無線電能傳輸（WPT）技術作為一種新興技術，其擺脫了傳統(tǒng)電線的束縛，實現(xiàn)了電源與用電設備間的電氣隔離，已成為各領域中研究的熱點。其中，在智能機器人領域，采用該技術可解決其在特殊場合以及極端條件下電能補給困難的問題，從而展現(xiàn)出極大的應用前景。目前，科技工作者已開展了大量研究工作。
在機器人以無線充電方式補給電能方面，主要研究了機器人自主循跡到固定充電站靜態(tài)無線充電和機器人在裝有無線電能發(fā)射導軌的固定路徑上動態(tài)無線取電兩種方式。前者，機器人需要裝載儲能設備，同時應具有循跡到電源站的功能，并且對準確度要求較高；后者，機器人可少量甚至無需安裝儲能設備，即可實現(xiàn)對電能的實時補給，延長了機器人不間斷工作時間。因而，采用動態(tài)無線供電為機器人補給電能的方式研究較為廣泛。
靜態(tài)充電對機器人充電樁位置導航定位和收發(fā)線圈位置對準兩個方面提出了較高要求，增大了系統(tǒng)的控制難度，并且機器人需停止當前工作，工作效率降低。若采用分段式動態(tài)無線供電，雖然能較好地解決上述問題，但是負載側接收功率波動性較大，并且機器人運動路徑上偏移容忍度有限，工作范圍較為固定。可見，目前無線電能傳輸技術的研究在機器人場景電能補給中存在一定的局限性，無法有效滿足機器人在特定應用場景中，對持續(xù)不間斷電能補給的需求。
例如，在群智能行為的研究中，單體機器人間協(xié)同工作模擬自然界中群體動物智能行為，其移動位置往往不可預測，并且持續(xù)工作時間長達數(shù)小時甚至更長時間。可見，該應用場景下機器人工作過程中移動位置具有很大的隨機性，并且對持續(xù)不間斷工作要求較高。顯然，采用目前的靜態(tài)充電以及固定路徑下的動態(tài)無線供電將無法滿足應用需求。
為群智能行為研究和貨物分揀場景中隨機移動的多機器人實時補給電能，滿足其不間斷工作的需求是一個重要問題。省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業(yè)大學）、天津工業(yè)大學天津市電氣裝備智能控制重點實驗室的薛明、楊慶新、章鵬程、郭建武、侯虎，在2022年第24期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于有效耦合區(qū)域定量分析的陣列式電磁發(fā)射模組優(yōu)化設計方法，可滿足機器人在工作區(qū)域任意位置實時補給電能的需求。
圖1陣列式發(fā)射模組結構設計流程
研究人員首先分析了機器人工作過程中存在的三種耦合情形，同時理論推導了每種情形下的輸出功率表達式。其次，以負載額定功率為基準，定義并劃分了系統(tǒng)有效耦合區(qū)域，并利用有限元數(shù)值分析方法對三種激勵模態(tài)下有效耦合區(qū)域進行了定量分析。再次，依據(jù)陣列式發(fā)射模組設計的需遵循的原則，給出了機器人動態(tài)無線供電系統(tǒng)陣列式發(fā)射模組的設計流程以及三種激勵模式下的切換工作流程。
圖2動態(tài)無線供電系統(tǒng)實物
研究人員搭建了基于2×2陣列發(fā)射模組的小型動態(tài)無線供電實驗平臺，通過實驗修正了仿真中有效耦合區(qū)域邊界和陣列線圈排布間隙參數(shù)分析結果，進而驗證了陣列式發(fā)射模組設計方案以及激勵模態(tài)切換工作方法的有效性。實驗結果表明，該陣列式發(fā)射模組結構能夠實現(xiàn)機器人在隨機位置動態(tài)無線補給電能的目的，可有效滿足特定場景的實際應用需求。
他們最后表示，在后續(xù)應用研究中，將以陣列式發(fā)射模組的結構設計為基礎，從LCL和LCC等復合拓撲傳輸特性、機器人位置的精準定位、穩(wěn)定性控制以及高效受電路徑規(guī)劃等方面進一步展開研究，從而完善機器人隨機位置動態(tài)無線供電技術的理論研究體系，指導實際應用。
