器人本体7的侧面，功率发射模块5设置于充电适配器的侧面。电压转换模块10和功率发射模块5均安装在墙面11上。为了增加功率接收模块6与功率发射模块5的吻合度，功率接收模块6与功率发射模块5均设置为弧形表面。例如，功率发射模块5的表面可为内凹的弧状，从而使功率接收模块6上的各点在水平方向上与功率发射模块5上的对应点之间的距离均等。

在另一实施方式中，移动机器人还可运行于顶部充电模式。对应地，功率接收模块6设置于机器人本体7的顶部，功率发射模块5设置于充电适配器的定位柱，该定位柱位于充电适配器的顶部。透过充电适配器上的定位柱的直接接触，功率接收模块6靠近功率发射模块5时，移动机器人的移动速度可降为0，同样亦可实现移动机器人与充电适配器之间的精准定位。

采用本发明的充电适配器及其移动机器人系统，该系统包括移动机器人和充电适配器。移动机器人包括机器人主体、多个主动轮、功率接收模块和储能模块，充电适配器包括功率发射模块和多个定位槽。主动轮安装于机器人主体的底部，每对主动轮相对于机器人主体的中轴线对称地设置。功率接收模块用于接收来自充电适配器发射的充电功率。储能模块用于存储来自功率接收模块的充电功率所转化的电能。功率发射模块用于向功率接收模块以无线方式发射充电功率。定位槽设置于充电适配器的底座，当主动轮陷入定位槽时，充电适配器与移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升移动机器人系统的充电效率。相比于现有技术，本发明利用移动机器人的主动轮陷入充电适配器的定位槽来实现毫米级的位置对准，使功率发射模块与功率接收模块充分吻合，从而解决无线充电时功率发射模块与功率接收模块定位不准确所导致的充电效率低下的问题。此外，由于移动机器人与充电适配器之间的定位精准，功率发射模块发射的电磁波绝大部分被功率接收模块所接收，从而可最大程度减少对周围环境的影响。再者，本发明的非接触充电方式无需线缆和人工插拔，简单方便，安全实用。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (15)

1.一种基于无线充电技术的移动机器人系统，其特征在于，所述移动机器人系统包括移动机器人和充电适配器，其中，

所述移动机器人包括：机器人主体；多个主动轮，安装于所述机器人主体的底部，每对主动轮相对于所述机器人主体的中轴线对称地设置；功率接收模块，设置于所述机器人主体上，所述功率接收模块用于接收来自所述充电适配器发射的充电功率；储能模块，与所述功率接收模块电性耦接，所述储能模块用于存储来自所述功率接收模块的充电功率所转化的电能，从而提供所述移动机器人正常运行时的续航能力；以及

所述充电适配器包括：功率发射模块，用于向所述功率接收模块以无线方式发射所述充电功率；多个定位槽，设置于所述充电适配器的底座，所述定位槽的数目与所述主动轮的数目一一对应，当所述主动轮陷入所述定位槽时，所述充电适配器与所述移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升所述移动机器人系统的充电效率。

2.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述移动机器人还包括定位模块，用于实现所述移动机器人与所述充电适配器之间的厘米级位置对准。

3.根据权利要求2所述的移动机器人系统，其特征在于，所述定位模块为雷达地图构建模块、超宽带(UltraWideband，UWB)定位模块或红外定位模块。

4.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述定位槽为梯形或类球形。

5.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述储能模块为电池组或超级电容组。

6.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述移动机器人运行于顶部充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的顶部，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的定位柱，且所述定位柱位于所述充电适配器的顶部。

7.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述移动机器人运行于侧面充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的侧面，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的侧面，所述功率接收模块与所述功率发射模块均为弧形表面，使得所述功率接收模块上的各点在水平方向上与所述功率发射模块上的对应点之间的距离相等。

8.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述移动机器人运行于底部充电模式，所述功率接收模块设置于所述机器人本体的底部，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的底座且位于每对所述定位槽之间的中心位置。

9.根据权利要求1所述的移动机器人系统，其特征在于，所述充电适配器还包括一液晶显示屏，当所述移动机器人进行无线充电时，所述液晶显示屏用于实时地显示所述移动机器人的充电进度。

10.一种基于无线充电技术的充电适配器，适于对一移动机器人进行大功率无线充电，所述移动机器人包括机器人主体、安装于所述机器人主体的底部的多个主动轮、设置于所述机器人主体的功率接收模块、用于存储来自所述功率接收模块的充电功率所转化的电能的储能模块，其特征在于，所述充电适配器包括：

功率发射模块，用于向所述功率接收模块以无线方式发射所述充电功率；以及

多个定位槽，设置于所述充电适配器的底座，所述定位槽的数目与所述主动轮的数目一一对应，当所述主动轮陷入所述定位槽时，所述充电适配器与所述移动机器人之间实现毫米级的位置对准，从而提升所述移动机器人的充电效率。

11.根据权利要求10所述的充电适配器，其特征在于，所述定位槽为梯形或类球形。

12.根据权利要求10所述的充电适配器，其特征在于，所述功率发射模块设置于所述充电适配器的定位柱，且所述定位柱位于所述充电适配器的顶部。

13.根据权利要求10所述的充电适配器，其特征在于，所述功率发射模块位于所述充电适配器的侧面，且所述功率发射模块的表面为内凹的弧状，使得所述功率接收模块上的各点在水平方向上与所述功率发射模块上的对应点之间的距离相等。

14.根据权利要求10所述的充电适配器，其特征在于，所述功率发射模块位于所述充电适配器的底座，且位于每对所述定位槽之间的中心位置。

15.根据权利要求10所述的充电适配器，其特征在于，所述充电适配器还包括一液晶显示屏，当所述移动机器人进行充电时，所述液晶显示屏用于实时地显示所述移动机器人的充电进度。