李宇鴻 韓麗麗 張慶港 蔣圓

摘 要：基于工業(yè)4.0中智能物流的理念，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置。物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人是物流業(yè)面向高效、智能方向的產(chǎn)物，而物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置是對(duì)物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人以無線充電技術(shù)進(jìn)行充電，將物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人與無線傳能兩種新興技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到“個(gè)性化充電”、“高效快充”等效果，并且可實(shí)現(xiàn)物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人“無電池化”的效果；該裝置體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，能夠滿足當(dāng)下智能物流倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)于充電裝置的需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人；無線充電技術(shù)；個(gè)性化充電；無電池化

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0030-05

Abstract： Based on the concept of intelligent logistics in Industry 4.0， the team developed a wireless charging device for logistics storage robot. Logistics storage robot is the product of logistics industry facing high efficiency and intelligent direction， and the wireless charging device of logistics storage robot is to charge the logistics storage robot with wireless charging technology. The logistics storage robot and wireless energy transmission technology are combined to achieve the effect of "personalized charging" and "efficient quick charging"， and the effect of "non-battery" logistics storage robot can be realized. The device has the advantages of small size， simple structure and convenient use， and can meet the demand of the current intelligent logistics storage for the charging device.

Keywords： Industry 4.0； logistics storage robot； wireless charging technology； personalized charging； battery free

引言

由于物流行業(yè)的快速發(fā)展，物流行業(yè)的勞動(dòng)力正不可避免的成為一種稀缺資源，傳統(tǒng)物流倉(cāng)儲(chǔ)正在向智能化倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，通過以機(jī)器人代替人力達(dá)到實(shí)現(xiàn)減少時(shí)間、減少勞動(dòng)力負(fù)擔(dān)的效果。但現(xiàn)有的物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人采用有線充電的方式，充電效率低、沖電時(shí)間較長(zhǎng)，占用空間大，同時(shí)頻繁拔插電源電線不僅會(huì)造成設(shè)備的老化問題，嚴(yán)重的還會(huì)造成漏電、火災(zāi)等安全事故問題?；谝陨稀巴袋c(diǎn)”分析，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)：（1）無外接導(dǎo)電點(diǎn)，避免觸電危險(xiǎn)、避免機(jī)械磨損；（2）“邊走邊充”，提高物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人工作效率；（3）減少電池體積，最終實(shí)現(xiàn)無電池化，減少電池帶來的環(huán)境污染問題；（4）“一對(duì)多”的“個(gè)性化”無線快充。

充電自動(dòng)化、快速化以及無線化演進(jìn)契合物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人智能化、自動(dòng)化以及無電池化的發(fā)展趨勢(shì)。減少了物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人傳統(tǒng)有線充電排隊(duì)浪費(fèi)的時(shí)間，提高了工作效率，減少了人力、物力的損耗，真正實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流的智能化、無人化。隨著物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人以及無線充電技術(shù)的發(fā)展，物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置將會(huì)迎來巨大的發(fā)展契機(jī)。

1 裝置整體概述

本項(xiàng)目研究目標(biāo)為將物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人與無線充電技術(shù)兩種新興技術(shù)相結(jié)合，通過在物流倉(cāng)庫(kù)鋪設(shè)固定線圈軌道，對(duì)物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人進(jìn)行固定運(yùn)行軌道編程，使物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人在軌道上運(yùn)行時(shí)達(dá)到“邊走邊充”、“個(gè)性化充電”以及“一對(duì)多”充電等效果，真正實(shí)現(xiàn)物流倉(cāng)儲(chǔ)智能化、無人化、節(jié)能化。

物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電節(jié)能裝置是將智能化物流倉(cāng)儲(chǔ)與無線充電技術(shù)這兩種新興技術(shù)相結(jié)合，可以廣泛應(yīng)用于智能化物流倉(cāng)儲(chǔ)中的一種充電裝置。

該物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電節(jié)能裝置采用的是磁耦合共振原理[1]，這種方式需要分別由感應(yīng)線圈組成的發(fā)射和接收兩個(gè)共振系統(tǒng)。通過調(diào)整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一頻率振蕩，產(chǎn)生的非輻射磁場(chǎng)在兩個(gè)線圈間形成一種能量通道。經(jīng)過發(fā)生多次共振，發(fā)射端將能量通過能量通道傳輸?shù)浇邮斩耍ㄟ^電場(chǎng)到磁場(chǎng)再到電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，未被接收的能量被發(fā)射端重新吸收[2-3]。

與傳統(tǒng)物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的有線充電方式相比，該裝置采用無線充電的方式給物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人供電，物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人在運(yùn)輸?shù)倪^程中可以“邊走邊充”，因此大大縮小了電池的體積，理想狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)“無電池化”，電池的體積與傳統(tǒng)物流小車電池體積相比將縮小50%-100%[4-5]，同時(shí)也縮小了物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的體積，讓物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人跑起來更加輕便靈活，提高了物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的工作效率。

當(dāng)前物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的引導(dǎo)方式主要有電磁感應(yīng)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)以及磁鐵-陀螺引導(dǎo)，三種引導(dǎo)方式都是通過規(guī)定好物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的工作路線來實(shí)現(xiàn)的[6-7]。物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置需要在該路線下方鋪設(shè)感應(yīng)線圈軌道，在物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人內(nèi)部加裝無線充電感應(yīng)裝置。此感應(yīng)裝置可以自動(dòng)識(shí)別不同設(shè)備和用電情況進(jìn)行“個(gè)性化充電”。最終通過該無線充電裝置，達(dá)到節(jié)省人力和物力，提高效率，實(shí)現(xiàn)真正的無人化、智能化、節(jié)能化倉(cāng)儲(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)方案

物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電節(jié)能裝置主要包括[8-12]以下幾個(gè)部分：工頻220V交流輸入，高頻功率源，發(fā)射線圈，接收線圈，高頻整流電路，反饋控制電路，物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人電池，如圖3所示。其基本工作原理為：系統(tǒng)從電網(wǎng)獲得電能，經(jīng)整流濾波和高頻逆變后產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)功率放大電路和阻抗匹配電路送至發(fā)射線圈，當(dāng)發(fā)射線圈的自諧振頻率與系統(tǒng)頻率相同時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生耦合，從而實(shí)現(xiàn)電能到磁能的傳輸。接收線圈中的電能經(jīng)整流濾波和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路為機(jī)器人電池提供電能。同時(shí)系統(tǒng)通過反饋控制環(huán)節(jié)來保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

2.1 高頻逆變器設(shè)計(jì)

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖3為典型的E類高頻逆變器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，理論轉(zhuǎn)換效率為100%，實(shí)際可以做到96%左右[13]。開關(guān)管T采用MOS管，L0為大電感，為負(fù)載網(wǎng)絡(luò)提供恒流；C0為包括MOS管的結(jié)電容和外加電容，輔助實(shí)現(xiàn)諧振，使MOS管零電壓開通；C、L和R構(gòu)成諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。

穩(wěn)態(tài)下工作的變換器，其工作模態(tài)可以大致分為四個(gè)階段[17]，如圖4所示。

（2）QL參數(shù)設(shè)計(jì)

開關(guān)管T從關(guān)斷到開通的過程中，漏極電壓會(huì)隨著負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的瞬變響應(yīng)以及電容C0的變化而變化。

利用負(fù)載阻尼系數(shù)公式[14]：QL=ωL/R，

當(dāng)QL過低時(shí)，開關(guān)管的漏極電壓在關(guān)斷時(shí)為下降到零，從而導(dǎo)致電壓和電流過大，燒壞開關(guān)管；當(dāng)QL過高時(shí)，開關(guān)管會(huì)在關(guān)斷時(shí)下降到負(fù)值以下，從而可能會(huì)造成開關(guān)管反向擊穿。綜上所述，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，QL應(yīng)取5-10。

2.2 線圈形狀設(shè)計(jì)

無線充電當(dāng)中最常用的有兩種線圈，一種是平面盤式的，一種是空間螺旋式的[16]。如圖5所示?？紤]到倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的實(shí)際情況，我們一般采用平面盤式結(jié)構(gòu)（節(jié)省空間，便于安裝）。

用精密阻抗分析儀測(cè)得線圈內(nèi)阻大約為1.5Ω，自諧振頻率為25MHz，考慮到系統(tǒng)頻率為2MHz，因此在線圈一端串聯(lián)一陶瓷電容，將其諧振頻率調(diào)到2MHz左右。

2.3 整流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

由于在動(dòng)態(tài)充電過程中接收線圈的電壓波動(dòng)較大，因此應(yīng)選用較寬范圍的穩(wěn)壓模塊[17]，本裝置中采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NI）生產(chǎn)的穩(wěn)壓器LM22676-5.0，該芯片輸入電壓范圍較大（8V-42V），輸出穩(wěn)壓5.0V，輸入電流最大可達(dá)3A。具體整流和穩(wěn)壓電路如圖6所示。

其中接收線圈為RX，采用全橋整流電路，整流二極管型號(hào)為1N5819；穩(wěn)壓電路中具體參數(shù)為：輸入電壓Vin為8V-42V，穩(wěn)壓器采用LM22626-5.0，C1=150uF（電解電容），C2=1uF，電壓采樣電阻R1=1kΩ，R2=2.87kΩ，R3=100kΩ，電感L=10μH，電容Cb=10nF，Z為肖特基穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為100V，輸出濾波電容Cout=68μF，負(fù)載為物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 工作原理及性能分析

3.1 諧振耦合無線電能傳輸原理

諧振耦合無線電能傳輸利用近場(chǎng)磁耦合共振[18]，憑借線圈之間共振磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量“通道”，將電能轉(zhuǎn)換到磁能再到電能，未共振的線圈將不會(huì)吸收能量，未被吸收的能量會(huì)被發(fā)射線圈重新吸收，根據(jù)理論分析，最大程度提高了能量的利用率。

該物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置以兩諧振線圈系統(tǒng)為模型，分析諧振耦合無線電能傳輸?shù)幕驹?。完整的兩諧振線圈模型如圖7所示。

3.2 電磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)

（1）諧振與非諧振的比較

仿真結(jié)果如圖8所示。當(dāng)物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人無線充電裝置中的無線發(fā)射線圈和接收線圈處于非諧振狀態(tài)時(shí)，由磁場(chǎng)分布可以看出，發(fā)射線圈的能量基本不能傳輸?shù)浇邮站€圈；而當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈處于諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率可以達(dá)到很高，這與直觀的概念相符合，即共振能夠高效的傳輸能量。

（2）諧振線圈諧振頻率的確定

諧振線圈諧振頻率的確定目前還沒有有效的解析方法來確定，有限元分析則提供了很好的方法。以單個(gè)螺旋線圈為例，用HFSS軟件仿真得到的S參數(shù)曲線如圖9所示，根據(jù)圖9的S參數(shù)幅值的最大值可以確定線圈的固有頻率[19]。此方法可為本裝置線圈的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，避免通過實(shí)驗(yàn)的方法反復(fù)測(cè)量和設(shè)計(jì)造成時(shí)間的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目可以隨著智能化倉(cāng)儲(chǔ)的熱潮，積極與現(xiàn)有的智能化物流倉(cāng)儲(chǔ)示范倉(cāng)庫(kù)相結(jié)合，通過建立智能化倉(cāng)儲(chǔ)無線充電試點(diǎn)的方式，證明其具有的巨大商業(yè)價(jià)值，然后隨著智能化物流倉(cāng)儲(chǔ)的普及大幅推廣到全國(guó)及世界各地。

倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無線充帶裝置的研究突破了現(xiàn)有的對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流小車有線充電的傳統(tǒng)模式，使“隔空充電”、“邊走邊充”、“一對(duì)多”充電等成為了現(xiàn)實(shí)。并通過已有的數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以確定出倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無線充電裝置的實(shí)現(xiàn)性非常高。巨大的商業(yè)價(jià)值以及隨著智能物流的發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無線充電裝置的研發(fā)會(huì)帶動(dòng)物流業(yè)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展，在不久的未來，無線充電技術(shù)也將更多的運(yùn)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域之中。

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