胡丹丹，王磊，王漫，高慶吉

(中國民航大學(xué)機(jī)器人研究所，天津300300)

移動機(jī)器人大都使用高質(zhì)量的機(jī)載可充電蓄電池組來給自身供電，一般只能維持幾個小時，一旦電能耗盡，必須采用人工干預(yù)的方式來給機(jī)器人充電，此時，機(jī)器人就處于一種非連續(xù)的任務(wù)環(huán)[1]，這嚴(yán)重阻礙了機(jī)器人的長期自治。隨著人們對移動機(jī)器人能實現(xiàn)長期值守、延長自治時間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高，其動力能源的補(bǔ)充成為一個亟待解決的問題。

目前該方面的研究工作主要集中在自主充電和自主更換電池兩個方面。GREY WALTER 于1963年首次為兩臺機(jī)器人設(shè)計了充電站[2]，在充電站中放置一個光源和充電器，機(jī)器人通過光源的引導(dǎo)進(jìn)入電站進(jìn)行對接充電。加利福尼亞大學(xué)[3]在Pioneer 2DX 移動機(jī)器人上添加自制充電對接觸頭，與充電站上設(shè)計的喇叭狀接口巧妙對接，從而實現(xiàn)其自主充電。哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚益松[4]設(shè)計的家用保安機(jī)器人智能充電系統(tǒng)，也設(shè)計了類似的喇叭狀接口，有機(jī)配合機(jī)械系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，避免對單個系統(tǒng)的過分依賴。韓國成均館大學(xué)的自主充電系統(tǒng)[5]，利用磁鐵的引力和斥力來實現(xiàn)對接，該結(jié)構(gòu)減少了對機(jī)器人控制精度的依賴，允許只依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)即可輕松實現(xiàn)對接。該種續(xù)能方式為機(jī)器人提供了能源續(xù)接，不會非正常方式影響電池使用壽命，但其充電時間較長，嚴(yán)重降低了機(jī)器人的工作效率，只適用于間斷運行的機(jī)器人。

相對于自主充電的移動機(jī)器人續(xù)能方式，自動更換電池則是一種更高效的續(xù)能方式，其極大地節(jié)省了機(jī)器人的續(xù)能時間，適用于保安機(jī)器人、巡邏機(jī)器人等需要不間斷工作的機(jī)器人。目前針對該種續(xù)能方式的研究較少。日本提姆查克公司設(shè)計了一種蓄電池交換裝置[6]，采用長方形結(jié)構(gòu)，所有電池組橫向分布成行，通過電機(jī)驅(qū)動導(dǎo)軌實現(xiàn)電池組移動，該機(jī)構(gòu)在單方向上占地面積較大，且當(dāng)移動遠(yuǎn)距離電池組時，機(jī)器人等待時間較長。臺灣工業(yè)技術(shù)研究院設(shè)計了一種可以用于電池更換的機(jī)器人電站[7]，其機(jī)構(gòu)和原理與文獻(xiàn)[6]中的類似，其只能為1組蓄電池充電，占地面積相對較小，但無法滿足多機(jī)器人的續(xù)能要求。

針對上述問題，設(shè)計了一種移動機(jī)器人的快速續(xù)能站，采用自動更換電池的續(xù)能方式，在盡量減少機(jī)器人停留時間的基礎(chǔ)上，盡可能增加蓄電池組數(shù)量、減小其占地面積，且工作過程簡單，易于實現(xiàn)。

1 續(xù)能站機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1 續(xù)能站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)移動機(jī)器人的續(xù)能要求和續(xù)能方式，續(xù)能站系統(tǒng)需具備以下3個基本功能:

(1)新舊電池的快速切換。設(shè)計目標(biāo)是盡量減少機(jī)器人的等待時間，快速高效地完成新舊電池的位置切換。

(2)新舊電池的快速更換。即拉出機(jī)器人內(nèi)部舊電池，并將充滿電的新電池推入機(jī)器人內(nèi)部。

(3)舊電池的充電。續(xù)能站應(yīng)具備充電站功能，在續(xù)能站待機(jī)狀態(tài)下將舊電池進(jìn)行充電，以備更換使用。

為了實現(xiàn)機(jī)器人的全自主續(xù)能，設(shè)計了電池箱，如圖1所示。將蓄電池放入電池箱內(nèi)，電池充電觸點與電池箱正后方的接觸觸點相連接，當(dāng)接觸觸點與機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)連接時，電池箱為機(jī)器人供電;當(dāng)接觸觸點與續(xù)能站充電裝置連接時，充電裝置為蓄電池充電。

圖1 電池箱結(jié)構(gòu)示意圖

自動更換電池的續(xù)能站系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由切換裝置和推拉裝置兩部分組成。切換裝置采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn)，使圓盤上相應(yīng)位置對準(zhǔn)泊位機(jī)器人。圓盤上設(shè)有電池組充電位，可對舊電池進(jìn)行充電。推拉裝置采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了能夠攜帶電池組的終端執(zhí)行器，其在驅(qū)動單元的驅(qū)動下可實現(xiàn)水平方向和垂直方向運動，完成電池組的取放功能。切換裝置和推拉裝置在主控計算機(jī)的控制下協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)自動更換電池功能。

圖2 續(xù)能站機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 切換裝置設(shè)計

為了解決續(xù)能站占地面積大的問題，同時盡可能增加備用電池組數(shù)量，將切換裝置設(shè)計為轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 切換裝置示意圖

切換裝置主要包括傳動單元和轉(zhuǎn)盤兩部分。傳動單元主要由電機(jī)、編碼器和同步帶等構(gòu)成，用于精確控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度和角度。轉(zhuǎn)盤表面均勻分布5個位置:2個空位和3個充電位，5個位置上分別安裝接近開關(guān)，用來檢測各個位置是否有電池置入。2個相鄰空位分別為中轉(zhuǎn)位和電池位，中轉(zhuǎn)位用來暫時放置從機(jī)器人中拉出的舊電池，電池位用來放置充滿電的電池組，轉(zhuǎn)盤只需旋轉(zhuǎn)一定角度即可將充滿電的電池組對準(zhǔn)泊位機(jī)器人，大大降低了電池組的切換時間。

步進(jìn)電機(jī)通過同步帶實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的傳動。由于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量較大，轉(zhuǎn)動時有較大慣性，為滿足更換電池對轉(zhuǎn)盤停止精度的要求，在轉(zhuǎn)盤中軸安裝了電磁式制動器，并基于開關(guān)量信號進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)妆P轉(zhuǎn)動動作完成時，能瞬間抱死圓盤中軸，保證了轉(zhuǎn)盤較高的定位精度。

舊電池組箱通過鎖緊裝置鎖緊在充電位中進(jìn)行充電。電池箱通過彈簧與充電位后方擋板上的充電觸點壓緊接觸充電，為此設(shè)計鎖緊裝置將電池組鎖緊在充電位中。鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。電池箱卡槽可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)充電位無電池箱時，其在拉簧和平衡線的作用下處于水平位置，此時拉簧處于平衡狀態(tài);當(dāng)電池箱在推拉裝置的推動下進(jìn)入充電位時，電池箱卡槽被抬起，拉簧處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)電池組箱伸出柱卡入卡槽中時推拉裝置停止推電池動作，此時，電池箱接觸觸點與充電位充電觸點壓緊接觸，完成舊電池充電。

圖4 鎖緊裝置示意圖

1.3 推拉裝置設(shè)計

推拉裝置如圖5所示，采用水平－垂直正交的移動懸臂式結(jié)構(gòu)，垂直模組可沿著水平模組導(dǎo)軌前后移動，終端執(zhí)行器可沿著垂直模組導(dǎo)軌上下移動。水平模組和垂直模組均使用直流微電機(jī)驅(qū)動，直流電機(jī)直接通過聯(lián)軸器和模組相連。水平模組和垂直模組分別安裝光電開關(guān)，用于檢測垂直模組和終端執(zhí)行器是否運動到位。

圖5 推拉裝置示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 續(xù)能站控制流程

機(jī)器人感知到自身能量不能保證繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時，自主移動到蓄能站，停泊在指定位置，為續(xù)能做好準(zhǔn)備工作。更換電池時，更換裝置的中轉(zhuǎn)位對準(zhǔn)機(jī)器人電池組箱，且已從充電位中選好滿電電池放置在電池位。推拉裝置首先將機(jī)器人內(nèi)部電池取出放置在中轉(zhuǎn)位，放下電池組箱后后退，以防轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時和推拉裝置終端執(zhí)行器發(fā)生碰撞。轉(zhuǎn)盤在電機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，將電池位對準(zhǔn)機(jī)器人電池倉，在機(jī)器人和轉(zhuǎn)盤之間安裝有光電傳感器，以檢測兩者是否對準(zhǔn);之后推拉裝置將電池位的電池組送入機(jī)器人內(nèi)部，后退回轉(zhuǎn)盤上方，完成對機(jī)器人電池的更換。動作完成之后機(jī)器人檢測電池電壓，如果正常連接則告知續(xù)能站，并接通電池供電開關(guān)，否則，要求續(xù)能站調(diào)整置入電池組的位置。最后機(jī)器人解鎖，離開續(xù)能站，返回到先前中斷的任務(wù)。

機(jī)器人離開后，續(xù)能站完成后續(xù)工作，將中轉(zhuǎn)位電池放入空的充電位中充電。相應(yīng)動作為推拉裝置先將中轉(zhuǎn)位電池取出移動到轉(zhuǎn)盤中心位置以便轉(zhuǎn)盤運動，然后轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)將空的充電位轉(zhuǎn)至推拉裝置正前方，繼而推拉裝置將電池組置入。最后推拉裝置退回轉(zhuǎn)盤中心，同時轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)仍將中轉(zhuǎn)位對準(zhǔn)機(jī)器人到來方向。此時續(xù)能站完成全部續(xù)能工作，進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待下一次續(xù)能任務(wù)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

續(xù)能站的控制系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。控制系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)組成，其中上位機(jī)與下位機(jī)通過RS232接口通訊。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

上位機(jī)以嵌入式工控機(jī)作為主控單元，主要控制水平、豎直絲杠伺服電機(jī)，檢測位置傳感器信息，實時測量轉(zhuǎn)盤各充電位電池電量并根據(jù)電壓值決策轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動目標(biāo)位置，通過RS232接口向下位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動命令并接收轉(zhuǎn)盤位置傳感器信息。

水平垂直絲杠限位傳感器選用電磁式接近開關(guān)，檢測距離4 mm，響應(yīng)頻率1.5 kHz，可以安全可靠地用于水平、豎直絲杠滑塊的極限位置限定，確保設(shè)備的安全。水平、豎直絲杠限位接近開關(guān)信號線接入IO控制板數(shù)字量通道，實時反饋絲杠極限位置信息。轉(zhuǎn)盤充電位電壓信號接入IO控制板模擬量通道，中值濾波后，提供給工控機(jī)用于調(diào)度控制。基于總線結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制驅(qū)動板將工控機(jī)的控制指令轉(zhuǎn)換為電壓信號提供給伺服電機(jī)，并將伺服電機(jī)編碼器位置反饋信號反饋給工控機(jī)。

下位機(jī)系統(tǒng)主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的運動控制，包括單片機(jī)、伺服驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)及其傳感器。單片機(jī)作為下位機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其不斷接收并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的控制命令，并將轉(zhuǎn)盤位置信息反饋給工控機(jī)。

為了提高圓盤運轉(zhuǎn)控制的穩(wěn)定性，選用等角度恒力矩細(xì)分驅(qū)動器作為底盤步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)低速運行平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪聲。

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計方案，制作移動機(jī)器人快速續(xù)能站樣機(jī)并進(jìn)行續(xù)能實驗，如圖7所示。

圖7(a)模擬已泊位機(jī)器人內(nèi)部電池組箱，此時中轉(zhuǎn)位對準(zhǔn)機(jī)器人電池組箱，電池位備有滿電電池組箱;圖7(b)中，推拉裝置的終端執(zhí)行器伸入電池組箱，通過電池箱橫梁抬起電池組箱;圖7(c)中，推拉裝置的垂直模組沿水平模組導(dǎo)軌向后移動至水平后限位開關(guān)位置，終端執(zhí)行器沿垂直模組導(dǎo)軌向下移動，將舊電池組箱放到中轉(zhuǎn)位，垂直模組后退至安全位置;圖7(d)中，轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)72°，將安放有滿電電池的電池位對準(zhǔn)泊位機(jī)器人;圖7(e)中，終端執(zhí)行器伸入滿電電池組箱，將其抬起;圖7(f)中，垂直模組沿水平模組導(dǎo)軌向前移動至水平前限位開關(guān)位置，終端執(zhí)行器沿垂直模組導(dǎo)軌向下移動，將滿電電池組箱放到機(jī)器人內(nèi)部電池位，完成新舊電池的更換。

圖7 續(xù)能站電池更換全過程

當(dāng)機(jī)器人離開續(xù)能站后，推拉裝置和切換裝置協(xié)同工作將舊電池組箱從中轉(zhuǎn)位移入充電位，為其充電，并時刻檢測電池位是否有充滿電電池組箱，如果有滿電電池組箱，則將滿電電池組箱移入電池位，為下一次機(jī)器人電池更換做準(zhǔn)備。

由此可見，該續(xù)能站續(xù)能時間即為更換電池過程時間，大大減少了機(jī)器人停留時間。通過對更換電池過程的大量實驗表明，該續(xù)能站的續(xù)能時間約為32 s。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種快速自動續(xù)能站系統(tǒng)，給出了續(xù)能站系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)具有如下顯著特點:(1)通過將傳統(tǒng)續(xù)能站的水平方向移動的切換裝置設(shè)計為能夠旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，使其在相同數(shù)量電池組的情況下大大節(jié)省了占地面積;(2)該系統(tǒng)的推拉裝置和切換裝置協(xié)同工作實現(xiàn)機(jī)器人電池組的更換，更換時間短，大大減少了機(jī)器人的停留時間;(3)只需改變續(xù)能站機(jī)構(gòu)的尺寸，即可將該系統(tǒng)推廣到小型蓄電池驅(qū)動的車輛續(xù)能上，如電動觀光車、電動巡邏車等，這也是課題組下一步的工作方向之一。

【1】MILO C S，DAN N，BOYOON J，et al.Staying Alive:a Docking Station for Autonomous Robot Recharging[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Washington D.C，2002:1050－1055.

【2】GREY WALTER W.The Living Brain[M].New York:W.W.Norton，1963.

【3】SILVERMAN M C，NIES D，JUNG B，et al.Staying Alive:a Docking Station for Autonomous Robot Recharging[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics ＆ Automation，Washington DC，2002(1):1050－1055.

【4】譚益松.家用保安機(jī)器人智能充電系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

【5】ROH S，PARK J H.Flexible Docking Mechanism Using Combination of Magnetic Force with Error-Compensation Capability[C]//4th IEEE Conference on Automation Science and Engineering，Washington DC，USA，2008:697－702.

【6】BABA K.Battery Changer.US 2006/0214634A1[P].2006－09－28.

【7】WU Yicheng，TENG Mingchang，TSAI Yijeng.Robot Docking Station for Automatic Battery Exchanging and Charging[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Thailand:Bangkok，2009:1043－1046.