一种移动机器人用地埋式充电桩的研究

金郅涵 缪 翼

（国网江苏省电力有限公司张家港市供电分公司，江苏苏州215600）

0 引言

移动机器人是一种具有自行组织、自主运行、自主规划能力的智能机器人，由于其良好的机动性、灵活性，移动机器人已经被广泛地应用到了各个行业。移动机器人采用电池供电，且电池容量有限，当其运行一段时间电量降低到一定程度后，需要寻找充电桩及时进行充电。现有机器人充电桩多设立在地面以上的充电室内，整体占地面积大，形象呆板，尤其是对于园林、景区等土地资源紧张，强调风景和谐、美观的场合不太适用。

本文介绍了一种地埋式自动升降充电桩，很好地解决了上述问题，不仅可实现移动机器人的能源补给，保护充电桩本体，还能节约土地资源、美化环境，具有良好的推广应用价值。

1 园林机器人概述

根据地形和设备实际情况，本项目园林机器人采用磁轨导航、射频识别定位方法实现其按照规定路径的自主移动及定位停靠。磁轨铺设在景观园林的人行道两边或园林内部，不会影响车辆和人员的正常通行，机器人只在工作时间沿着敷设的轨道移动，非工作时间和充电时间停留在固定舱位。在每个停靠点布置RFID识别模块，机器人根据任务需要可以在任意停靠点停靠使用，当需要充电时，机器人沿着定轨自主找到距离最近的充电桩充电。

2 地埋式充电桩的设计

2.1 充电桩结构设计

地埋式充电桩主要由地下坑道、电动平移盖板、充电桩本体、支撑台、螺杆升降机构、蜗杆传动机构、升降驱动电机、主控模块及无线模块组成，整体结构示意图如图1所示。地下坑道与电动平移盖板配合，容纳充电桩本体及升降装备，为整套系统遮风挡雨；支撑台固定于螺杆升降机构顶部，用于托载充电桩本体；主控模块及无线模块固定于地下坑道靠近顶端的内壁上；升降驱动电机是整个电动升降系统的驱动装置，通过蜗杆传动机构与螺杆升降机构相联。

图1（b）中，蜗杆传动机构上表面设有红外测距传感器，用于检测升降机构外筒竖直方向的直线位移，控制充电桩本体上升到合适高度。蜗杆传动机构上表面亦设有限位开关，当机器人充完电，升降机构外筒下降到初始位置时，控制模块发出指令，使电动平移盖板关闭。

螺杆升降机构内部结构如图2所示，机构主要包括螺杆、螺母及与螺母装配在一体的外筒，将回转运动变为直线运动，使得螺杆转动时，与螺母成为一体的外筒在竖直方向作升降运动。

图1 整体结构示意图

图2 螺杆升降机构剖面图

2.2 充电桩智能控制原理

地埋式充电桩的电路原理如图3所示，其中，主控模块是整个充电桩智能控制的核心，与无线模块进行双向交流，接收反映盖板及升降系统位置的限位开关及红外测距传感器的信号，控制电动平移盖板及螺杆升降机构电机的动作。

图3 地埋式充电桩电路原理图

充电桩附近设有RFID标签，当机器人需要充电、检测到该标签后，发射无线信号与地埋式充电桩进行无线通信，充电桩的无线模块接收到信号并将其发送给主控模块，主控模块控制电动平移盖板内部电机动作打开盖板。盖板打开到位后，电动平移盖板全开位置限位开关被触发，该信号传送给主控模块，主控模块给升降驱动电机的控制端一个动作信号，电机驱动螺杆升降机构动作，带动充电桩本体上升。当红外测距传感器检测到充电桩本体上升到合适高度后，发送信号给主控模块，进而主控模块输出信号给升降驱动电机的控制端，使电机停止转动；与此同时，主控模块通过无线模块与机器人通信，使其开始进行对接、充电。充电完成后，机器人充电机构脱离充电座，整套系统进行与上升过程相反的感应控制，使螺杆升降机构带动充电桩本体隐藏到地面以下。

地埋式充电桩的智能控制流程如图4所示。

图4 地埋式充电桩智能控制流程图

3 结语

本文提出了一种应用于移动机器人充电的地埋式充电桩，充电桩设置在电动升降系统上，通过电动平移盖板及升降系统的有序配合，可实现根据机器人的充电需求自动出现与消隐。该设计不仅可实现移动机器人的能源补给，保护充电桩本体，延长其使用寿命，还能节约园区土地资源，美化园区。将其与储能式机器人配合应用在智慧城市、能源小镇、景观园林、大型超市、商场中，将大大方便人们的生活与娱乐，因而具有良好的推广应用价值。