一种用于轮腿式机器人的接触式充电控制系统及方法与流程

本发明涉及机器人充电，具体而言，涉及一种用于轮腿式机器人的接触式充电控制系统及方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的飞速发展，轮腿式机器人在各种复杂场景中的应用日益广泛。然而，机器人续航与充电问题一直是制约其高效作业的瓶颈。现有的机器人充电装置通常存在以下不足：首先，高端的非接触式或全自动插拔式充电桩成本高昂且结构复杂，而低成本的接触式充电往往缺乏可靠的安全隔离机制，存在漏电及接触不良的风险；其次，大功率充电过程中会产生较多热量，若散热设计不合理，容易引发电池及充电桩内部器件过温，甚至导致火灾；最后，现有的电池管理系统（bms）通常仅具备二级的mos管切断保护，一旦发生mos管粘连击穿故障，保护机制将完全失效，无法有效应对过压、过流等危险工况。

2、因此，亟需一种低成本、高可靠性、具备完善散热及多级安全保护机制的机器人接触式充电控制系统。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于轮腿式机器人的接触式充电控制系统及方法，通过纯机械下压触发低压电气回路闭合高压充电回路，实现了低成本下的安全接触式充电，并提供了三级脱扣保护和分级散热控制。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种用于轮腿式机器人的接触式充电控制系统，包括充电桩和设于所述轮腿式机器人上的电源分配单元pdu、保护板以及电池组；

4、所述充电桩上设有充电桩正负极导电件、弹性缓冲机构、限位开关和继电器，所述轮腿式机器人底部设有与所述电池组连接的机器人正负极导电件；

5、所述限位开关和所述继电器的线圈串联在所述电源分配单元pdu的供电回路上；所述继电器的主触点串联在所述保护板的充电回路上；

6、当所述轮腿式机器人移动至所述充电桩并在所述充电桩上坐下时，所述机器人正负极导电件与所述充电桩正负极导电件接触，并向下压迫所述弹性缓冲机构使其发生位移，触碰并闭合所述限位开关，使得所述继电器的线圈通电，进而带动所述继电器的主触点闭合，导通所述保护板的充电回路，使所述电源分配单元pdu通过所述保护板为所述电池组充电。

7、进一步地，所述限位开关上设有滚轮，所述弹性缓冲机构包括绝缘板、铜柱和弹簧；

8、所述充电桩正负极导电件为固定在所述绝缘板正面的铜片；所述绝缘板背面设有多个所述铜柱，每个所述铜柱上套设有所述弹簧，所述弹簧的另一端与所述充电桩内的层板连接；

9、当所述轮腿式机器人坐下施加向下压力时，所述弹簧被向下压缩设定行程，所述绝缘板触碰所述限位开关的所述滚轮，使所述滚轮受压产生位移进而闭合所述限位开关。

10、进一步地，所述保护板内设有用于控制充电回路通断的充电mos管，所述控制系统还包括脱扣保护电路，所述脱扣保护电路包括脱扣线圈和串联在所述保护板负极回路上的脱扣常闭触点；

11、所述保护板配置为：在充电过程中，当检测到过压、过流或通信故障，且在所述保护板执行切断所述充电mos管的动作后，若检测到充电电流仍大于或等于0.02c，则判定所述充电mos管发生粘连故障，所述保护板输出电源信号给所述脱扣线圈，使所述脱扣常闭触点断开以切断电池负极回路。

12、进一步地，所述保护板还用于控制所述电池组的充放电均衡过程，具体包括：

13、在恒流充电过程中，若检测到所述电池组中任意两个电池单体之间的压差大于等于50mv且任意一个电池单体电压大于等于3.9v，则开启被动均衡；

14、在所述被动均衡状态下，若检测到任意一个电池单体电压小于3.9v且任意两个电池单体电压之间的压差小于20mv，则关闭被动均衡，转为仅充电状态；

15、在充电过程中，当检测到任意一个电池单体电压达到4.2v时，转为恒压充电，直至充电电流小于0.02c时结束充电。

16、进一步地，所述充电桩内设有与所述电源分配单元pdu连接的散热风扇和温度传感器；

17、当所述温度传感器检测到环境温度大于60℃时，控制所述散热风扇以第一转速工作；当检测到环境温度大于70℃时，控制所述散热风扇以更高的第二转速工作；

18、所述充电桩的两侧设有百叶窗，所述百叶窗内侧设有防虫网，所述散热风扇安装在距离所述百叶窗预设水平距离的位置。

19、进一步地，还包括分别与所述电源分配单元pdu通信连接的第二控制器和第一控制器，以及设于所述轮腿式机器人上的电机mcu；

20、当所述轮腿式机器人在工作状态下需要充电时，所述第二控制器接收远程充电指令并下发至所述电源分配单元pdu，所述电源分配单元pdu通过所述第一控制器控制所述电机mcu，使所述轮腿式机器人回仓充电；

21、当所述轮腿式机器人在非工作状态下需要充电时，响应于所述电源分配单元pdu的开关的触发，系统进行预充上电，若在1秒内检测到预充电压达到电池电压的95%，则判定预充成功并允许执行充电流程。

22、第二方面，本发明还提供了一种用于轮腿式机器人的接触式充电控制方法，应用于上述第一方面所述的接触式充电控制系统，所述方法包括以下步骤：

23、s1、接收充电指令，控制轮腿式机器人识别充电桩并移动至所述充电桩的指定位置；

24、s2、控制所述轮腿式机器人执行坐下动作，通过机器人自身的重力下压所述充电桩上的弹性缓冲机构，以物理方式触发并闭合限位开关；

25、s3、响应于所述限位开关闭合，通过所述电源分配单元pdu的供电回路导通所述继电器的线圈，带动所述继电器的主触点闭合，从而接通所述保护板的充电回路，开始充电；

26、s4、在充电过程中，实时监测电池组的电池单体电压、压差以及充电状态，据此执行被动均衡策略和恒流-恒压充电状态切换；

27、s5、在充电过程中进行安全监测，若检测到保护动作失效导致的异常充电电流，则触发物理脱扣以切断负极回路。

28、进一步地，步骤s4中所述执行被动均衡策略和恒流-恒压充电状态切换，具体包括：

29、在恒流充电期间，若任意两个电池单体压差大于等于50mv且任意一个电池单体电压大于等于3.9v，则开启被动均衡；

30、在所述被动均衡期间，若任意一个电池单体电压小于3.9v且任意两个电池单体压差小于20mv，则关闭被动均衡；

31、当任意一个电池单体电压达到4.2v时，转为恒压充电，直至充电电流小于0.02c时结束充电。

32、进一步地，步骤s5中所述触发物理脱扣以切断负极回路，具体包括：

33、当发生过压、过流或通信故障时，执行切断充电mos管的动作；

34、在执行切断充电mos管的动作后，若检测到充电电流仍大于或等于0.02c，判定所述充电mos管发生粘连故障；

35、输出电源信号至系统的脱扣线圈，断开串联在负极回路上的脱扣常闭触点。

36、进一步地，在步骤s1之前，所述方法还包括：

37、当所述轮腿式机器人在非工作状态下时，响应于开机触发操作，进行系统故障检测；

38、在检测无故障后执行预充上电操作，若在1秒内预充电压达到电池标称电压的95%，则判定上电成功并等待接收所述充电指令。

39、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

40、1、通过机器人自身的重力下压弹簧，物理触发限位开关，利用24v低压电源导通继电器的主触点进而接通60v高压充电回路。该结构简单易行，成本低廉，且确保了在机器人未完全对接时高压触点不带电，大大提高了安全性。

41、2、在传统保护板二级保护失效（即充电mos管发生粘连故障）的极端情况下，创造性地引入了基于脱扣线圈的第三级物理切断保护，实现了充电过程的安全绝对可控。

42、3、采用百叶窗结合内侧防虫网设计，防止虫类进入影响绝缘；通过将散热风扇在水平距离上向内偏移预设距离（如100mm）安装，相较于传统自然冷却方式，显著提升了散热效率，有效避免了舱内高温聚集。

43、4、提供了“边充电边均衡”的精细化策略，根据电池单体的压差和电压动态切换恒流、恒压及被动均衡状态，延长了电池组的使用寿命。