一種移動機器人用地埋式充電樁的研究

金郅涵 繆 翼

（國網江蘇省電力有限公司張家港市供電分公司，江蘇蘇州215600）

0 引言

移動機器人是一種具有自行組織、自主運行、自主規劃能力的智能機器人，由于其良好的機動性、靈活性，移動機器人已經被廣泛地應用到了各個行業。移動機器人采用電池供電，且電池容量有限，當其運行一段時間電量降低到一定程度后，需要尋找充電樁及時進行充電。現有機器人充電樁多設立在地面以上的充電室內，整體占地面積大，形象呆板，尤其是對于園林、景區等土地資源緊張，強調風景和諧、美觀的場合不太適用。

本文介紹了一種地埋式自動升降充電樁，很好地解決了上述問題，不僅可實現移動機器人的能源補給，保護充電樁本體，還能節約土地資源、美化環境，具有良好的推廣應用價值。

1 園林機器人概述

根據地形和設備實際情況，本項目園林機器人采用磁軌導航、射頻識別定位方法實現其按照規定路徑的自主移動及定位停靠。磁軌鋪設在景觀園林的人行道兩邊或園林內部，不會影響車輛和人員的正常通行，機器人只在工作時間沿著敷設的軌道移動，非工作時間和充電時間停留在固定艙位。在每個停靠點布置RFID識別模塊，機器人根據任務需要可以在任意停靠點停靠使用，當需要充電時，機器人沿著定軌自主找到距離最近的充電樁充電。

2 地埋式充電樁的設計

2.1 充電樁結構設計

地埋式充電樁主要由地下坑道、電動平移蓋板、充電樁本體、支撐臺、螺桿升降機構、蝸桿傳動機構、升降驅動電機、主控模塊及無線模塊組成，整體結構示意圖如圖1所示。地下坑道與電動平移蓋板配合，容納充電樁本體及升降裝備，為整套系統遮風擋雨；支撐臺固定于螺桿升降機構頂部，用于托載充電樁本體；主控模塊及無線模塊固定于地下坑道靠近頂端的內壁上；升降驅動電機是整個電動升降系統的驅動裝置，通過蝸桿傳動機構與螺桿升降機構相聯。

圖1（b）中，蝸桿傳動機構上表面設有紅外測距傳感器，用于檢測升降機構外筒豎直方向的直線位移，控制充電樁本體上升到合適高度。蝸桿傳動機構上表面亦設有限位開關，當機器人充完電，升降機構外筒下降到初始位置時，控制模塊發出指令，使電動平移蓋板關閉。

螺桿升降機構內部結構如圖2所示，機構主要包括螺桿、螺母及與螺母裝配在一體的外筒，將回轉運動變為直線運動，使得螺桿轉動時，與螺母成為一體的外筒在豎直方向作升降運動。

圖1 整體結構示意圖

圖2 螺桿升降機構剖面圖

2.2 充電樁智能控制原理

地埋式充電樁的電路原理如圖3所示，其中，主控模塊是整個充電樁智能控制的核心，與無線模塊進行雙向交流，接收反映蓋板及升降系統位置的限位開關及紅外測距傳感器的信號，控制電動平移蓋板及螺桿升降機構電機的動作。

圖3 地埋式充電樁電路原理圖

充電樁附近設有RFID標簽，當機器人需要充電、檢測到該標簽后，發射無線信號與地埋式充電樁進行無線通信，充電樁的無線模塊接收到信號并將其發送給主控模塊，主控模塊控制電動平移蓋板內部電機動作打開蓋板。蓋板打開到位后，電動平移蓋板全開位置限位開關被觸發，該信號傳送給主控模塊，主控模塊給升降驅動電機的控制端一個動作信號，電機驅動螺桿升降機構動作，帶動充電樁本體上升。當紅外測距傳感器檢測到充電樁本體上升到合適高度后，發送信號給主控模塊，進而主控模塊輸出信號給升降驅動電機的控制端，使電機停止轉動；與此同時，主控模塊通過無線模塊與機器人通信，使其開始進行對接、充電。充電完成后，機器人充電機構脫離充電座，整套系統進行與上升過程相反的感應控制，使螺桿升降機構帶動充電樁本體隱藏到地面以下。

地埋式充電樁的智能控制流程如圖4所示。

圖4 地埋式充電樁智能控制流程圖

3 結語

本文提出了一種應用于移動機器人充電的地埋式充電樁，充電樁設置在電動升降系統上，通過電動平移蓋板及升降系統的有序配合，可實現根據機器人的充電需求自動出現與消隱。該設計不僅可實現移動機器人的能源補給，保護充電樁本體，延長其使用壽命，還能節約園區土地資源，美化園區。將其與儲能式機器人配合應用在智慧城市、能源小鎮、景觀園林、大型超市、商場中，將大大方便人們的生活與娛樂，因而具有良好的推廣應用價值。