本實用新型屬于機器人技術領域，具體涉及一種履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)。

背景技術：

隨著移動機器人技術不斷的發(fā)展，自主移動機器人由于其良好的智能性、自主性已成為了機器人研究領域的熱點之一，被賦予了多種多樣的任務，如今自主機器人已經(jīng)被廣泛的應用到了各個行業(yè)，如清掃機器人、引導機器人、運輸機器人、水下無纜機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等。盡管機器人的功能在不斷地擴展，應用也越來越廣泛，但是所有的這一切都離不開電能的支持。隨著機器人功能的不斷擴展，機器人對電能的要求量也不斷的增加，如何實現(xiàn)長時間的、有效的供電成為了機器人產(chǎn)業(yè)化必須面對和解決的問題，自主充電技術是解決機器人自主性的關鍵。

目前,移動機器人都是使用高質(zhì)量的機載可充電蓄電池組來給自身供電,但是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。如果采用人工充電,那么機器人就處于一種非連續(xù)的任務環(huán),這阻礙了機器人的長期自治。如果要實現(xiàn)真正意義上的長期自治,機器人必須能在所處的環(huán)境中實現(xiàn)自我支持,實現(xiàn)連續(xù)任務環(huán)。機器人連續(xù)任務環(huán)被簡單地定義為使機器人以自主充電的方式來繼續(xù)完成它所分配到的任務。一旦開始運行,機器人便進入連續(xù)任務環(huán),即不再需要人的幫助,在此系統(tǒng)中,啟動和停止是由機器人自動完成的。對于煤礦井下自主移動機器人來說，煤礦井下發(fā)生瓦斯、煤塵等爆炸事故后，如果存在著火點，容易發(fā)生二次爆炸等事故，人員進入具有高危險性，搶險人員在第一時間難以進入，而井上專家和決策者又急需獲得井下情況，以便做出判斷和決策。由機器人先行進入井下，探測井下事故破壞和環(huán)境情況，以聲像和數(shù)據(jù)的形式將信息反饋到控制中心無疑是最有效而且安全的方案。由于常見的移動機器人動力能源的無纜化主要依賴高品質(zhì)的機載蓄電池組,如何讓機器人在無人工干預環(huán)境下安全可靠、快速高效地實現(xiàn)自動充電是實現(xiàn)機器人長期自治的一項關鍵技術。

為了解決機器人自主充電的問題，國內(nèi)外進行了如下研究：機器人自主充電技術始于20世紀40年，在國外，Grey Walter在20世紀40年末成功研發(fā)了一臺能自主充電的移動機器人名“Tortoises”，這種機器人具有在神經(jīng)學研究中向著光線行走的行為。Grey Walter設計了一個充電站，他在充電站內(nèi)部放置了一個光源和充電器,機器人采用跟蹤光源的方法來尋找充電站。Grey Walter首先通過光束引導機器人靠近充電裝置，然后將機器人本體上的充電臂插入就近的插座為機器人充電。1998年，TSukuba大學研制出一款名為Yamabico-Liv的移動機器人，此機器人在室內(nèi)環(huán)境不變的情況下，通過使用導航系統(tǒng)，利用已知環(huán)境地圖引導機器人到達充電站，然后驅(qū)動機器人配備的特別設備與充電站進行對接，實現(xiàn)機器人自主充電的目的。跟據(jù)已知環(huán)境地圖進行自主充電存在一個缺點，一旦環(huán)境地圖受到破壞，機器人將失去尋找目標，使用已知地圖進行導航，限制了移動機器人的靈活性。1999年，卡內(nèi)基·梅隆大學的機器人研究所開發(fā)了一種自主導游機器人Sage，Sage機器人的本體是采用改良Nomad XR4000移動機器人，利用CCD攝像機和三維路標引導機器人實現(xiàn)充電。加利福尼亞大學使用Nomad XR4000移動機器人，通過在充電站的上方設置色塊和IR二極管來引導機器人對接以及監(jiān)控充電狀況?？▋?nèi)基·梅隆大學和加利福尼亞大學采用了視覺系統(tǒng)和信標對充電目標進行定位?？▋?nèi)基·梅隆大學采用三維路標引導機器人充電，三維路標具有很好的定位效果，但是在近距離對接時，CCD攝像機的精度將影響對接效果。加利福尼亞大學設計的充電裝置采用漏斗狀的對接窗口增加了機器人對接誤差，提高了容忍度，但是漏斗狀的對接窗口只能沿著一個支點左右偏轉(zhuǎn)，限制了對接窗口的水平移動。因此，機器人與充電裝置對接時，充電插針必須對正窗口的支點。

在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學于2005年用Pioneer3DX輪式機器人在室內(nèi)未知環(huán)境中進行了自主充電技術研究，使用激光傳感器、PTZ彩色攝像機和里程計來引導機器人進行自主充電。2010年，重慶大學對室內(nèi)清潔機器人進行了自主充電的研究，提出了以返回固定充電座充電為目標的自主返回路徑規(guī)劃策略。哈爾濱工業(yè)大學直接對室內(nèi)墻壁上的插座進行對接，并沒有進行充電裝置設計。電源插座的對接容忍度過小，容易導致充電失敗。

綜上所述，目前機器人自主充電技術還存在很多缺點，如導航定位精度不夠理想、容錯及糾錯能力不夠強壯，充電裝置的設計從結構上還不能為自動充電系統(tǒng)提供足夠大的容忍度，缺乏普遍環(huán)境適應性，且在結構設計合理性、科學、經(jīng)濟等方面還不夠理想，這些機器人自主充電技術問題急需我們?nèi)ソ鉀Q。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其結構簡單，設計合理，實現(xiàn)方便且成本低，使用方便，對地形的容忍度較大，能夠快速有效地給機器人電池進行充電，工作可靠性高，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是：履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：包括遠程服務端、激光引導式充電樁和機器人充電控制電路，所述遠程服務端包括服務端微控制器、與市電連接并用于將市電轉(zhuǎn)換為機器人充電所需電壓的直流電壓源和與直流電壓源連接并用于為遠程服務端各用電單元供電的電壓轉(zhuǎn)換電路，以及與服務端微控制器相接的服務端無線通信模塊和觸摸式液晶顯示屏，所述服務端微控制器的輸入端接有服務端地磁場傳感器，所述服務端微控制器的輸出端接有激光發(fā)射驅(qū)動電路；所述激光引導式充電樁包括底座以及轉(zhuǎn)動連接在底座上且相嚙合的第一齒輪和第二齒輪，所述底座上通過舵機支架固定連接有位于第一齒輪上方的舵機，所述第一齒輪與舵機的輸出軸固定連接，所述第二齒輪上固定連接有電源插入擋板，所述電源插入擋板的下部固定連接有激光發(fā)射器，所述電源插入擋板的上部固定連接有充電接口，所述充電接口與直流電壓源的輸出端連接，所述舵機與服務端微控制器的輸出端連接，所述激光發(fā)射器與激光發(fā)射驅(qū)動電路的輸出端連接；所述機器人充電控制電路包括機器人微控制器和與機器人微控制器相接且用于與服務端無線通信模塊無線連接并通信的機載無線通信模塊；所述機器人微控制器的輸入端接有攝像頭、超聲波傳感器、機載地磁場傳感器、用于檢測機器人供電電池的電量的電池電量檢測電路和用于接收激光發(fā)射器發(fā)射的激光信號的激光接收器，所述機器人微控制器的輸出端接有用于驅(qū)動機器人行走電機的電機驅(qū)動器和用于為機器人供電電池充電的電池充電電路，所述電池充電電路上連接有用于連接到充電接口上的充電插頭。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述服務端微控制器為單片機MSP430F169。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述激光發(fā)射驅(qū)動電路包括三極管Q1，所述三極管Q1的基極通過電阻R1與所述單片機MSP430F169的P4.4引腳連接，所述激光發(fā)射器的電源正極與+3.3V電源的輸出端連接，所述激光發(fā)射器的電源負極與三極管Q1的集電極相接，所述三極管Q1的發(fā)射極接地。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述服務端無線通信模塊和機載無線通信模塊均為ZigBee無線通信模塊。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述底座上固定連接有第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸，所述第一齒輪的幾何中心位置處固定連接有第一圓柱滾子軸承，所述第一齒輪通過將第一轉(zhuǎn)動軸安裝到第一圓柱滾子軸承中的方式轉(zhuǎn)動連接在底座上，所述第二齒輪的幾何中心位置處固定連接有第二圓柱滾子軸承，所述第二齒輪通過將第二轉(zhuǎn)動軸安裝到第二圓柱滾子軸承中的方式轉(zhuǎn)動連接在底座上。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述底座上安裝有對稱位于第一齒輪兩側且用于保護第一齒輪的兩塊第一保護擋板和對稱位于第二齒輪兩側且用于保護第二齒輪的兩塊第二保護擋板；所述舵機支架由兩個分別位于舵機兩側的門字型支架組成，所述舵機通過六角螺栓和六角螺母與門字型支架固定連接；所述電源插入擋板通過三角形固定件固定連接在第二齒輪上。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述機器人微控制器為DSP數(shù)字信號處理器。

上述的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，其特征在于：所述服務端地磁場傳感器和機載地磁場傳感器均為型號為HMC5883L的三軸地磁場傳感器。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

1、本實用新型的結構簡單，設計合理，實現(xiàn)方便且成本低。

2、本實用新型的使用方便，能夠放置在比較復雜的地形中使用，對地形的容忍度較大。

3、本實用新型在機器人電量即將不足時，能夠快速有效地給機器人電池進行充電，工作可靠性高。

4、本實用新型的實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

綜上所述，本實用新型結構簡單，設計合理，實現(xiàn)方便且成本低，使用方便，對地形的容忍度較大，能夠快速有效地給機器人電池進行充電，工作可靠性高，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路原理框圖。

圖2為本實用新型激光引導式充電樁的結構示意圖。

圖3為本實用新型激光發(fā)射驅(qū)動電路的電路原理圖。

附圖標記說明:

1—遠程服務端； 1-1—服務端微控制器； 1-2—直流電壓源；

1-3—服務端無線通信模塊； 1-4—觸摸式液晶顯示屏；

1-5—服務端地磁場傳感器； 1-6—激光發(fā)射驅(qū)動電路；

1-7—電壓轉(zhuǎn)換電路； 2—激光引導式充電樁； 2-1—底座；

2-2—充電接口； 2-3—第一齒輪； 2-4—第二齒輪；

2-5—門字型支架； 2-6—舵機； 2-7—電源插入擋板；

2-8—激光發(fā)射器； 2-9—第一保護擋板； 2-10—第二保護擋板；

2-11—六角螺栓； 2-12—六角螺母； 2-13—三角形固定件；

3—機器人充電控制電路； 3-1—機器人微控制器；

3-2—機載無線通信模塊； 3-3—攝像頭； 3-4—超聲波傳感器；

3-5—機載地磁場傳感器； 3-6—電池電量檢測電路；

3-7—激光接收器； 3-8—電機驅(qū)動器； 3-9—電池充電電路；

3-10—充電插頭。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本實用新型的履帶機器人自主定位充電系統(tǒng)，包括遠程服務端1、激光引導式充電樁2和機器人充電控制電路3，所述遠程服務端1包括服務端微控制器1-1、與市電連接并用于將市電轉(zhuǎn)換為機器人充電所需電壓的直流電壓源1-2和與直流電壓源1-2連接并用于為遠程服務端1各用電單元供電的電壓轉(zhuǎn)換電路1-7，以及與服務端微控制器1-1相接的服務端無線通信模塊1-3和觸摸式液晶顯示屏1-4，所述服務端微控制器1-1的輸入端接有服務端地磁場傳感器1-5，所述服務端微控制器1-1的輸出端接有激光發(fā)射驅(qū)動電路1-6；所述激光引導式充電樁2包括底座2-1以及轉(zhuǎn)動連接在底座2-1上且相嚙合的第一齒輪2-3和第二齒輪2-4，所述底座2-1上通過舵機支架固定連接有位于第一齒輪2-3上方的舵機2-6，所述第一齒輪2-3與舵機2-6的輸出軸固定連接，所述第二齒輪2-4上固定連接有電源插入擋板2-7，所述電源插入擋板2-7的下部固定連接有激光發(fā)射器2-8，所述電源插入擋板2-7的上部固定連接有充電接口2-2，所述充電接口2-2與直流電壓源1-2的輸出端連接，所述舵機2-6與服務端微控制器1-1的輸出端連接，所述激光發(fā)射器2-8與激光發(fā)射驅(qū)動電路1-6的輸出端連接；所述機器人充電控制電路3包括機器人微控制器3-1和與機器人微控制器3-1相接且用于與服務端無線通信模塊1-3無線連接并通信的機載無線通信模塊3-2；所述機器人微控制器3-1的輸入端接有攝像頭3-3、超聲波傳感器3-4、機載地磁場傳感器3-5、用于檢測機器人供電電池的電量的電池電量檢測電路3-6和用于接收激光發(fā)射器2-8發(fā)射的激光信號的激光接收器3-7，所述機器人微控制器3-1的輸出端接有用于驅(qū)動機器人行走電機的電機驅(qū)動器3-8和用于為機器人供電電池充電的電池充電電路3-9，所述電池充電電路3-9上連接有用于連接到充電接口2-2上的充電插頭3-10。

本實施例中，所述服務端微控制器1-1為單片機MSP430F169。

本實施例中，如圖3所示，所述激光發(fā)射驅(qū)動電路1-6包括三極管Q1，所述三極管Q1的基極通過電阻R1與所述單片機MSP430F169的P4.4引腳連接，所述激光發(fā)射器2-8的電源正極與+3.3V電源的輸出端連接，所述激光發(fā)射器2-8的電源負極與三極管Q1的集電極相接，所述三極管Q1的發(fā)射極接地。

本實施例中，所述服務端無線通信模塊1-3和機載無線通信模塊3-2均為ZigBee無線通信模塊。具體實施時，所述ZigBee無線通信模塊為型號為CC2530的ZigBee無線通信模塊。

本實施例中，如圖2所示，所述底座2-1上固定連接有第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸，所述第一齒輪2-3的幾何中心位置處固定連接有第一圓柱滾子軸承，所述第一齒輪2-3通過將第一轉(zhuǎn)動軸安裝到第一圓柱滾子軸承中的方式轉(zhuǎn)動連接在底座2-1上，所述第二齒輪2-4的幾何中心位置處固定連接有第二圓柱滾子軸承，所述第二齒輪2-4通過將第二轉(zhuǎn)動軸安裝到第二圓柱滾子軸承中的方式轉(zhuǎn)動連接在底座2-1上。

本實施例中，如圖2所示，所述底座2-1上安裝有對稱位于第一齒輪2-3兩側且用于保護第一齒輪2-3的兩塊第一保護擋板2-9和對稱位于第二齒輪2-4兩側且用于保護第二齒輪2-4的兩塊第二保護擋板2-10；所述舵機支架由兩個分別位于舵機2-6兩側的門字型支架2-5組成，所述舵機2-6通過六角螺栓2-11和六角螺母2-12與門字型支架2-5固定連接；所述電源插入擋板2-7通過三角形固定件2-13固定連接在第二齒輪2-4上。具體實施時，所述第一齒輪2-3和第二齒輪2-4的齒數(shù)比為1：1。

本實施例中，所述機器人微控制器3-1為DSP數(shù)字信號處理器。

本實施例中，所述服務端地磁場傳感器1-5和機載地磁場傳感器3-5均為型號為HMC5883L的三軸地磁場傳感器。

具體實施時，所述激光發(fā)射器2-8為一字線激光發(fā)射器，與充電接口2-2的旋轉(zhuǎn)擺動相配合，提高了機器人上的充電插頭3-10與充電接口2-2的對接成功率，有效避免了無法對接的問題。

采用本實用新型進行履帶機器人自主定位充電的過程為：電池電量檢測電路3-6對機器人供電電池的電量進行實時檢測并將檢測到的信號實時輸出給機器人微控制器3-1，機器人微控制器3-1將其接收到的機器人供電電池的電量與預先設定的低電量閾值進行比對，當機器人供電電池的電量小于低電量閾值時，判斷為機器人供電電池的電量不足，此時，機器人微控制器3-1通過機載無線通信模塊3-2向遠程服務端1發(fā)送充電信號，當服務端微控制器1-1通過服務端無線通信模塊1-3接收到機器人微控制器3-1發(fā)送的充電信號后，開始采集服務端地磁場傳感器1-5檢測到的地磁數(shù)據(jù)，并通過服務端無線通信模塊1-3發(fā)送給機器人充電控制電路3；機器人微控制器3-1通過機載無線通信模塊3-2接收服務端微控制器1-1發(fā)送的地磁數(shù)據(jù)，并采集機載地磁場傳感器3-5檢測到的地磁數(shù)據(jù)，并將采集到的地磁數(shù)據(jù)與其接收到的地磁數(shù)據(jù)進行比對，根據(jù)比對的差別移動，使其采集到的地磁數(shù)據(jù)逐漸接近其接收到的地磁數(shù)據(jù)，即機器人向靠近遠程服務端1的位置移動；移動過程中，機器人微控制器3-1通過采集攝像頭3-3拍攝到的圖像，對激光引導式充電樁2上的激光發(fā)射器2-8進行定位，當采集到的圖像中能夠獲取到激光發(fā)射器2-8發(fā)射的光時，開始進行激光定位，機器人微控制器3-1通過機載無線通信模塊3-2向遠程服務端1發(fā)送激光定位信號，當服務端微控制器1-1通過服務端無線通信模塊1-3接收到機器人微控制器3-1發(fā)送的激光定位信號后，驅(qū)動舵機2-6轉(zhuǎn)動，并通過激光發(fā)射驅(qū)動電路1-6驅(qū)動激光發(fā)射器2-8發(fā)射激光，舵機2-6順時針旋轉(zhuǎn)到位后再逆時針旋轉(zhuǎn)到位，不斷重復，舵機2-6轉(zhuǎn)動時帶動第一齒輪2-3轉(zhuǎn)動，第一齒輪2-3再帶動第二齒輪2-4轉(zhuǎn)動，第二齒輪2-4再帶動電源插入擋板2-7轉(zhuǎn)動，直至激光接收器3-7接收到激光發(fā)射器2-8發(fā)射的激光信號后，機器人微控制器3-1通過機載無線通信模塊3-2向遠程服務端1發(fā)送激光定位完成信號，當服務端微控制器1-1通過服務端無線通信模塊1-3接收到機器人微控制器3-1發(fā)送的激光定位完成信號后，停止驅(qū)動舵機2-6轉(zhuǎn)動，充電插頭3-10與充電接口2-2對接，從而給機器人供電電池充電。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實用新型技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本實用新型技術方案的保護范圍內(nèi)。