一种机器人的无线充电方法与流程

1.本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种机器人的无线充电方法。


背景技术：

2.目前，机器人作为世界上先进的智能机器设备被广泛应用在制造、勘测、救援和生活等领域，发达国家对机器人技术的研发随着科技水平的提高也愈加积极，在机器人的操作使用过程中，充电的频繁插拔对增加使用的人力成本，而且续航作为其可长时间稳定运行的关键也被学者们所关注。为此，学者们提出针对机器人的无线充电方法，然而，目前大多数的机器人无线充电都是将一个接收线圈（比如一个盘式线圈）设置在机器人上，在发射线圈和接收线圈近距离传输时，mc-wpt系统会存在频率分裂现象，造成感生电流可能不满足预期的情况，而远距离传输时，mc-wpt系统的传输功率较低，现有技术没有考虑到发射线圈和接收线圈之间的不同传输距离对传输功率的影响，目前还没有针对发射线圈和接收线圈之间的不同传输距离选用不同的接收线圈进行无线传能的方案。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种机器人的无线充电方法，具体技术方案如下：一种机器人的无线充电方法，采用无线充电系统进行无线充电，所述无线充电系统包括发射端装置和设置在机器人上的接收端装置；所述发射端装置包括无线充电发射线圈，所述发射端装置与外部电源连接；所述接收端装置包括无线充电接收线圈、开关、测距单元、控制单元，所述无线充电接收线圈包括第一接收线圈、第二接收线圈、以及所述第一接收线圈和所述第二接收线圈连通后形成的双重接收线圈，所述开关用于控制所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、以及所述双重接收线圈的开闭，包括以下步骤：s1：通过所述测距单元测量无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离；s2：根据所述测距单元测得的距离，所述控制单元按照预设策略从所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、所述双重接收线圈中确定出目标接收线圈，并控制所述开关接通所述目标接收线圈，使得能量从所述无线充电发射线圈传递到所述目标接收线圈。
4.优选地，所述控制单元按照预设策略从所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、所述双重接收线圈中确定出目标接收线圈包括：所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第一预设距离且小于第二预设距离时，所述目标接收线圈为所述第一接收线圈；所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第二预设距离且小于第三预设距离时，所述目标接收线圈为所述第二接收线圈；所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第三预设
距离时，所述目标接收线圈为所述双重接收线圈。
5.优选地，所述无线充电发射线圈为盘式线圈。
6.优选地，所述第一接收线圈为盘式线圈，所述第二接收线圈为螺旋式线圈。
7.优选地，所述双重接收线圈包括所述第一接收线圈的外端点与所述第二接收线圈的下端点连接后形成的具有筒状的筒状部以及位于该筒状部的轴向方向一侧端部的开口处的底部。
8.优选地，所述第一接收线圈与所述第二接收线圈的直径相等。
9.优选地，所述第一接收线圈竖直设置在所述机器人的侧面，所述第二接收线圈设置在所述机器人的侧面，且所述第二接收线圈的轴向方向沿所述机器人横向设置。
10.优选地，所述测距单元基于互感测距方法来检测无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的距离。
11.本发明的有益效果为： 本发明在机器人上设置了第一接收线圈和第二接收线圈这两个接收线圈，这两个接收线圈可形成第一接收线圈、第二接收线圈、以及双重接收线圈这三种形式的接收线圈，根据无线充电发射线圈和无线充电接收线圈之间的不同距离，从以上三种接收线圈中选择出对应的接收线圈接收无线充电发射线圈传来的能量，改善了近距离传输时，由于mc-wpt系统存在频率分裂现象导致的感生电流可能不满足预期的情况，同时也改善了远距离传输时，mc-wpt系统的传输功率较低的情况，提升了无线充电发射线圈和无线充电接收线圈之间的传输功率。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
13.图1为本实施例提供的无线充电系统的原理示意图；图2为本发明的流程示意图；图3为本实施例提供的一种第一接收线圈的示意图；图4为本实施例提供的一种第二接收线圈的示意图；图5为本实施例提供的一种双重接收线圈的示意图；图6为本实施例提供的一种三种磁耦合机构的互感与传输距离之间的关系曲线；图7为本实施例提供的一种三种磁耦合机构的传输效率与传输距离之间的关系曲线；图8为本实施例提供的一种三种磁耦合机构的副边线圈感应出的副边电流与传输距离之间的关系曲线；图9为本实施例提供的一种利用开关在三种磁耦合机构感应副边电流的交点处切换选择合适磁耦合机构来进行功率传输的开关切换点与副边电流优化后曲线。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和
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包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
16.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
17.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
18.本发明的具体实施方式提供了一种机器人的无线充电方法，采用无线充电系统进行无线充电，如图1所示，所述无线充电系统包括发射端装置和设置在机器人上的接收端装置；所述发射端装置包括无线充电发射线圈，所述发射端装置与外部电源连接；所述接收端装置包括无线充电接收线圈、开关、测距单元、控制单元，所述无线充电接收线圈包括第一接收线圈、第二接收线圈、以及所述第一接收线圈和所述第二接收线圈连通后形成的双重接收线圈，所述开关用于控制所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、以及所述双重接收线圈的开闭，如图2所示，包括以下步骤：s1：通过所述测距单元测量无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离；s2：根据所述测距单元测得的距离，所述控制单元按照预设策略从所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、所述双重接收线圈中确定出目标接收线圈，并控制所述开关接通所述目标接收线圈，使得能量从所述无线充电发射线圈传递到所述目标接收线圈。
19.通过上述方案，在机器人上设置了第一接收线圈和第二接收线圈这两个接收线圈，这两个接收线圈可形成第一接收线圈、第二接收线圈、以及双重接收线圈这三种形式的接收线圈，根据无线充电发射线圈和无线充电接收线圈之间的不同距离，从以上三种接收线圈中选择出对应的接收线圈接收无线充电发射线圈传来的能量，改善了近距离传输时由于mc-wpt系统存在频率分裂现象导致的感生电流可能不满足预期的情况，同时也改善了远距离传输时mc-wpt系统的传输功率较低的情况，提升了无线充电发射线圈和无线充电接收线圈之间的传输功率。
20.所述控制单元按照预设策略从所述第一接收线圈、所述第二接收线圈、所述双重接收线圈中确定出目标接收线圈包括：所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第一预设距离且小于第二预设距离时，所述目标接收线圈为所述第一接收线圈；所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第二预设距离且小于第三预设距离时，所述目标接收线圈为所述第二接收线圈；所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈之间的距离大于等于第三预设距离时，所述目标接收线圈为所述双重接收线圈。
21.在本实施例中，双重接收线圈相比于单个的第一接收线圈、单个的第二接收线圈来说具有更大的自感，当在同等距离条件下，无线充电发射线圈与双重接收线圈的互感值
也会大大增加，对于远距离传输时可以更好的提高机器人无线充电的充电效率和抗偏移能力；而当近距离传输时，为了防止双重接收线圈出现的因频率分裂现象导致的传输功率降低的情况，使用单个的第一接收线圈、或单个的第二接收线圈进行工作，可以维持高等级传输功率。
22.其中，无线充电发射线圈为盘式线圈。第一接收线圈为盘式线圈，所述第二接收线圈为螺旋式线圈。参见图3、图4、图5，图3为第一接收线圈的示意图，图4为第二接收线圈的示意图，图5为双重接收线圈的示意图。
23.双重接收线圈包括所述第一接收线圈的外端点与所述第二接收线圈的下端点连接后形成的具有筒状的筒状部以及位于该筒状部的轴向方向一侧端部的开口处的底部。第一接收线圈与所述第二接收线圈的直径相等。
24.第一接收线圈竖直设置在所述机器人的侧面，所述第二接收线圈设置在所述机器人的侧面，且所述第二接收线圈的轴向方向沿所述机器人横向设置。将无线充电接收线圈设置在机器人的侧面，对应的无线充电发射线圈也是竖向设置。机器人在电量不足需要充电时，自主移动到发射端装置所在处，由于机器人每次停靠的位置可能与发射端装置距离不同，导致无线充电接收线圈与无线充电发射线圈的传输距离不同，所以本实施例中根据不同传输距离选择不同的接收线圈，以提高传输功率。将第一接收线圈和第二接收线圈安装在机器人侧面，提升了无线充电接收线圈的等效面积和等效匝数，可较大限度的利用空间优势，本实施例的双重接收线圈具有多匝数、大等效面积的优点，mc-wpt系统随着距离的增加，磁场强度减弱的性能由多匝数、大等效面积进行弥补，也就是说，双重接收线圈产生互感的能力会大于单个的接收线圈。
25.测距单元基于互感测距方法来检测无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的距离。由磁场源（无线充电发射线圈）产生交变磁场，在测量点处放置无线充电接收线圈，其中就会产生感应电动势，感应电动势的大小可以测量。改变无线充电接收线圈与无线充电发射线圈的距离，感应电动势的大小就会随之改变。因此找出它们的函数关系,就可以根据感应电动势的大小来得到两线圈之间的距离。
26.第一预设距离、第二预设距离、第三预设距离可以根据实际情况进行设置，下文的图9对应的内容给出了第一预设距离、第二预设距离、第三预设距离的一种例子。
27.为研究新型磁耦合机构（也即无线充电发射线圈采用盘式线圈，无线充电接收线圈采用双重接收线圈）的能效特性与抗偏移特性，将新型磁耦合机构与单一盘式磁耦合机构（也即无线充电发射线圈采用盘式线圈，无线充电接收线圈采用盘式接收线圈）和单一螺旋式磁耦合机构（也即无线充电发射线圈采用盘式线圈，无线充电接收线圈采用螺旋式接收线圈）进行对比，无线充电发射线圈均采用盘式结构。基于仿真软件comsol建立盘式-盘式磁耦合机构、盘式-螺旋式磁耦合机构和盘式-新型磁耦合机构的物理模型并仿真，其线圈几何参数根据一种家居小型机器人的尺寸进行设置，具体如表1所示。
28.表1
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线圈几何参数设置序号参 数数 值1一次侧线圈匝数132一次侧线圈内径0.01m3一次侧线圈匝间距0.004m
4二次侧盘式线圈匝数135二次侧盘式线圈内径0.01m6二次侧盘式线圈匝间距0.004m7二次侧螺旋式线圈匝数108二次侧螺旋式线圈内径0.058m9二次侧螺旋式线圈匝间距0.004m10线圈线半径0.00125m11两线圈间距0.03m将三种磁耦合机构应用在ss拓扑电路中，且副边电路都设置为谐振状态，利用仿真软件simulink建立模型并仿真，电路的电气参数设置如表2所示。
29.表2
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系统电气参数设置序号参 数数 值12直流电源20v13 一次侧电感8.57uh14一次侧补偿电容40.9uf15二次侧盘式结构电感8.57uh16二次侧盘式侧补偿电容40.9uf17二次侧螺旋式结构电感13.9uh18二次侧螺旋式侧补偿电容25.2uf19二次侧新型结构电感32.2uh20二次侧新型侧补偿电容10.9uf21一次侧线圈内阻0.222二次侧线圈内阻0.223负载10利用有限元仿真软件comsol对发射线圈与接收线圈按照表1给出的线圈几何参数进行仿真，对于三种磁耦合机构，将无线充电接收线圈与无线充电发射线圈之间的距离d作为变量来分析不同结构的接收线圈的互感耦合、传输效率与感应副边电流能力。对两线圈不同距离d作为参数变量，以1cm为步长进行参数化扫描，得到三种结构各项能力指标随距离d变化而变化的规律如图6、图7、图8所示。图6为三种磁耦合机构的互感与传输距离之间的关系曲线，从仿真结果可以看出，随着传输距离的增加，三种磁耦合机构的互感值都在下降，但新型磁耦合机构的互感耦合能力始终大于螺旋式磁耦合机构和盘式磁耦合机构。换言之，在相同的最小互感阈值条件下，新型磁耦合机构的可偏移距离最大，也就是其抗偏移能力最大。图7为三种磁耦合机构的传输效率与传输距离之间的关系曲线，从仿真结果可以看出，随着传输距离的增加，三种磁耦合机构的传输效率都在下降，但新型磁耦合机构的传输效率能力始终大于螺旋式磁耦合机构和盘式磁耦合机构。换言之，在相同的传输距离下，新型磁耦合机构的传输效率最高，也就是应用新型磁耦合机构的充电成本最低。当优先考虑传输效率为目标时，将开关闭合，使用新型磁耦合机构进行充电，效果最优。图8为三种磁耦合机构的副边线圈感应出的副边电流与传输距离之间的关系曲线，从仿真结果可以看出，由于mc-wpt系统存在频率分裂现象，在近距离无线充电时，会存在新型磁耦合机构感应
副边线圈电流能力低于单个的盘式磁耦合机构和单个的螺旋式磁耦合机构的能力，也就是近距离传输时，新型磁耦合机构的传输功率可能会达不到预期。对于这种情况，本实施例在新型磁耦合机构、螺旋式磁耦合机构和盘式磁耦合机构的副边电流曲线交点处使用开关来切换磁耦合机构和相应补偿电容的选择，可以使整个mc-wpt系统达到最大传输功率，此时系统始终处于最大功率传输状态。
30.图9给出利用开关在三种磁耦合机构感应副边电流的交点处切换选择合适磁耦合机构来进行功率传输的开关切换点与副边电流优化后曲线。其中示出了开关切换点和优化后副边电流曲线。图9中，示出了当无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的传输距离大于等于1cm且小于2.7cm时无线充电接收线圈采用盘式磁耦合机构，当无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的传输距离大于等于2.7cm且小于3.8cm时无线充电接收线圈采用螺旋式磁耦合机构，当无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的传输距离大于3.8cm时无线充电接收线圈采用新型耦合机构。从图9中优化后副边电流曲线可以看出，此时整个mc-wpt系统始终工作在最佳感应副边电流的工作状态，此时机器人的无线充电可以维持在最大功率传输状态。也可以看出，在三种磁耦合机构的副边电流交点利用开关切换选择合适磁耦合机构及其补偿电容使系统保持最佳功率传输是可行的。当优先考虑传输功率为目标时，控制开关，在不同传输距离条件下使用不同磁耦合机构进行充电，效果最优。
31.本实施例利用comsol有限元仿真软件对三种磁耦合机构进行建模，并对每种磁耦合机构的互感耦合、传输效率、感应副边电流能力等方面进行仿真，得到各项目标能力与传输距离之间的关系曲线。在不同目标条件下，例如优先考虑传输功率、传输效率、抗偏移能力等目标，可根据所需要求，在不同传输距离下利用开关切换来选择不同磁耦合机构及补偿电容进行无线充电。
32.本实施例给出的磁耦合机构结构大小是以选定的小型家居机器人的尺寸为背景，应当理解的是，上述是为了理解本实施例的方案进行的举例，本实施例的方案还可以应用在其他各式尺寸机器人。
33.本实施例提出了一种盘式线圈和螺旋式线圈相结合的二合一新型磁耦合机构（也即双重接收线圈），不同传输距离时选用不同的接收线圈，既能避免近距离范围内的频率分裂现象，也能有效提升远距离范围内的耦合强度，能够有效提升机器人无线充电系统的位置鲁棒性和抗偏移能力。
34.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
35.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
36.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。