CN106078723A - 基于自动寻址充电的机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自动寻址充电的机器人系统，主要解决现有技术中机器人无法灵活进行自动充电的问题，其在机器人主体的正前及左、右侧各布设一个红外接收器(6,7,8)，在墙面充电装置(10)的左右侧各布设一个红外发射器(11,12)，并在墙面充电装置的正下方地面上布设一个机械接口(13)。墙面充电装置(10)内部设有内部电路芯片，该芯片包含电源检测模块与无线通信模块。当机器人在进入低电量状态时，左、右两红外发射器开启，并依靠主体上的红外接收器检测红外信号，寻找墙面充电装置的位置并与之对接；电量充满后，机器人自动断开充电连接。本发明的机器人能自动充电，延长了工作时间，提高了机器人的工作效率和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于机械控制技术领域，特别涉及一种机器人系统，可用于完成充电的全过程。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，对生活质量的要求也日益提高，家用机器人应运而生。近些年来，得益于机器人技术的成熟与革新，家用机器人在家庭服务、娱乐、清洗、监护等服务领域获得了成功且广泛的应用。要保证家用智能机器人能在室内环境中自由自主移动，必须要有充足的电量。受到机器人体积和成本的限制，现有家用智能机器人常采用电池供电。电池的供电能力有限，无法维持机器人持续、长时间、较大范围的工作需求，极大的限制了家用智能机器人的强大功能。当传统家用机器人在进入低电量状态后，常需要使用者手动为其充电，这种方式繁琐、低效，不符合智能机器人的功能要求，不能保证机器人时刻处于可工作状态，常造成机器人由于无法及时充电而停止工作的后果。
公开号CN 103440602公布了一种具有自动充电功能的点菜机器人，该机器人通过借助事先在地面布设好的线路到达充电装置进行充电，一定程度上具备了自动充电的功能。但此方法仅适用于机器人行走路线固定的场景，在大多数实际场景中，机器人需要在室内自由移动，并不适合预先布置线路引导机器人进行充电，因此有必要设计一种不基于循迹也可以完成充电的机器人装置。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于自动寻址充电的机器人系统，以解决现有家用智能机器人无法灵活地进行自动充电的问题，完成自动充电的全过程。
本发明的技术思路是：机器人进入低电量状态后，自主导航至充电装置附近3～5米范围内，并依靠红外信号与充电装置进行交互，不断调整运动方向和自身姿态，先后发现两个红外发射器，最终对准并连接充电接口，开始充电。电量充满后，机器人运动断开墙面充电装置，充电结束。
一.根据上述思路，本发明基于自动寻址充电的机器人系统，包括机器人主体、轮式底盘、左全向轮、右全向轮、机器人充电插头、核心电路控制单元和墙面充电装置，核心电路控制单元包括超声波测距模块，运动控制模块、周边环境检测模块、障碍物检测模块、电源检测模块、机器人无线通信模块；
其特征在于：
在机器人主体的正前方布设有正方位红外接收器，用于感知来自机器人正前方的红外信号；
在机器人主体的两侧分别布设左外接收器和右红外接收器，用于感知来自机器人两侧的红外信号；
在墙面充电装置的两侧分别布设有左红外发射器和右红外发射器，用于向外发射红外信号以标示墙面充电接口的位置；
在墙面充电装置的正下方地面上，布设有一组地面机械接口，用于提高机器人充电插头与墙面充电装置对接的精准度。
二.根据上述思路，本发明基于上述系统进行自动寻址充电的方法，包括：
1)核心电路控制单元内的电源检测模块检测到机器人进入低电量状态后，通过机器人无线通信模块向外传送电量低的信号，同时基于室内地图进行导航，向墙面充电装置附近3～5米范围移动；
2)墙面充电装置内的充电装置无线通信模块接收到机器人电量低的信号，开启左红外发射器与右红外发射器向外发射红外信号；
3)机器人基于导航成功到达墙面充电装置附近，机器人主体上的三个红外接收器根据接收到红外信号，开始寻找墙面充电装置的具体方位；
4)机器人通过检测三个红外接收器是否接收到红外信号而进行旋转和移动，最终使机器人朝较近的红外发射器直行：
若正方位红外接收器检测到红外信号，则运动控制模块控制机器人沿当前方向直行；
若左红外接收器检测到红外信号，则运动控制模块控制机器人左转，在左转过程中，如果正方位红外接收器检测到红外信号，则停止左转并直行，否则继续左转；
若右红外接收器检测到红外信号，则运动控制模块控制机器人右转，在右转过程中，如果正方位红外接收器检测到红外信号，则停止右转并直行，否则继续右转；
5)机器人朝较近的红外发射器直行一段距离后，运动控制模块控制机器人调整运动方向和自身姿态，使其行驶到较近红外发射器的正前方位置，并正对该红外发射器方向直行；
6)在直行过程中，超声波测距模块持续测量机器人与墙面间的距离，若机器人与前方墙面的距离小于给定的距离阈值，且正方位红外接收器检测到高强度信号，则表示机器人已发现该红外发射器的精确位置，并记录下该红外发射器，同时运动控制模块控制机器人停止运动，否则，机器人继续直行；
7)机器人在记录到第一个红外发射器后，继续调整运动方向与自身姿态，寻找到另一红外发射器的具体方位，随后运动到这两个红外发射器连线的垂直平分线上，并正对墙面充电接口直行；
8)机器人直行到与地面机械接口对接后，驶入轨道并加速，直到机器人充电插头插入进墙面充电接口；
9)墙面充电装置检测到墙面充电接口已连接，通过充电装置无线通信模块向机器人无线通信模块传输墙面充电接口已连接的信号；
10)机器人接收到墙面充电接口已连接的信号，由运动控制模块发送指令控制机器人停止运动，充电连接建立成功，开始充电；
11)充电过程中，机器人电源检测模块和充电装置电源检测模块持续检测机器人的电量状况；
12)充电一段时间后，当机器人电源检测模块和充电装置电源监测模块同时监测到电量已充满时，充电装置电源检测模块通过充电装置无线通信模块向机器人无线通信模块传输充电已结束的信号；
13)机器人无线通信模块接收到充电已结束的信号后，通过运动控制模块控制机器人开始运动，断开墙面充电接口，完成充电过程。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于在机器人主体上增设了三个红外接收器，并在墙面充电装置两侧增设了两个红外发射器，因而可使机器人通过红外信号寻找到墙面充电装置与之连接。
2.本发明由于在充电过程中持续检测电量状况，可使电量充满后机器人自动断开墙面充电接口，完成自动寻址充电的全过程。
3.本发明的机器人系统由于可在低电量状态下凭借红外接收器检测周边环境的红外信号，并自动调整运动方向和自身姿态，寻找到墙面充电装置进行充电，因而避免了传统机器人常由于无法及时充电而停止工作的后果，解决了传统机器人采用电池供电所带来的性能限制，提高了智能机器人的工作效率和灵活性。
附图说明
图1是基于自动寻址充电的机器人系统示意图；
图2是本发明中的机器人主体结构图；
图3是本发明中的核心电路控制单元模块组成图；
图4是本发明中的墙面充电装置结构图；
图5是本发明中墙面充电装置的内部电路芯片模块组成图；
图6是本发明进行自动寻址充电的过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，自动寻址充电机器人系统包括：机器人主体1，墙面充电装置10和地面机械接口13。
参照图2，机器人主体1包括：轮式底盘2、左全向轮3、右全向轮4、机器人充电插头5、正方位红外接收器6、左红外接收器7、右红外接收器8和核心电路控制单元9。其中轮式底盘2构成机器人主体1的下部，左全向轮3安装在轮式底盘2的左侧，右全向轮4安装在轮式底盘2的右侧，机器人充电插头5与正方位红外接收器6位于机器人主体1的正前方，其中机器人充电插头5位于正方位红外接收器6的正下方，左红外接收器6位于机器人主体1的左侧，右红外接收器8位于机器人主体1的右侧，核心电路控制单元9安装在轮式底盘2上，位于机器人主体1的内部。
参照图3，核心电路控制单元9包括：超声波测距模块91、运动控制模块92、周边环境检测模块93、障碍物检测模块94、电源检测模块95和机器人无线通信模块96。其中：
超声波测距模块91，用于测量机器人主体与墙面充电装置之间的距离，以判断机器人是否已经足够靠近墙面充电装置；
运动控制模块92，用于控制左全向轮3和右全向轮4的转向和转速，从而控制机器人的运动方向，调整机器人的自身姿态；
环境检测模块93，用于采集机器人所处环境的环境参数，并将采集到的环境参数传送给障碍物检测模块94和机器人无线通信模块96使用；
障碍物检测模块94，用于检测机器人在行进途中的障碍物，将环境检测模块93传递来的环境参数进行分析，并在运动控制模块92的辅助下帮助机器人躲避障碍物，合理选择行进路线；
电源检测模块95，用于监测机器人电池的电量状况，并将电量状况数据通过机器人无线通信模块96传送给墙面充电装置10；
机器人无线通信模块96，用于与充电装置无线通信模块1022或其他设备间进行交互；
参照图4，墙面充电装置10，用于与机器人充电插头5连接，其包括：墙面充电接口101和内部电路芯片102，墙面充电接口101位于墙面充电装置10的正中央，内部电路芯片102位于墙面充电装置10的内部。在墙面充电装置10的正下方地面上，布设有一组地面机械接口13，用于提高机器人充电插头5与墙面充电装置10对接的精准度。地面机械接口13由两个平行布设在地面上的导轨组成，导轨间距等于机器人左全向轮3与右全向轮4间的轮距。机器人充电插头5与墙面充电接口101连接前，机器人先通过运动控制模块92与地面机械接口13对接，在地面机械接口13的辅助定向下加速驶向墙面充电装置10，将充电插头5插入墙面充电接口101内。
参照图5，本发明中墙面充电装置10的内部电路芯片102包括：充电装置电源检测模块1021与充电装置无线通信模块1022。其中：
充电装置电源检测模块1021用于在充电时检测机器人的电量状况，并将电量状况通过充电装置无线通信模块1022传送给机器人无线通信模块96；
充电装置无线通信模块1022用于与机器人无线通信模块96进行交互；
参照图6，本发明的机器人主体进行自动寻址充电的步骤如下：
步骤1机器人基于导航指引向墙面充电装置移动并发送低电量信号。
核心电路控制单元9内的电源检测模块95在机器人工作过程中持续对机器人的电量状况进行监测，当电源检测模块95检测到机器人的电量低于10％时，通过机器人无线通信模块96向充电装置无线通信模块1022传送电量低的信号，同时基于室内地图进行导航，向墙面充电装置10附近移动。
假设所述机器人可以自主导航到达墙面充电装置10附近。
步骤2墙面充电装置开启红外发射器。
墙面充电装置10内的充电装置无线通信模块1022接收到由机器人无线通信模块96发出的电量低的信号后，通过其内部电路向两红外发射器发送指令，开启左红外发射器11与右红外发射器12，向外发射红外信号，该红外信号的有效范围为3～5米。
左、右两红外发射器只有在接收到充电装置无线通信模块1022的指令后才开启，在其余时间，左红外发射器11和右红外发射器12均处于关闭状态，这种方式可以有效节省红外发射器的电能消耗，达到节电的目的。
步骤3红外接收器接收到红外信号。
一段时间后，机器人基于导航成功到达墙面充电装置10附近，当机器人进入墙面充电装置10附近3～5米范围内后，机器人主体上的三个红外接收器之一将有可能接收到由左红外发射器11或右红外发射器12发出的红外信号，根据接收到红外信号，机器人开始寻找较近红外发射器的具体方位。
步骤4机器人寻找较近红外发射器方位
机器人根据检测到的三个红外接收器是否接收到红外信号而进行旋转和移动，最终使机器人朝较近的红外发射器方向直行：
若正方位红外接收器6检测到红外信号，则运动控制模块92控制机器人沿当前方向直行；
若左红外接收器7检测到红外信号，则运动控制模块92控制机器人左转，在左转过程中，如果正方位红外接收器6检测到红外信号，则停止左转并直行，否则继续左转；
若右红外接收器8检测到红外信号，则运动控制模块92控制机器人右转，在右转过程中，如果正方位红外接收器6检测到红外信号，则停止右转并直行，否则继续右转；
如6(a)所示，机器人基于自主导航到达墙面充电装置10附近的第一位置点A处，机器人右侧的右红外接收器8将接收到两红外发射器发出的红外信号，运动控制模块92控制机器人右转，并在右转过程中检测正方位红外接收器6是否检测到红外信号；在机器人右转适当角度后，正方位红外接收器6首先检测到来自左红外发射器11发出的红外信号，运动控制模块92又控制机器人停止右转，并向左红外发射器11直行到第二位置点B处。
步骤5机器人调整运动方向使自身正对红外发射器。
如6(b)所示，机器人直行到第二位置点B后，运动控制模块92控制机器人调整运动方向和自身姿态，使其行驶到左红外发射器11正前方的第三位置点C，并正对左红外发射器11，机器人从第三位置点C开始向左红外发射器11直行。
步骤6机器人发现较近红外发射器精确位置。
如6(c)所示，机器人在直行过程中，超声波测距模块91持续测量机器人与墙面间的距离，
若机器人与前方墙面的距离小于1m，且正方位红外接收器6检测到高强度信号，则表示机器人已发现左红外发射器11的精确位置，停止直行，否则，机器人继续直行；
如6(d)所示，当机器人直行到第四位置点D时，超声波测距模块91测量到机器人与前方墙面的距离小于1m，同时正方位红外接收器6检测到了高强度信号，表明机器人发现了左红外接收器11的精确位置，机器人停止直行并记录左侧红外发射器11。
步骤7机器人寻找另一红外发射器方位
如6(e)所示，机器人在记录左侧红外发射器11之后，进入寻找另一红外发射器方位的状态，在此状态下，正方位接收器将不再检测来自左红外发射器的信号，机器人从第四位置点D继续调整运动方向与自身姿态，按照步骤4的方法寻找右红外发射器12的具体方位；
在机器人处于第四位置点D时，右红外接收器8检测到由右红外发射器12发出的信号，机器人右转，在进行右转的过程中，当正方位接收器6检测到由右红外发射器12发出的信号后，运动控制模块92控制机器人停止右转，并朝右红外发射器12的方向直行。
步骤8机器人到达左、右两红外发射器连线的垂直平分线上。
如6(f)所示，机器人在直行过程中，通过检测红外接收器接收到红外信号的情况判断自身是否已到达左、右两红外发射器连线的垂直平分线上，当直行到第五位置点E时，机器人到达左、右两红外发射器连线的垂直平分线上。
步骤9机器人调整自身姿态，使自身正对墙面充电装置10。
如6(g)所示，机器人在第五位置点E处左转，并在左转过程中检测左红外接收器7和右红外接收器8，当左、右两红外接收器接收到红外信号的强度相等，且在正方位红外接收器接收到信号时，则运动控制模块92控制机器人停止转动，此时机器人处于左、右两红外发射器连线的垂直平分线上，并且正对墙面充电接口101。
步骤10机器人与墙上充电接口101连接，开始充电。
如6(h)所示，机器人先在第五位置点E面向墙面充电装置10直行，当直行到与地面机械接口13对接后，再在机械导轨的辅助定向下加速行驶，直到机器人的充电插头5插入进墙面充电接口101；
墙面充电装置10检测到墙面充电接口101已连接的信号后，通过充电装置无线通信模块1022向机器人无线通信模块96传输墙面充电接口101已连接的信号；
机器人接收到墙面充电接口101已连接的信号，由运动控制模块92发送指令控制机器人停止运动，充电连接建立成功，开始充电。
步骤11电量充满后机器人断开连接。
在充电过程中，机器人电源检测模块95和充电装置电源检测模块1021持续检测机器人的电量状况；
充电一段时间后，当机器人电源检测模块95和充电装置电源监测模块1021同时监测到电量已充满时，充电装置电源检测模块1021通过充电装置无线通信模块1022向机器人无线通信模块96传输充电已结束的信号。
如6(i)所示，机器人无线通信模块96接收到充电已结束的信号后，通过运动控制模块92控制机器人开始运动，断开墙面充电接口101与地面机械接口13的连接，完成充电过程。
本发明能解决家用智能机器人采用电池供电所带来的工作限制，减少了使用者的参与度，提高了智能机器人的工作效率和灵活性。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于自动寻址充电的机器人系统，包括机器人主体(1)、轮式底盘(2)、左全向轮(3)、右全向轮(4)、机器人充电插头(5)、核心电路控制单元(9)和墙面充电装置(10),该核心电路控制单元(9)包括超声波测距模块(91)，运动控制模块(92)、周边环境检测模块(93)、障碍物检测模块(94)、电源检测模块(95)、机器人无线通信模块(96)；
其特征在于：
在机器人主体(1)的正前方布设有正方位红外接收器(6)，用于感知来自机器人正前方的红外信号；
在机器人主体(1)的两侧分别布设左外接收器(7)和右红外接收器(8)，用于感知来自机器人两侧的红外信号；
在墙面充电装置(10)的两侧分别布设有左红外发射器(11)和右红外发射器(12)，用于向外发射红外信号以标示墙面充电接口(101)的位置；
在墙面充电装置(10)的正下方地面上，布设有一组地面机械接口(13)，用于提高机器人充电插头(5)与墙面充电装置(10)对接的精准度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：墙面充电装置(10)包括：墙面充电接口(101)和内部电路芯片(102)，内部电路芯片(102)内包括有充电装置电源检测模块(1021)和充电装置无线通信模块(1022)，充电装置电源检测模块(1021)用于在充电过程中检测机器人的电量状况，充电装置无线通信模块(1022)用于发送和接收充电过程中的指示信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：地面机械接口(13)由两个平行布设在地面上的导轨组成，导轨间距等于机器人左全向轮(3)与右全向轮(4)间的轮距，充电时，机器人通过运动控制模块(92)先与地面机械接口(13)对接，再通过左全向轮(3)与右全向轮(4)驶入两侧导轨的凹槽内，在地面导轨凹槽的辅助定向下加速驶向墙面充电装置(10)，将充电插头(5)插入墙面充电接口(101)内。
4.一种基于权利要求1系统进行自动寻址充电的方法，包括：
1)核心电路控制单元(9)内的电源检测模块(95)检测到机器人进入低电量状态后，通过机器人无线通信模块(96)向外传送电量低的信号，同时基于室内地图进行导航，向墙面充电装置(10)附近3～5米范围移动；
2)墙面充电装置(10)内的充电装置无线通信模块(1022)接收到机器人电量低的信号，开启左红外发射器(11)与右红外发射器(12)向外发射红外信号；
3)机器人基于导航成功到达墙面充电装置(10)附近，接收到由左、右两红外发射器发出的红外信号，机器人主体(1)上的三个红外接收器根据接收到红外信号，开始寻找墙面充电装置的具体方位；
4)机器人通过检测三个红外接收器是否接收到红外信号而进行旋转和移动，最终使机器人朝较近的红外发射器直行：
若正方位红外接收器(6)检测到红外信号，则运动控制模块(92)控制机器人沿当前方向直行；
若左红外接收器(7)检测到红外信号，则运动控制模块(92)控制机器人左转，在左转过程中，如果正方位红外接收器(6)检测到红外信号，则停止左转并直行，否则继续左转；
若右红外接收器(8)检测到红外信号，则运动控制模块(92)控制机器人右转，在右转过程中，如果正方位红外接收器(6)检测到红外信号，则停止右转并直行，否则继续右转；
5)机器人朝较近的红外发射器直行一段距离后，运动控制模块(92)控制机器人调整运动方向和自身姿态，使其行驶到较近红外发射器的正前方位置，并正对该红外发射器方向直行；
6)在直行过程中，超声波测距模块(91)持续测量机器人与墙面间的距离，若机器人与前方墙面的距离小于给定的距离阈值，且正方位红外接收器(6)检测到高强度信号，则表示机器人已发现该红外发射器的精确位置，并记录下该红外发射器，同时运动控制模块(92)控制机器人停止运动，否则，机器人继续直行；
7)机器人在记录到第一个红外发射器后，继续调整运动方向与自身姿态，寻找到另一红外发射器的具体方位，随后运动到这两个红外发射器连线的垂直平分线上，并正对墙面充电接口(101)直行；
8)机器人直行到与地面机械接口(13)对接后，驶入轨道并加速，直到机器人充电插头(5)插入进墙面充电接口(101)；
9)墙面充电装置(10)检测到墙面充电接口(101)已连接，通过充电装置无线通信模块(1022)向机器人无线通信模块(96)传输墙面充电接口(101)已连接的信号；
10)机器人接收到墙面充电接口(101)已连接的信号，由运动控制模块(92)发送指令控制机器人停止运动，充电连接建立成功，开始充电；
11)充电过程中，机器人电源检测模块(95)和充电装置电源检测模块(1021)持续检测机器人的电量状况；
12)充电一段时间后，当机器人电源检测模块(95)和充电装置电源监测模块(1021)同时监测到电量已充满时，充电装置电源检测模块(1021)通过充电装置无线通信模块(1022)向机器人无线通信模块(96)传输充电已结束的信号；
13)机器人无线通信模块(96)接收到充电已结束的信号后，通过运动控制模块(92)控制机器人开始运动，断开墙面充电接口(101)，完成充电过程。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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