CN109910658A - 一种柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法，包括：头部件、尾部件和弹簧，头部件沿尾部件的轴向设置，头部件的一端设于尾部件内，头部件的另一端突出于尾部件，弹簧的一端与头部件固定连接，弹簧的另一端与尾部件固定连接；弹簧使头部件能够相对于尾部件沿尾部件的轴向在第一范围内移动、和/或围绕尾部件的轴向在第一角度内转动；弹簧使头部件能够相对于尾部件沿尾部件的径向在第二范围内移动、和/或围绕尾部件的一个径向在第二角度内转动。本发明降低了机械臂的高精度需求，同时降低了视觉系统的高精度需求，从而降低了成本。

Description

一种柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电插接的技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车充电系统的柔顺机构。
背景技术
近三年，我国是新能源汽车产销第一大国，充电桩是电动汽车的基础设施，目前插拔充电插头动作主要由用户手动完成。随着无人驾驶等智能汽车相关技术的发展，自动充电成为必要的辅助手段。
2015年国家工业和信息化部、国家能源局等发布了《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》、《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》、《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》三项国家标准。这些标准对电动汽车充电用接口及通信协议进行了全面系统的规范。
电动汽车的自动充电插接属于自动化领域中的装配应用方向。在用机械臂进行的精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，虽然机械臂的重复定位精度较高，可以达到0.05mm，但其定位精度较差，只能到0.2mm左右，只能达到配合间隙的一至两个数量级。而且电动汽车充电口插座的位姿利用图像处理方式获取，位置误差大于1mm。
所以在执行插拔动作时候会导致插头和插座的相对位姿的误差。由于机器人的高刚性，此时强行进行装配会对机器人产生一较大反作用力，造成卡阻现象，可能会损坏机器人及零件，以至装配无法完成。为避免这种情况，单纯依靠提高机器人以及零件，周边设备精度来解决问题在技术上难度很高，在经济上也不可行。
专利CN107627885A(一种电动汽车自动充电装置及其充电方法)公开了一种电动汽车自动充电装置，它通过2个移动平台和电动推杆实现定位动作，再通过夹紧机构将电动汽车电极进行夹紧后进行充电，可以自动完成对电动汽车的充电连接。专利CN107627885A通过绝缘手指将充电线路和汽车电极夹紧，其接口不符合上述国标，是无法对主流电动汽车进行自动插接操作的，不符合服务对象发展的趋势。
专利CN107618396A(自动充电系统及方法)利用多关节的机械臂，并在末端设置多个力传感器，采集充电接头处的力数据，由控制器调整充电头的姿态以及空间位置，实现自动插拔动作。专利CN107618396A的结构包括插头的空间位置和姿态控制，由于视觉误差和结构定位误差，将导致插头位姿的误差，该专利通过加装力传感器的反馈，来调整插头的位姿，避免卡阻现象，进而实现插拔动作。这种方式增加了结构的成本，也增加了系统的复杂性，成为了自动充电系统推广的障碍。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种柔顺机构，其中，包括：头部件、尾部件和弹簧，所述头部件沿所述尾部件的轴向设置，所述头部件的一端设于所述尾部件内，所述头部件的另一端突出于所述尾部件，所述弹簧的一端与所述头部件固定连接，所述弹簧的另一端与所述尾部件固定连接；
所述弹簧使所述头部件能够相对于所述尾部件沿所述尾部件的轴向在第一范围内移动、和/或围绕所述尾部件的轴向在第一角度内转动；
所述弹簧使所述头部件能够相对于所述尾部件沿所述尾部件的径向在第二范围内移动、和/或围绕所述尾部件的一个径向在第二角度内转动。
上述的柔顺机构，其中，所述尾部件的一侧设有凹锥面，所述头部件的一侧设有凸锥面，所述凹锥面与所述凸锥面相匹配。
上述的柔顺机构，其中，所述头部件上设有第一导向柱，所述弹簧的一端套设于所述第一导向柱外。
上述的柔顺机构，其中，所述尾部件上设有第二导向柱，所述弹簧的另一端套设于所述第二导向柱外。
上述的柔顺机构，其中，所述第一导向柱与所述第二导向柱相正对。
上述的柔顺机构，其中，包括至少三所述弹簧。
一种电动汽车充电系统，其中，包括：充电桩、设置在所述充电桩上的机械臂、插头、以及与所述插头连接的充电线缆，其中，所述机械臂的端部设有柔顺机构，所述柔顺机构为上述的任意一项所述的柔顺机构，所述尾部件与所述机械臂固定连接，所述头部件上固定有所述插头。
一种电动汽车充电系统的工作方法，其中，适用于上述的所述的电动汽车充电系统，所述工作方法包括：
步骤S1：识别电动汽车的插座的位姿；
步骤S2：所述机械臂快速移动至所述插座的上方；
步骤S3.1：所述机械臂沿所述插座的轴向低速进给，使所述插头的前端与所述插座接触；
步骤S3.2：所述机械臂沿所述插座的轴向继续低速进给，所述柔顺机构根据所述插头和所述插座的相对位置形成自适应性调整；
步骤S4：所述插头与所述插座完成插接。
上述的电动汽车充电系统的工作方法，其中，所述自适应性调整包括以下的至少一种：所述插头相对于所述机械臂的端部的轴向平移、所述插头相对于所述机械臂的端部的轴向转动、所述插头相对于所述机械臂的端部的径向平移、所述插头相对于所述机械臂的端部的径向转动。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
(1)本发明降低了机械臂的高精度需求，同时降低了视觉系统的高精度需求，从而降低了成本。
(2)本发明简化了末端的执行器结构，本发明在机械臂末端配置一个柔顺机构,降低机械臂末端的刚性，以补偿装配的位姿误差。
附图说明
图1是本发明的柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法的示意图。
图2是本发明的柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法的插接示意图。
图3是本发明的柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法的另一种头部件的示意图。
附图中：1、头部件；11、凸台；12、板状结构；13、第一部分；14、第二部分；2、尾部件；21、开口；3、弹簧；4、第一导向柱；5、第二导向柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1是本发明的柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法的示意图，图2是本发明的柔顺机构及其电动汽车充电系统及其工作方法的插接示意图，请参见图1至图2所示，示出了一种较佳实施例的柔顺机构，包括：头部件1、尾部件2和弹簧3，头部件1沿尾部件2的轴向设置，头部件1的一端设于尾部件2内，头部件1的另一端突出于尾部件2，弹簧3的一端与头部件1固定连接，弹簧3的另一端与尾部件2固定连接。其中，弹簧3使头部件1能够相对于尾部件2沿尾部件2的轴向在第一范围内移动、和/或围绕尾部件2的轴向在第一角度内转动，同时，弹簧3使头部件1能够相对于尾部件2沿尾部件2的径向在第二范围内移动、和/或围绕尾部件2的一个径向在第二角度内转动。电动汽车充电插接发生卡阻现象的原因在于末端插头轴线与汽车插座轴线不重合，存在平移方向误差和二者之间的角度误差，而这个误差数值不大，如果允许末端发生一定的变形，插头轴线与汽车插座轴线会重合，在外力作用下，可完成插接动作。而机械臂为了达到一定的定位精度，必须具有高刚性。通过上述的柔顺机构，当插头与插座接触时候，柔顺机构在插座的反作用力下，发生一定的平移和角度偏移，促使末端插头轴线与汽车插座轴线重合，顺利完成插接动作。
具体地，尾部件2内开设有一空腔，尾部件2的一侧具有一开口21，开口21与空腔相连通。同时，头部件1的一端设于尾部件2的空腔内，头部件1的另一端自开口21处突出于尾部件2，且开口21的直径大于头部件1的另一端的直径，使头部件1能够相对于尾部件2活动，其活动范围具体包括上述的移动和转动。此外，上述的移动和转动的具体范围由弹簧3的轴向的弹性系数和弹簧3的径向的弹性系数确定，其具体范围可根据实际需要选择。
更具体地，尾部件2优选地设置为圆柱状结构，也可根据实际需要设置为矩形体结构，此外，尾部件2也可设置为框架结构，空腔形成于框架结构内。头部件1优选地设置为横截面为圆形或椭圆形的杆状结构。弹簧3优选为拉簧。
此外，作为一种较佳的实施例，尾部件2的一侧设有凹锥面，头部件1的一侧设有凸锥面，凹锥面与凸锥面相匹配。
进一步，作为一种较佳的实施例，尾部件2的凹锥面位于开口21处，凹锥面直径较大的一侧朝向尾部件2的内部的空腔，凹锥面直径较小的一侧朝向尾部件2的外部。
更进一步，作为一种较佳的实施例，头部件1的中部具有一环状的凸台11，凸锥面形成于凸台11上，凸锥面与凹锥面限位配合，以限制头部件1的位置，使头部件1在能够相对于尾部件2活动的同时，不至于完全脱出尾部件2。同时也解决了柔顺机构的头部件在重力作用下，发生下垂后，机构存在定位误差的情况，而且机构在拉力下比推力具有更好的导向适应性。
在另一种较佳的实施例中，请参见图3所示，头部件1包括直径较粗的第一部分13和直径较细的第二部分14，第一部分13设于空腔内，第二部分14突出于尾部件2，凸锥面形成于第一部分13和第二部分14之间。
具体地，在头部件1朝向尾部件2的外侧的运动过程中，凸锥面与凹锥面的配合形成导向的作用，使头部件1的凸锥面能够逐渐地定位至尾部件2的凹锥面内。
更具体地，弹簧3为头部件1朝向尾部件2的外侧的运动提供弹性的动力。当头部件1的一端接触到插座时，头部件1与尾部件2之间发生上述的移动和转动，使头部件1能够相对于插座实现适应性的调整，再通过弹簧3的拉力使头部件1的凸锥面逐渐与尾部件2的凹锥面贴合，最终调整至适配的插入位置。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，请继续参见图1、图2所示，头部件1上设有第一导向柱4，弹簧3的一端套设于第一导向柱4外。尾部件2上设有第二导向柱5，弹簧3的另一端套设于第二导向柱5外。第一导向柱4与第二导向柱5相正对。通过第一导向柱4和第二导向柱5的导向作用，辅助限制弹簧3的弹性形变的范围，以获得更精确的导向效果。
本发明的进一步实施例中，头部件1的设于空腔内的一端的端部设有板状结构12，第一导向柱4设于板状结构12上。第二导向柱5设于尾部件2的空腔的内壁上。
本发明的进一步实施例中，包括至少三弹簧3，并且包括与弹簧3相匹配的数量的第一导向柱4和第二导向柱5，通过至少三弹簧3确定板状结构12所在的平面的角度调整，通过设置更多的弹簧3使头部件1的运动更为精细化。
本发明的进一步实施例中，还包括一种电动汽车充电系统，包括：充电桩、设置在充电桩上的机械臂、插头、以及与插头连接的充电线缆，其中，机械臂的端部设有上述的柔顺机构，尾部件2与机械臂固定连接，头部件1上固定有插头。
本发明的进一步实施例中，充电线缆自充电桩沿机械臂和柔顺机构走线至插头处。优选的，机械臂可以实现x、y、z轴方向的空间定位。
本发明的进一步实施例中，具体在装配作业中，如遇定位不准时，充电插头在上述的柔顺机构作用下可自行校正。在插入装配中工件局部被卡住时，将会受到阻力，促使头部件1和尾部件2从锥形面处分离，由于充电插头和插座的接触部分具有一定角度的倒角，相互间产生导向力，该导向力使得弹簧3拉伸，并发生一定的弯曲，这将允许头部件1和尾部件2在位置和姿态上存在一个微小偏移，从而工件便能顺利插入。
下面说明本发明的电动汽车充电系统的工作方法，包括：
步骤S1：识别电动汽车的插座的位姿；
步骤S2：机械臂快速移动至插座的上方；
步骤S3.1：机械臂沿插座的轴向低速进给，使插头的前端与插座接触；
步骤S3.2：机械臂沿插座的轴向继续低速进给，柔顺机构根据插头和插座的相对位置形成自适应性调整；
步骤S4：插头与插座完成插接。
具体地址，上述的自适应性调整包括以下的至少一种：插头相对于机械臂的端部的轴向平移、插头相对于机械臂的端部的轴向转动、插头相对于机械臂的端部的径向平移、插头相对于机械臂的端部的径向转动。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔顺机构，其特征在于，包括：头部件、尾部件和弹簧，所述头部件沿所述尾部件的轴向设置，所述头部件的一端设于所述尾部件内，所述头部件的另一端突出于所述尾部件，所述弹簧的一端与所述头部件固定连接，所述弹簧的另一端与所述尾部件固定连接；
所述弹簧使所述头部件能够相对于所述尾部件沿所述尾部件的轴向在第一范围内移动、和/或围绕所述尾部件的轴向在第一角度内转动；
所述弹簧使所述头部件能够相对于所述尾部件沿所述尾部件的径向在第二范围内移动、和/或围绕所述尾部件的一个径向在第二角度内转动。
2.根据权利要求1所述的柔顺机构，其特征在于，所述尾部件的一侧设有凹锥面，所述头部件的一侧设有凸锥面，所述凹锥面与所述凸锥面相匹配。
3.根据权利要求1所述的柔顺机构，其特征在于，所述头部件上设有第一导向柱，所述弹簧的一端套设于所述第一导向柱外。
4.根据权利要求3所述的柔顺机构，其特征在于，所述尾部件上设有第二导向柱，所述弹簧的另一端套设于所述第二导向柱外。
5.根据权利要求4所述的柔顺机构，其特征在于，所述第一导向柱与所述第二导向柱相正对。
6.根据权利要求1所述的柔顺机构，其特征在于，包括至少三所述弹簧。
7.根据权利要求1所述的柔顺机构，其特征在于，所述尾部件内开设有一空腔，所述尾部件的一侧具有一开口，所述开口与所述空腔相连通，所述头部件的一端设于所述空腔内，所述头部件的另一端自所述开口处突出于所述尾部件。
8.根据权利要求7所述的柔顺机构，其特征在于，所述尾部件为框架结构，所述空腔形成于所述框架结构内。
9.一种电动汽车充电系统，其特征在于，包括：充电桩、设置在所述充电桩上的机械臂、插头、以及与所述插头连接的充电线缆，其中，所述机械臂的端部设有柔顺机构，所述柔顺机构为权利要求1至8中任意一项所述的柔顺机构，所述尾部件与所述机械臂固定连接，所述头部件上固定有所述插头。
10.一种电动汽车充电系统的工作方法，其特征在于，适用于权利要求9中所述的电动汽车充电系统，所述工作方法包括：
步骤S1：识别电动汽车的插座的位姿；
步骤S2：所述机械臂快速移动至所述插座的上方；
步骤S3.1：所述机械臂沿所述插座的轴向低速进给，使所述插头的前端与所述插座接触；
步骤S3.2：所述机械臂沿所述插座的轴向继续低速进给，所述柔顺机构根据所述插头和所述插座的相对位置形成自适应性调整；
步骤S4：所述插头与所述插座完成插接；
所述自适应性调整包括以下的至少一种：所述插头相对于所述机械臂的端部的轴向平移、所述插头相对于所述机械臂的端部的轴向转动、所述插头相对于所述机械臂的端部的径向平移、所述插头相对于所述机械臂的端部的径向转动。
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