CN110040020A - 一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法 - Google Patents

一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法，涉及全自动充电插接技术领域，具体为一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，包括动平台，所述动平台的下方安置有静平台，所述动平台与静平台之间连接有压簧和拉簧，所述动平台的上表面固定有插头接口，所述插头的上方两侧均设置有导向面，所述导向杆的外圈套设有弹簧。该基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法中，末端柔顺机构结构简单，在电动汽车全自动充电机器人末端设置一个被动柔顺机构来补偿装配的位姿误差，在降低成本的同时大大提高插接成功率，能够提高用户在用电过程中的安全性及操作性。

Description

一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法
技术领域
本发明涉及全自动充电插接技术领域，具体为一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法。
背景技术
电动汽车能有效地缓解能源危机，减少环境污染，以其高效、节能、低噪声、零排放等优点越来越受到各国政府和企业的重视，电动汽车是未来发展的必然趋势，随着新能源汽车在全世界的普及，基础的充电配套设备也在快速增长，随着新能源产业的发展，对电动汽车的充电方式、充电安全、充电体验也提出了更高的要求。
一般的充电方式需要人工插接完成充电，相对于交流充电，直流充电枪更大、线缆更重，这大大降低了用户的使用体验，而充电线缆粗长导致移动不方便，充电线容易被车胎挤压，用户对设备的违规操作，造成充电枪头锈蚀、充电枪线绝缘皮磨损、充电桩屏幕反应不灵敏等问题，致使新能源汽车无法正常充电甚至面临严重的安全问题，并且，如果没有及时拔掉充电线会造成增量充电，增加电量消耗，目前持续提升充电设施安全性、便利性是行业急需突破的难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，包括动平台，所述动平台的下方安置有静平台，所述动平台与静平台之间连接有压簧和拉簧，且压簧和拉簧之间为间隔设置，所述动平台的上表面固定有插头接口，且插头接口的上方配合有插头，所述插头的上方两侧均设置有导向面，且导向面与动平台之间连接有导向杆，所述导向杆的外圈套设有弹簧，所述动平台上开设有轴向通孔，且导向杆穿过轴向通孔，所述导向杆可沿着轴向通孔方向做直线运动，所述导向杆穿过轴向通孔的一端装有螺母，且导向杆的另一端与导向面固定连接。
可选的，所述压簧和拉簧关于动平台的竖直中心线呈等距离环绕设置，且动平台与静平台之间通过压簧和拉簧构成弹性结构，并且压簧的横截面为梯形。
可选的，所述压簧用于提供轴向变形及切向变形能力，其中，所述压簧选用矩形弹簧，其材料截面为矩形，相对于普通弹簧，矩形弹簧材质为合金材料60Si2CrA，其中，压簧内径尺寸为6mm，外径尺寸为12mm，初始长度为60mm，压紧长度为27mm，最大压缩量为30mm，弹簧常数为4.54N/mm，寿命为30万次可压缩量30mm、50万次可压缩量27mm和100万次可压缩量24mm。
可选的，所述拉簧用于实现复位后该末端柔顺机构的初始位置在±0.5°锥角内，并提供初始拉力使压簧发生初始变形以形成稳定连接，同时拉簧和压簧构成变刚度弹簧结构，所述变刚度弹簧结构在初始状态下，压簧刚度较低，以便于柔顺变形，在插拔状态下，压簧刚度较高，使压簧不发生失稳，其中，拉簧的内径尺寸为5mm，线径尺寸为0.7mm，初始长度为30mm，最大位移量为15.6mm，弹簧常数为0.78N/mm，最大负载为14.71N，初始张力为2.45N，寿命为100万次。
可选的，所述轴向通孔内部安装有直线轴承，且直线轴承与动平台之间通过卡簧定位，所述导向杆从直线轴承中贯穿，且导向杆在直线轴承中做直线运动。
可选的，所述弹簧用于提供导向杆浮动轴向单维的变形能力，使导向杆能够复位，其中，弹簧的内径尺寸为6mm，外径尺寸为9.8mm，线径尺寸为0.9mm，初始长度为70mm，压紧长度为28.8mm，最大压缩量为42mm，弹簧常数为0.29N/mm，最大负载为12.36N，寿命为100万次。
可选的，所述弹簧的两端分别固定在导向面和动平台上，且导向杆和弹簧均在导向面的下表面等距离设置三组，并且导向面呈带有斜度的半圆弧形结构。
可选的，所述导向面、弹簧和导向杆组成浮动导向机构，主要用于实现插座和插头之间位姿偏差的纠正。
基于上述结构，本发明还提供一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构的使用方法，所述该使用方法中，末端柔顺机构的插接具体过程如下：
(1)识别电动汽车充电座在空间中的位姿；
(2)充电机器人末端移动到插座前方；
(3)充电机器人沿插座轴向低速进给；
(4)柔顺机构导向面与插座接触；
(5)机器人不断进给，弹簧与导向杆压缩，同时压簧与拉簧发生形变，柔顺机构被动发生在自旋、偏航、俯仰角度的旋转，直至导向面逐渐包住充电插座；
(6)充电机器人继续进给，直至充电头完全插入充电插座，完成插接动作。
本发明提供了一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法，具备以下有益效果：该基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，结构简单，在电动汽车全自动充电机器人末端设置一个被动柔顺机构来补偿装配的位姿误差，在降低成本的同时大大提高插接成功率，能够提高用户在用电过程中的安全性及操作性；出于成本的考虑，本发明采用被动柔顺，在机械臂末端设置一个被动柔顺机构来补偿装配的位姿误差，在降低成本的同时，大大提高插接成功率，被动柔顺机构能够降低全自动充电机器人系统的精度要求，并提升充电接口的插接成功率，这样能够加速普及全机动充电机器人在新能源市场的推广。
附图说明
图1为本发明末端柔顺机构结构示意图；
图2为本发明Stewart并联机构六维运动的实现结构示意图；
图3为本发明末端柔顺机构的工作原理示意图；
图4为本发明插接流程示意图。
图中：1、动平台；2、静平台；3、压簧；4、拉簧；5、插头接口；6、插头；7、导向面；8、导向杆；9、弹簧；10、轴向通孔；11、直线轴承；12、卡簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，包括动平台1，动平台1的下方安置有静平台2，动平台1与静平台2之间连接有压簧3和拉簧4，且压簧3和拉簧4之间为间隔设置，间隔布置的压簧3和拉簧4在保证摆动角度的前提下，有助于装置还原初始位置，减小因压簧3工作多次后产生疲劳带来的偏差；
动平台1的上表面固定有插头接口5，且插头接口5的上方配合有插头6，插头6的上方两侧均设置有导向面7，且导向面7与动平台1之间连接有导向杆8，导向杆8的外圈套设有弹簧9，弹簧9用于提供导向杆8浮动轴向单维的变形能力，使导向杆8能够复位，其设计要求为压缩量需满足电气连接时的行程要求，且初始状态具有较强的刚度保证导向面7与插座良好接触导向，其中，弹簧9的内径尺寸为6mm，外径尺寸为9.8mm，线径尺寸为0.9mm，初始长度为70mm，压紧长度为28.8mm，最大压缩量为42mm，弹簧常数为0.29N/mm，最大负载为12.36N，寿命为100万次；
动平台1上开设有轴向通孔10，且导向杆8穿过轴向通孔10，导向杆8可沿着轴向通孔10方向做直线运动，导向杆8穿过轴向通孔10的一端装有螺母，且导向杆8的另一端与导向面7固定连接，轴向通孔10内部安装有直线轴承11，且直线轴承11与动平台1之间通过卡簧12定位，导向杆8从直线轴承11中贯穿，且导向杆8在直线轴承11中做直线运动，作用是使得导向杆8运动更顺滑，防止导向杆8插拔力过大，甚至卡死；
压簧3和拉簧4关于动平台1的竖直中心线呈等距离环绕设置，且动平台1与静平台2之间通过压簧3和拉簧4构成弹性结构，并且压簧3的横截面为梯形，压簧3用于提供轴向变形及切向变形能力，其中，压簧3选用矩形弹簧，其材料截面为矩形，相对于普通弹簧，矩形弹簧材质为合金材料60Si2CrA，其中，压簧3内径尺寸为6mm，外径尺寸为12mm，初始长度为60mm，压紧长度为27mm，最大压缩量为30mm，弹簧常数为4.54N/mm，寿命为30万次可压缩量30mm、50万次可压缩量27mm和100万次可压缩量24mm，拉簧4用于实现复位后该末端柔顺机构的初始位置在±0.5°锥角内，并提供初始拉力使压簧3发生初始变形以形成稳定连接，同时拉簧4和压簧3构成变刚度弹簧结构，变刚度弹簧结构在初始状态下，压簧3刚度较低，以便于柔顺变形，在插拔状态下，压簧3刚度较高，使压簧3不发生失稳，其中，拉簧4的内径尺寸为5mm，线径尺寸为0.7mm，初始长度为30mm，最大位移量为15.6mm，弹簧常数为0.78N/mm，最大负载为14.71N，初始张力为2.45N，寿命为100万次；
弹簧9的两端分别固定在导向面7和动平台1上，且导向杆8和弹簧9均在导向面7的下表面等距离设置三组，并且导向面7呈带有斜度的半圆弧形结构，导向面7、弹簧9和导向杆8组成浮动导向机构，主要用于实现插座和插头6之间位姿偏差的纠正；
基于上述结构，本发明还提供一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构的使用方法，该使用方法中，末端柔顺机构的插接具体过程如下：
(1)识别电动汽车充电座在空间中的位姿；
(2)充电机器人末端移动到插座前方；
(3)充电机器人沿插座轴向低速进给；
(4)柔顺机构导向面与插座接触；
(5)机器人不断进给，弹簧与导向杆压缩，同时压簧与拉簧发生形变，柔顺机构被动发生在自旋、偏航、俯仰角度的旋转，直至导向面逐渐包住充电插座；
(6)充电机器人继续进给，直至充电头完全插入充电插座，完成插接动作；
末端柔顺机构采用基于弹性元件的Stewart并联机构构型，以实现末端六自由度柔顺机构的小型化和紧凑化，Stewart并联机构是6-SPS型并联机构，每一个支链两端为球副，中间为移动副，其末端运动特征为6个自由度，包括三轴的平移和三轴的旋转，末端柔顺机构的工作过程是，利用压簧3的轴向变形可模拟Stewart并联机构各运动杆的直线运动，实现末端柔顺机构动平台1的六维运动，此外利用压簧3的切向变形可增强柔顺机构的切向柔顺能力。
综上所述，该基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构及使用方法，出于成本的考虑，采用被动柔顺，在机械臂末端设置一个被动柔顺机构来补偿装配的位姿误差，在降低成本的同时大大提高插接成功率；
本发明中所介绍的末端柔顺机构用于末端位姿偏差的消除，实现机器人末端机构的被动柔顺，因此理论上末端柔顺机构需具备六个自由度，为了实现末端六自由度柔顺机构的小型化和紧凑化，柔顺机构采用基于弹性元件的Stewart并联机构构型，Stewart并联机构是6-SPS型并联机构，每一个支链两端为球副，中间为移动副，如图2所示，其末端运动特征为6个自由度，包括三轴的平移和三轴的旋转；
末端柔顺机构的工作原理如图3所示，利用压簧3的轴向变形可模拟Stewart并联机构各运动杆的的直线运动，实现末端柔顺机构动平台1的六维运动，此外利用压簧3的切向变形可增强柔顺机构的切向柔顺能力；
末端柔顺机构的组成如图1所示，末端柔顺机构基体部分由静平台2、动平台1、压簧3组成，插头6安装于动平台1上，可在外界力的接触的情况下实现插头6的浮动，动平台1和静平台2之间布置了多要拉簧4，用于实现复位后初始位置在±0.5°锥角内，在动平台1的上方，布置了浮动导向机构，由导向面7、弹簧9、导向杆8组成，主要用于实现插座和插头6之间位姿偏差的纠正。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，包括动平台(1)，其特征在于：所述动平台(1)的下方安置有静平台(2)，所述动平台(1)与静平台(2)之间连接有压簧(3)和拉簧(4)，且压簧(3)和拉簧(4)之间为间隔设置，所述动平台(1)的上表面固定有插头接口(5)，且插头接口(5)的上方配合有插头(6)，所述插头(6)的上方两侧均设置有导向面(7)，且导向面(7)与动平台(1)之间连接有导向杆(8)，所述导向杆(8)的外圈套设有弹簧(9)，所述动平台(1)上开设有轴向通孔(10)，且导向杆(8)穿过轴向通孔(10)，所述导向杆(8)可沿着轴向通孔(10)方向做直线运动，所述导向杆(8)穿过轴向通孔(10)的一端装有螺母，且导向杆(8)的另一端与导向面(7)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述压簧(3)和拉簧(4)关于动平台(1)的竖直中心线呈等距离环绕设置，且动平台(1)与静平台(2)之间通过压簧(3)和拉簧(4)构成弹性结构，并且压簧(3)的横截面为梯形。
3.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述压簧(3)用于提供轴向变形及切向变形能力，其中，所述压簧(3)选用矩形弹簧，其材料截面为矩形，相对于普通弹簧，矩形弹簧材质为合金材料60Si2CrA，其中，压簧(3)内径尺寸为6mm，外径尺寸为12mm，初始长度为60mm，压紧长度为27mm，最大压缩量为30mm，弹簧常数为4.54N/mm，寿命为30万次可压缩量30mm、50万次可压缩量27mm和100万次可压缩量24mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述拉簧(4)用于实现复位后该末端柔顺机构的初始位置在±0.5°锥角内，并提供初始拉力使压簧(3)发生初始变形以形成稳定连接，同时拉簧(4)和压簧(3)构成变刚度弹簧结构，所述变刚度弹簧结构在初始状态下，压簧(3)刚度较低，以便于柔顺变形，在插拔状态下，压簧(3)刚度较高，使压簧(3)不发生失稳，其中，拉簧(4)的内径尺寸为5mm，线径尺寸为0.7mm，初始长度为30mm，最大位移量为15.6mm，弹簧常数为0.78N/mm，最大负载为14.71N，初始张力为2.45N，寿命为100万次。
5.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述轴向通孔(10)内部安装有直线轴承(11)，且直线轴承(11)与动平台(1)之间通过卡簧(12)定位，所述导向杆(8)从直线轴承(11)中贯穿，且导向杆(8)在直线轴承(11)中做直线运动。
6.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述弹簧(9)用于提供导向杆(8)浮动轴向单维的变形能力，使导向杆(8)能够复位，其中，弹簧(9)的内径尺寸为6mm，外径尺寸为9.8mm，线径尺寸为0.9mm，初始长度为70mm，压紧长度为28.8mm，最大压缩量为42mm，弹簧常数为0.29N/mm，最大负载为12.36N，寿命为100万次。
7.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述弹簧(9)的两端分别固定在导向面(7)和动平台(1)上，且导向杆(8)和弹簧(9)均在导向面(7)的下表面等距离设置三组，并且导向面(7)呈带有斜度的半圆弧形结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构，其特征在于：所述导向面(7)、弹簧(9)和导向杆(8)组成浮动导向机构，主要用于实现插座和插头(6)之间位姿偏差的纠正。
9.一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构的使用方法，其特征在于：所述该使用方法中，末端柔顺机构的插接具体过程如下：
(1)识别电动汽车充电座在空间中的位姿；
(2)充电机器人末端移动到插座前方；
(3)充电机器人沿插座轴向低速进给；
(4)柔顺机构导向面与插座接触；
(5)机器人不断进给，弹簧与导向杆压缩，同时压簧与拉簧发生形变，柔顺机构被动发生在自旋、偏航、俯仰角度的旋转，直至导向面逐渐包住充电插座；
(6)充电机器人继续进给，直至充电头完全插入充电插座，完成插接动作。
10.一种基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构的使用方法，其特征在于：该基于电动汽车充电机器人的末端柔顺机构的使用方法内设有权利要求1-9中任意一项所述的末端柔顺机构。
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