让机器人在任意位置下都能动态无线充电！河北工大学者提出新方法

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无线电能传输（WPT）技术作为一种新兴技术，其摆脱了传统电线的束缚，实现了电源与用电设备间的电气隔离，已成为各领域中研究的热点。其中，在智能机器人领域，采用该技术可解决其在特殊场合以及极端条件下电能补给困难的问题，从而展现出极大的应用前景。目前，科技工作者已开展了大量研究工作。

在机器人以无线充电方式补给电能方面，主要研究了机器人自主循迹到固定充电站静态无线充电和机器人在装有无线电能发射导轨的固定路径上动态无线取电两种方式。前者，机器人需要装载储能设备，同时应具有循迹到电源站的功能，并且对准确度要求较高；后者，机器人可少量甚至无需安装储能设备，即可实现对电能的实时补给，延长了机器人不间断工作时间。因而，采用动态无线供电为机器人补给电能的方式研究较为广泛。

静态充电对机器人充电桩位置导航定位和收发线圈位置对准两个方面提出了较高要求，增大了系统的控制难度，并且机器人需停止当前工作，工作效率降低。若采用分段式动态无线供电，虽然能较好地解决上述问题，但是负载侧接收功率波动性较大，并且机器人运动路径上偏移容忍度有限，工作范围较为固定。可见，目前无线电能传输技术的研究在机器人场景电能补给中存在一定的局限性，无法有效满足机器人在特定应用场景中，对持续不间断电能补给的需求。

例如，在群智能行为的研究中，单体机器人间协同工作模拟自然界中群体动物智能行为，其移动位置往往不可预测，并且持续工作时间长达数小时甚至更长时间。可见，该应用场景下机器人工作过程中移动位置具有很大的随机性，并且对持续不间断工作要求较高。显然，采用目前的静态充电以及固定路径下的动态无线供电将无法满足应用需求。

为群智能行为研究和货物分拣场景中随机移动的多机器人实时补给电能，满足其不间断工作的需求是一个重要问题。省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、天津工业大学天津市电气装备智能控制重点实验室的薛明、杨庆新、章鹏程、郭建武、侯虎，在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于有效耦合区域定量分析的阵列式电磁发射模组优化设计方法，可满足机器人在工作区域任意位置实时补给电能的需求。

图1 阵列式发射模组结构设计流程

研究人员首先分析了机器人工作过程中存在的三种耦合情形，同时理论推导了每种情形下的输出功率表达式。其次，以负载额定功率为基准，定义并划分了系统有效耦合区域，并利用有限元数值分析方法对三种激励模态下有效耦合区域进行了定量分析。再次，依据阵列式发射模组设计的需遵循的原则，给出了机器人动态无线供电系统阵列式发射模组的设计流程以及三种激励模式下的切换工作流程。

图2 动态无线供电系统实物

研究人员搭建了基于2×2阵列发射模组的小型动态无线供电实验平台，通过实验修正了仿真中有效耦合区域边界和阵列线圈排布间隙参数分析结果，进而验证了阵列式发射模组设计方案以及激励模态切换工作方法的有效性。实验结果表明，该阵列式发射模组结构能够实现机器人在随机位置动态无线补给电能的目的，可有效满足特定场景的实际应用需求。

他们最后表示，在后续应用研究中，将以阵列式发射模组的结构设计为基础，从LCL和LCC等复合拓扑传输特性、机器人位置的精准定位、稳定性控制以及高效受电路径规划等方面进一步展开研究，从而完善机器人随机位置动态无线供电技术的理论研究体系，指导实际应用。

本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“机器人随机位置下动态无线供电阵列式发射模组优化设计”。本课题得到国家自然科学基金面上资助项目的支持。

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