CN102381290A - 一种电池换装机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池换装机器人，包括：底座导轨驱动模块，所述底座导轨驱动模块通过对底座的控制，使换电机器人与电池架平行运动；装卸电池运动模块，通过可以上下移动的电池装卸箱实现对不同高度电池的装卸；激光定位模块，与底座导轨驱动模块配合使得电池换装机器人能够运动到指定的位置；装卸搭桥模块，实现电池换装机器人与电动汽车或电池架的稳定、准确对接；转台电机驱动模块，完成电池装卸箱的旋转动作；整体控制模块，通过微处理器对整体结构进行控制。本发明结构简单，使用方便，能够降低电动汽车在换电池所用的时间，大大提高了效率。

Description

一种电池换装机器人

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种电池换装机器人。

背景技术

环境和能源问题日益严峻，传统燃油汽车环境污染严重，能源消耗大，引起人们越来越多的关注与担忧。电动汽车具有节能、环保的优势，可有效缓解能源资源紧张、大气污染严重等问题。由于电动汽车具有能量转换效率高、舒适干净、噪声低、不污染环境、操作简单可靠及使用费用低等优点，被称为绿色汽车。大力推广电动汽车符合国家能源及环保的长期发展规划, 有利于促进国内能源结构的优化调整和大气环境的改善。低排放、少污染的电动汽车投运对推动节能减排工作, 具有很强的示范性及可推广性, 对于实现城市可持续发展目标具有重大意义。电动汽车已经成为汽车工业发展不可逆转的潮流，其发展将分阶段不断推进。随着技术的不断进步，我国电动汽车应用重点将逐步从公共服务用车、微型电动汽车过渡到电动乘用车，并形成电动汽车发展的市场化机制，实现电动汽车的大规模产业化。在王春光等人的研究基础上，在电池标准统一化、充电站建设结构、电池流通管理、电池充电方式优化等几大方面，就纯电动车电池更换式充电站的建设推广进行了一系列改良式思考。能源供给是电动汽车产业链中的重要环节，能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。目前难以推广的关键问题是电池容量有限与充电时间过长，但是目前存在着的问题恰恰就是电池制造技术、充电技术达不到我们日常使用的要求。电池更换式充电站很好地解决了目前现实中遇到的棘手问题。但是，技术因素、整车价格因素、配套充电设施因素长期以来一直是制约电动汽车普及的重要原因。技术因素将随着时间的推移，科学家、企业们不断的努力而减小。成本方面，电动公交车能源使用成本仅为普通柴油公交车的1 /3～1 /2。经济规模的提升、国家政策的扶持、相对低廉的使用成本有效地缓解了整车价格因素对电动汽车产业带来的制约。在技术和价格的坚冰逐步消融的过程中, 最后一项制约电动汽车产业发展的因素便是配套充电设施的建设。根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性，电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方案的选择，当前纯电动车充电模式主要有：常规充电、快速充电和电池更换三种模式。目前，我国普及电动汽车主要是从公共交通业入手，在一些城市试点，将公交车改为电动汽车。但电动公交车的电池较重，一般都在上百公斤，因此，需要一种换电机器人，它能够快速、平稳、准确的将亏电电池从电动汽车上卸下来并将充满电的电池装入电动汽车中。

发明内容

本发明目的是：提供一种降低了电动汽车在换电池所用的时间，大大提高了效率的电池换装机器人。

本发明的技术方案是：一种电池换装机器人，包括：

底座导轨驱动模块，所述底座导轨驱动模块通过对底座的控制，使换电机器人与电池架平行运动；

装卸电池运动模块，通过可以上下移动的电池装卸箱实现对不同高度电池的装卸；

激光定位模块，与底座导轨驱动模块配合使得电池换装机器人能够运动到指定的位置；

装卸搭桥模块，实现电池换装机器人与电动汽车或电池架的稳定、准确对接；

转台电机驱动模块，完成电池装卸箱的旋转动作；

整体控制模块，通过微处理器对整体结构进行控制。

进一步的，所述底座导轨驱动模块为滚轮导轨驱动装置。

进一步的，所述滚轮导轨驱动装置的滚轮采用小型电机直接驱动。

进一步的，所述装卸电池运动模块包括：可以驱动电池装卸箱垂直于地面上下运动的丝杠升降机构、可以驱动电池装卸箱平行于地面水平运动的丝杠滑块运动机构和位于电池装卸箱内的皮带滚轮机构。

进一步的，所述丝杠升降机构为自锁型蜗轮蜗杆丝杠升降机构。

进一步的，所述丝杠滑块运动机构为循环滚珠螺母型滚珠丝杠。

进一步的，所述激光定位模块包括激光传感器和控制芯片，所述激光传感器与控制芯片相连。

进一步的，所述装卸搭桥模块为顶尖弹簧机构。

进一步的，所述整体控制模块通过可编程逻辑控制器控制其他各模块的动作。

本发明的优点是：

该系统选用现有的电池尺寸，配合自身开发设计的装卸工作台以及周边的各种控制柜和人机交互界面，采用协作控制技术，高效、自动地完成将电池从充电柜到电动车的装取任务。本发明丰富了电动汽车电池充电的技术与方式，适应我国现阶段的发展状况，降低了电动汽车在换电池所用的时间，大大提高了效率和能源的节约，能够迅速、平稳的将亏电电池从电动汽车中取出，并将其放入电池充电架上充电，再从电池充电架上将其它充满电的电池放入电动汽车中，整个过程中保证换电的效率与准确性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为系统工作流程图。

图2为装卸箱内部示意图。

图3为闭环迭代算法框图。

图4为PLC电机控制框图。

图5为电池换装机器人总体结构图。

图6为电池换装机器人总体结构图。

其中：1装卸电池运动模块；2激光定位模块；3转台电机驱动模块；4底座导轨驱动模块；5装载搭桥模块；6皮带滚轮机构；7装卸箱支架；8推出机构；9对接机构。

具体实施方式

实施例：如图5、图6所示的电池换装机器人包括：装卸电池运动模块1，激光定位模块2，转台电机驱动模块3，底座导轨驱动模块4和装载搭桥模块5。底座导轨驱动模块，由于同时有大量的电池同时充电，电池充电架的跨度较大，因此换电机器人要根据电池充电的情况选择合适的电池装入电动汽车中，底座导轨驱动模块通过对底座的控制，使换电机器人与电池架平行运动，到达充满电的电池位置，再运行后面的模块。同时，将亏电电池放入电池架中也需要底座导轨驱动模块相应的动作完成。整个换电机器人全部由底座导轨带动，此模块要保证大的承载力，为了使整个机器人运行的平稳和运行的直线度误差最小，我们使用的是导轨直线运动装置，直线导轨系统需要保证整个底盘要和导轨的定位问题，否则底盘不会按照完全的直线运动，为了减少加工工艺和工作时的配合，本发明只采用单边定位，且要对机器人进行直线运动控制，速度与加速度也要满足一定的要求，加速度满足要在很短的时间内达到速度的提升而不使整个机构和电池之间发生相对运动或者较大的晃动，致使系统的平稳性下降，而最大线速度又要在一定的限度之内，以保证在减速阶段的减速度和减速时间也较小，由于这样的限制，本发明的导轨直线运动采用滚轮导轨驱动，由于载重较大，滚轮直接采用小型电机直接驱动,这样在控制上面得到了简化，以及省去了减速器，进而可以将底盘做的很矮，降低了整个系统的中心，也增加了安全性，并且能够满足驱动力的要求，真正实现了电机直接驱动的直线运动，为本系统的定位打下基础。

装卸电池运动模块

对装卸电池动作再进行细致的分解，该动作主要由三步完成（以从电动汽车中取出亏电电池为例）。

）利用电池装卸箱中的吸盘将电动汽车中的亏电电池的相应位置吸住。

）利用皮带滚轮机构将亏电电池从电动汽车中运载出来。

）电池装卸箱解除与电动汽车的搭桥，并使电池装卸箱回复初始状态。

整个电池装卸箱有三个自由度的动作，三个动作分别由三个机构完成。如图2所示，电池装卸箱包括以下机构：

 1）丝杠升降机构。装卸箱内丝杠升降机构驱动电池装卸箱垂直于地面上下运动，可以实现装卸箱对不同高度电池的装卸，为了使整个机构的灵活性更高，本发明选择双丝杠升降，即左边和右边可以相互分离，分别完成各自的动作，只需将两个丝杠进行分别控制。在选择丝杠升降方面，本发明选择了自锁型蜗轮蜗杆丝杠升降机构，包括蜗杆、蜗轮、螺母、丝杠、鼓形齿，所述螺母采用螺母凹件和螺母凸件相互旋合的整体结构，螺母与丝杠的间隙小；螺母凹件和螺母凸件的旋合是光面定位联接和螺纹联接相结合，保证双螺母旋合精度；螺母凹件的凹进深度大于螺母凸件的凸出高度，留出了调整空间，有利于调整丝杠螺母的间隙；蜗轮副采用二包齿形，包络齿数多，接触面大，承载能力强，自锁性较好。从结构看设计比较合理，工作稳定，负荷能力强，在承受振动载荷情况下自锁效果好，丝杠不易轴向偏位，减少误差，提高升降精度。

）装卸箱内丝杠滑块运动机构。该机构驱动电池装卸箱平行于地面水平运动，使电池装卸箱与电动汽车或电池架完成对接，当激光传感器发出停止命令的时候，就是电池装卸箱发生对接的时候，根据电池架与电动汽车的高度调节后，水平丝杠滑块开始水平向外移动，并与电池架或者汽车的指定位置对接，此时完成了架桥，因为电池是通过架桥完成装卸的，所以架桥部分有一定的刚度，和承载能力，由于丝杠滑块运动机构在进退过程中存在空隙，为了减小控制上的误差，应尽可能的减小空隙，因此本发明采用循环滚珠螺母型滚珠丝杠，滚珠丝杠副中循环滚珠螺母机构，有滚珠螺母，滚珠螺母内有螺纹滚道，螺纹滚道中有滚珠，其特征在于：在滚珠螺母内的螺纹滚道与外圆之间打有一滚珠反向孔，在滚珠螺母内两端装配有反向器。优点：将内循环滚珠螺母与外插管式滚珠螺母滚珠循环方式巧妙结合起来，结构新颖独特，加工、装配工艺简单、无需加工中心等昂贵机床，效率高，循环可靠，特别能满足定位精度高且转速不高的场合。

）皮带滚轮机构。在对接完成后，由吸盘牵引，皮带滚轮机构将电池传动至电池装卸箱内，由于皮带在工作工程中存在换向的问题，为了减小打滑和控制的灵活性，本发明采用多驱动变向技术，很好的解决了这一问题。

激光定位模块

激光定位模块主要是配合导轨驱动模块和滚珠丝杠升降部分工作。

导轨驱动模块要使换电机器人在确定的位置停下来，装卸电池，而这里精确的位置就是由激光传感器控制的，通过激光传感器的定位，使得底座能够在预定的位置停下来，完成后续的动作。被测位置在电池充电架上，激光传感器测量被测位置，将信号传递给底座导轨，使导轨在指定位置停止运动。激光传感器与底座导轨驱动配合，通过导轨实际位置与指定位置的差值驱动导轨，最终实现底座导轨的准确定位。此模块应运一个封闭的检测模型，传感器信号实时精确的传回到控制芯片，然后控制芯片发出指令调节当前导轨驱动模块的速度和相对初始位置的移动位移，完成双因素同时调节，使得定位效果更加精确，系统响应时间更短，提高了整个系统的工作效率。

在激光定位元器件的选择方面，本发明选取光纤耦合激光器iFLEX2000系列， iFLEX-2000是带有单模光纤传输的紧凑型激光二极管系统。由于采用了主动控温技术，此类激光器避免了模式跳变，并保证了波长的稳定性。闭合回路控制也提供了良好的长期功率稳定性与通过外部信号监控功率的能力。该激光模组具有长寿命、高稳定性与低振幅噪声的特征。所有的模组都带有联锁装置、电流与温度监测系统。频率高达1MHz的 TTL调制或模拟调制特性可以使得激光功率可调。所有的激光器都有接近衍射极限的输出光束，其具有零色散、高空间相干性和低动态指向错误等特征。这样就很大的提高了激光定位的精度。

装卸搭桥模块

换电机器人将电池从电池架或电动汽车中装卸过程中，首先需要使换电机器人与电池架或电动汽车稳定、准确对接，这样才能进行后续的装卸电池过程，装卸搭桥模块中，用定位块实现这一功能，关键在于如何将定位块准确的与电动汽车或电池架配合。本发明采用顶尖弹簧机构，在装卸架桥模块的前端做一圆锥形的顶尖，在激光定位的配合下，顶尖准确的插进电池架的定位孔中，进而完成了对内部弹簧的挤压使得电池架两端的夹紧装置松开，完成夹紧装置同时同步的配合装卸装置。在搭桥的过程当中，为了使顶尖准确无误的插进定位槽当中，就要配合激光定位的模式，在不断的迭代算法下完成对顶尖和定位槽的配合。其中具体的迭代算法框图如图3所示。

转台电机驱动模块

换电机器人将亏电电池或充满电的电池装入电池装卸箱时，下一步就是经过180°旋转将电池放入相应的位置。电池装卸箱的旋转动作就是由转台电机驱动模块完成。转台承载多个电池的重量，采用转盘齿轮小电机驱动，这样载荷大较容易控制，可以使转台电机驱动模块稳定的运行，为了使转盘的速度能够控制在一定范围之内，不使转盘在旋转的过程中的离心力过大，选取内齿转盘，而外齿固定在底盘上，小型电机驱动小齿轮转动，根据小齿轮的齿数定下转速比，进而驱动内齿齿轮转动，以下是转台的一个工作周期图：

转台安装的直接驱动电机与通常伺服电机相同，当接到停止指令时由其动态制动电路来制动电机。但由于转台电机与转台之间设有减速和传动机构，尽管这样转速有时候会很高，在充完电的电池和亏电电池的位置调换的工况时，载荷会很大，急停时会发生很小角度的过转，因而在转台中需要有另外的机械和液压锁紧机构以保证准确定位。因此为了保证精度的同时，达到一定的安全性，本发明配备了一套液压装置来锁紧转台。

整体控制部分

PLC控制直线电机、转盘电机。对小型电动机的控制实现丝杠、皮带滚轮机构的运动。微处理器对整体结构进行控制，相互协调。控制中除了对几个模块的功能实现外，时序的控制也很重要。本系统采用过零触发的调节方法，通过改变系统在一个周期内的导通时间比（即通断率）实现各种电机的转速控制，为了提高抗干扰性，对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还有在电源输入端串接LC滤波电路，增加了PLC的控制精度。PLC电机控制框图如图4所示。

工作流程如图1所示：从充电柜提取充好电的电池，直线运输到相应的位置，其中使用激光传感器定位，取出电动汽车内亏电的电池，做180度旋转交换两种电池的位置，然后再根据电池架的跨度增大将充好电的电池送到电动车里，将亏电电池送回充电柜。

Claims (9)

1.一种电池换装机器人，其特征在于，包括：

底座导轨驱动模块，所述底座导轨驱动模块通过对底座的控制，使换电机器人与电池架平行运动；

装卸电池运动模块，通过可以上下移动的电池装卸箱实现对不同高度电池的装卸；

激光定位模块，与底座导轨驱动模块配合使得电池换装机器人能够运动到指定的位置；

装卸搭桥模块，实现电池换装机器人与电动汽车或电池架的稳定、准确对接；

转台电机驱动模块，完成电池装卸箱的旋转动作；

整体控制模块，通过微处理器对整体结构进行控制。

2.根据权利要求1所述的电池换装机器人，其特征在于，所述底座导轨驱动模块为滚轮导轨驱动装置。

3.根据权利要求2所述的电池换装机器人，其特征在于，所述滚轮导轨驱动装置的滚轮采用小型电机直接驱动。

4.根据权利要求1所述的电池换装机器人，其特征在于，所述装卸电池运动模块包括：可以驱动电池装卸箱垂直于地面上下运动的丝杠升降机构、可以驱动电池装卸箱平行于地面水平运动的丝杠滑块运动机构和位于电池装卸箱内的皮带滚轮机构。

5.根据权利要求4所述的电池换装机器人，其特征在于，所述丝杠升降机构为自锁型蜗轮蜗杆丝杠升降机构。

6.根据权利要求4所述的电池换装机器人，其特征在于，所述丝杠滑块运动机构为循环滚珠螺母型滚珠丝杠。

7.根据权利要求1所述的电池换装机器人，其特征在于，所述激光定位模块包括激光传感器和控制芯片，所述激光传感器与控制芯片相连。

8.根据权利要求1所述的电池换装机器人，其特征在于，所述装卸搭桥模块为顶尖弹簧机构。

9.根据权利要求1所述的电池换装机器人，其特征在于，所述整体控制模块通过可编程逻辑控制器控制其他各模块的动作。

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