CN111688526B - 一种用户侧新能源汽车储能充电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种用户侧新能源汽车储能充电站，包括充电桩、充电头及线束、夹具、视觉传感器、多自由度机器臂、智能控制器和协作自动小车等组成部件。本发明可实现基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，进而实现人员无接触且高可靠性地充电操作。不仅降低了技术难度和成本，而且能便利地服务于肢体乏力特殊人群。此外，通过协作自动小车与多自由度机械臂的分级运动控制与协同作业配合，本发明的充电站能服务不同规格及不同充电口距离的电动车辆。由于全程人手没有任何地物理性接触高压设备，提高了充电作业安全性以及疫情时期的间接感染。

Description

一种用户侧新能源汽车储能充电站
技术领域
本发明涉及充电站技术领域，特别涉及一种用户侧新能源汽车储能充电站。
背景技术
现有充电站的充电作业大部分为人工手持充电头及其线上进行拔插操作，这种操作可能导致疫情期间的接触性交叉感染，而且当线束太长时比较费力，更不方面一些肢体受伤人群操作。为此，专利201910250744.1等提出了基于多自由度机械臂的自动充电方案，但这种全部交给机器视觉判断的智能化系统不仅成本高、算法难、无法超过臂长距离作业、而且有潜在的机器伤人风险等。
发明内容
针对现有技术的不足之处，发明人提供了一种用户侧新能源汽车储能充电站，其特征在于：所述充电站包括充电桩、充电头及线束、夹具、视觉传感器、多自由度机器臂、智能控制器和协作自动小车等部件；所述充电桩上设置有悬梁结构的安装架，用于放置充电头及线束，使得夹具对充电头的夹取作业时不被干涉；所述多自由度机器臂固定安装在协作自动小车上，二者可实现协同作业；所述视觉传感器固定安装在多自由度机器臂的第四轴臂上，用于捕捉识别充电头、人手动作和待检测车辆充电口的位置；所述单自由度夹具安装在多自由度机器臂最末端处，可实现空间多个自由度的位置变化，但夹具本身只有一个夹持自由度；一种用户侧新能源汽车储能充电站可实现基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高成功率的充电操作。
进一步地，所述智能控制器通过视觉传感器的反馈信号控制夹具的位置与工作状态；所述视觉传感器可捕捉和识别人手的引导动作，从而给智能控制器发送夹具的空间6自由度位置控制信号和工作状态控制信号；所述视觉传感器可捕捉人手掌的动作轨迹，当整体手掌轮廓变大或变小，则输出夹具向上或向下的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度左右移动时，则输出夹具向左或向右的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度顺时针或逆时针旋转时，则输出夹具顺时针或逆时针的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度前后移动时，则输出夹具向前或向后的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离不变以及左右边最长距离变短，则输出夹具左右翻转的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离变短以及左右边最长距离不变时，则输出夹具前后翻转的控制指令；当整体手掌仅食指出现弯曲变短或伸直变长时，则输出夹具夹紧或松开的控制指令。
进一步地，所述控制器根据所识别的人手控制指令，分别输出协作自动小车和多自由度机器臂的控制指令；所述控制器向多自由度机器臂所发出的电机驱动控制指令为一级控制指令，涵盖多自由度机器臂中多个电机的闭环位置和转速控制信号；所述控制器向协作自动小车所发出的电机驱动控制指令为二级控制指令，涵盖4个驱动轮边电机的闭环位置和转速控制信号；所述智能控制器优先输出一级控制指令响应人手动作引导，如果超过多自由度机器臂的动作区域，则输出二级控制指令以继续响应人手动作引导，使得夹具移动到目标位置和完成指定动作。
进一步地，所述多自由度机器臂固定安装在协作自动小车上，二则采用不同优先级别的协同作业；所述智能控制器根据多自由度机器臂的运动控制及结果反馈，可以判断是否行程超过了多自由度机器臂的动作区域；所述当充电车辆充电口超过多自由度机械臂长时，智能控制器可以驱动协作自动小车快速靠近充电口位置，并根据基于机器视觉的人手引导实现充电头的插入或拔出作业。
优选的，所述协作自动小车采用全向轮布置，可方便带动其上的多自由度机械臂在水平面内具有左右移动、前后移动或绕高度轴向转动等3个自由度；并且自动小车可在机器视觉信号反馈下，由智能控制器给出紧急制动命令，可避免对人或车辆等外在事物的碰撞，提高安全性。
区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：所述充电站包括充电桩、充电头及线束、夹具、视觉传感器、多自由度机器臂、智能控制器和协作自动小车等部件。采用基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高效率的充电操作。不仅降低了技术难度和成本，而且能便利地服务于肢体乏力特殊人群。此外，通过协作自动小车与多自由度机械臂的分级运动控制与协同作业配合，本发明的充电站能服务不同规格及不同充电口距离的电动车辆，并具有较高的安全性。
附图说明
图1为一种用户侧新能源汽车储能充电站主要部件示意图；
图2为机械臂的6自由度以及协作自动小车的3个自由度示意；
图3为种用户侧新能源汽车储能充电站的工作流程图。
附图标记说明：
1、充电桩；
2、充电头及线束；
3、夹具；
4、视觉传感器；
5、多自由度机器臂；
6、智能控制器；
7、协作自动小车。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例提供用户侧新能源汽车储能充电站，主要包括充电桩1、充电头及线束2、夹具3、视觉传感器4、多自由度机器臂5、智能控制器6和协作自动小车7等部件。其中，充电桩1上设置有悬梁结构的安装架，用于放置充电头及线束2，使得夹具对充电头的夹取作业时不被干涉；多自由度机器臂5固定安装在协作自动小车7上，二者可实现协同作业；所述视觉传感器固定安装在多自由度机器臂的第四轴臂上，用于捕捉识别充电头、人手动作和待检测车辆充电口的位置；所述单自由度夹具安装在多自由度机器臂最末端处，可实现空间多个自由度的位置变化，但夹具本身只有一个夹持自由度；一种用户侧新能源汽车储能充电站可实现基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高成功率的充电操作。
本发明实施例中，主要实现基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高效率的充电操作，具体实现原理如下：
(1)夹具抓取充电头的控制指令识别：如图1和图2所示，所述视觉传感器4先捕捉和识别人手的引导动作，包含了上下平移、左右平移、前后平移、俯仰运动、侧翻运动和旋转运动等6个自由度，从而给智能控制器6发送夹具的空间6自由度位置控制信号。此外，可通过约定的手指开合，进一步识别夹具3工作状态控制信号——夹紧或松开。
进一步地，规定视觉传感器6可捕捉人手掌的动作轨迹，当整体手掌轮廓变大或变小，则输出夹具3向上或向下的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度左右移动时，则输出夹具3向左或向右的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度顺时针或逆时针旋转时，则输出夹具3顺时针或逆时针的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度前后移动时，则输出夹具3向前或向后的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离不变以及左右边最长距离变短，则输出夹具3左右翻转的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离变短以及左右边最长距离不变时，则输出夹具3前后翻转的控制指令；当整体手掌仅食指出现弯曲变短或伸直变长时，则输出夹具夹紧或松开的控制指令。
(2)充电头的抓取控制：如图3所示，智能控制器6根据视觉传感器4所采集的信号，计算和分配多自由度机械臂5各电机轴的转动量以及协作自动小车7的四个驱动电机，进而带动夹具3模拟人手的动作轨迹不断靠近并抓取充电头位置。
进一步地，所述智能控制器6根据所识别的人手控制指令，分别输出协作自动小车7和多自由度机器臂5的控制指令；智能控制器6向多自由度机器臂5所发出的电机驱动控制指令为一级控制指令，涵盖多自由度机器臂5中多个电机的闭环位置和转速控制信号；所述智能控制器6向协作自动小车7所发出的电机驱动控制指令为二级控制指令，涵盖4个驱动轮边电机的闭环位置和转速控制信号；所述智能控制器6优先输出一级控制指令响应人手动作引导，如果超过多自由度机器臂5的动作区域，则输出二级控制指令以继续响应人手动作引导，使得夹具3移动到目标位置和完成指定动作。
所述多自由度机器臂5固定安装在协作自动小车7上，二则采用不同优先级别的协同作业；所述智能控制器6根据多自由度机器臂5的运动控制及结果反馈，可以判断是否行程超过了多自由度机器臂5的动作区域；所述当充电车辆充电口超过多自由度机械臂5长时，智能控制器6可以驱动协作自动小车7快速靠近充电口位置，并根据基于机器视觉的人手引导实现下一步充电头的插入作业。
(3)充电头插入车辆充电口：如图3所示，重复步骤1的操作，继续采用人机协作引导方式，智能控制器6驱动多自由度机器臂5及其上的夹具向车辆充电口位置移动。当充电车辆充电口超过多自由度机械臂5的某一高度下的最大臂长时，智能控制器6驱动协作自动小车7往车辆充电口位置行驶。当进入多自由度机械臂5的作业范围内时，智能控制器6根据视觉传感器4所采集的人手引导信号，计算和分配多自由度机械臂5各电机轴的转动量，进而带动夹具3及其所夹持的充电头2插入车辆充电口.
(3)充电头归位：如图3所示，当车辆满足充电终止条件后，充电桩终止充电，此时智能控制器6依据之前的充电轨迹，可逆向驱动协作自动小车7返回起始位置。进一步地，智能控制器6驱动多自由度机械臂5将充电头2放回充电桩1的放置架上。充电头的归位操作也可全程由人工引导方式实现充电头2的归位。
区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：所述充电站包括充电桩、充电头及线束、夹具、视觉传感器、多自由度机器臂、智能控制器和协作自动小车等部件。采用基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高效率的充电操作。不仅降低了技术难度和成本，而且能便利地服务于肢体乏力特殊人群。此外，通过协作自动小车与多自由度机械臂的分级运动控制与协同作业配合，本发明的充电站能服务不同规格及不同充电口距离的电动车辆。由于全程人手没有任何地物理性接触高压设备，提高了充电作业安全性以及疫情时期的间接感染。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用户侧新能源汽车储能充电站，其特征在于：所述用户侧新能源汽车储能充电站包括充电桩、充电头及线束、单自由度夹具、视觉传感器、多自由度机器臂、智能控制器和协作自动小车部件；
所述充电桩上设置有悬梁结构的安装架，用于放置充电头及线束，使得夹具对充电头的夹取作业时不被干涉；
所述多自由度机器臂固定安装在协作自动小车上，二者可实现协同作业；
所述视觉传感器固定安装在多自由度机器臂的第四轴臂上，用于捕捉识别充电头、人手动作和待检测车辆充电口的位置；
所述单自由度夹具安装在多自由度机器臂最末端处，可实现空间多个自由度的位置变化，但夹具本身只有一个夹持自由度；
用户侧新能源汽车储能充电站可实现基于机器视觉的人机协作引导式拔插充电头设备，实现人员无接触且高成功率的充电操作；具体包括以下步骤：
步骤(1)夹具抓取充电头的控制指令识别，所述视觉传感器先捕捉和识别人手的引导动作，包含了上下平移、左右平移、前后平移、俯仰运动、侧翻运动和旋转运动6个自由度，从而给智能控制器发送夹具的空间6自由度位置控制信号；可通过约定的手指开合，识别夹具工作状态控制信号，夹紧或松开；具体的，所述智能控制器通过视觉传感器的反馈信号控制夹具的位置与工作状态；
所述视觉传感器可捕捉和识别人手的引导动作，从而给智能控制器发送夹具的空间6自由度位置控制信号和工作状态控制信号；
所述视觉传感器可捕捉人手掌的动作轨迹，当整体手掌轮廓变大或变小，则输出夹具向上或向下的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度左右移动时，则输出夹具向左或向右的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度顺时针或逆时针旋转时，则输出夹具顺时针或逆时针的控制指令；当整体手掌轮廓在同一水平高度前后移动时，则输出夹具向前或向后的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离不变以及左右边最长距离变短，则输出夹具左右翻转的控制指令；当整体手掌轮廓的前后最长距离变短以及左右边最长距离不变时，则输出夹具前后翻转的控制指令；当整体手掌仅食指出现弯曲变短或伸直变长时，则输出夹具夹紧或松开的控制指令；
步骤(2)充电头的抓取控制，智能控制器根据视觉传感器所采集的信号，计算和分配多自由度机械臂各电机轴的转动量以及协作自动小车的四个驱动电机，进而带动夹具模拟人手的动作轨迹不断靠近并抓取充电头位置；
具体的，所述智能控制器根据所识别的人手控制指令，分别输出协作自动小车和多自由度机器臂的控制指令；
所述智能控制器向多自由度机器臂所发出的电机驱动控制指令为一级控制指令，涵盖多自由度机器臂中多个电机的闭环位置和转速控制信号；
所述智能控制器向协作自动小车所发出的电机驱动控制指令为二级控制指令，涵盖4个驱动轮边电机的闭环位置和转速控制信号；
所述智能控制器优先输出一级控制指令响应人手动作引导，如果超过多自由度机器臂的动作区域，则输出二级控制指令以继续响应人手动作引导，使得夹具移动到目标位置和完成指定动作；
步骤（3）充电头插入车辆充电口，重复步骤（1）的操作，继续采用人机协作引导方式，智能控制器驱动多自由度机器臂及其上的夹具向车辆充电口位置移动；当充电车辆充电口超过多自由度机械臂的某一高度下的最大臂长时，智能控制器驱动协作自动小车往车辆充电口位置行驶；当进入多自由度机械臂的作业范围内时，智能控制器根据视觉传感器所采集的人手引导信号，计算和分配多自由度机械臂各电机轴的转动量，进而带动夹具及其所夹持的充电头插入车辆充电口；
步骤（4）充电头归位：当车辆满足充电终止条件后，充电桩终止充电，此时智能控制器依据之前的充电轨迹，可逆向驱动协作自动小车返回起始位置；智能控制器驱动多自由度机械臂将充电头放回充电桩的放置架上；充电头的归位操作也可全程由人工引导方式实现充电头的归位。
2.根据权利要求1所述的一种用户侧新能源汽车储能充电站，其特征在于：所述多自由度机器臂固定安装在协作自动小车上，二者采用不同优先级别的协同作业；
所述智能控制器根据多自由度机器臂的运动控制及结果反馈，可以判断是否行程超过了多自由度机器臂的动作区域；
所述当充电车辆充电口超过多自由度机械臂长时，智能控制器可以驱动协作自动小车快速靠近充电口位置，并根据基于机器视觉的人手引导实现充电头的插入或拔出作业。
3.根据权利要求1所述的一种用户侧新能源汽车储能充电站，其特征在于：所述协作自动小车采用全向轮布置，可方便带动其上的多自由度机械臂在水平面内具有左右移动、前后移动或绕高度轴向转动3个自由度；
所述协作自动小车可在机器视觉信号反馈下，由智能控制器给出紧急制动命令，可避免对人或其他外在事物的碰撞，提高安全性。
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