CN112248837A - 一种电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电机械臂和自动化智能充电装置。其中，自动化智能充电装置包括：充电桩、支架、控制箱和上述充电机械臂；控制箱设置在支架的支撑横臂上；充电机械臂中伸缩关节的自由端与控制箱固定连接，且伸缩关节的竖直中心线与控制箱的水平中心线垂直；控制箱包括控制器；控制器分别与充电机械臂中的伸缩关节、第一中空旋转平台、第一伺服电机、第二中空旋转平台和充电枪头电连接；充电箱分别与控制器和充电机械臂中的充电枪头连接。本发明提供的充电机械臂和自动化智能充电装置，通过采用伸缩关节、中空旋转平台、伺服电机、控制器等可以实现充电机械臂的自动充电工作，其具有占地面积小、一桩对多车、自动化、智能化充电等特点。

Description

一种电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置

技术领域

本发明涉及智能控制领域，特别是涉及一种电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置。

背景技术

随着电动汽车的高速发展，充电桩的全面建设迫不容缓。2020年初充电桩被中国正式纳入新基建，充电桩成为助力国家稳增长的重要力量，充电桩的投建速度有望加快。同时，同属于新基建范畴的5G、大数据和人工智能的应用都可以加快新能源汽车的推广，从而带动充电桩建设，加快推动充电桩行业发展。

而现有的充电桩形式大多为落地式手工充电桩，充电桩占地面积大且仅能为临近的一个或两个车位的电动汽车进行充电，充电前或充满电后都需要依靠人工完成充电枪的对接或拔出，此外，充电完成后，充电枪不能立即退回到充电桩，只有等到充满电的车辆驾驶离开后，充电桩才具备为其他车辆充电的能力，这些问题极大地降低了充电桩的充电和使用效率，造成资源的大量浪费。

而随着新冠肺炎的出现，人类公共卫生意识得到增强，公共电梯按钮和门把手、公用充电桩的充电枪把手等均有可能成为触摸感染源，因此手工充电形式的充电桩已越来越无法满足要求。

为解决以上问题，本领域亟需研发一种具有占地面积小、一桩对多车、自动化、智能化充电等特点的新型充电桩。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有占地面积小、一桩对多车、自动化、智能化充电等特点的电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种充电机械臂，包括：伸缩关节、第一中空旋转平台、旋转关节、第一伺服电机、偏转关节、第二中空旋转平台和充电枪头；

所述第一中空旋转台的定子与所述伸缩关节连接；所述第一中空旋转台的转子与所述旋转关节的一端连接；所述第一伺服电机的定子与所述旋转关节的另一端连接；所述第一伺服电机的转子与所述偏转关节的一端连接；所述偏转关节的另一端与所述第二中空旋转平台的定子连接；所述第二中空旋转平台的转子与所述充电枪头连接；

所述第一中空旋转平台用于带动所述旋转关节进行旋转；所述第一伺服电机用于带动所述偏转关节进行角度偏转；所述第二中空旋转平台用于带动所述充电枪头进行旋转。

优选的，所述伸缩关节包括：第一伸缩节、第二伸缩节、第三伸缩节和电动推杆；

所述第一伸缩节、所述第二伸缩节和所述第三伸缩节均为中空结构，且所述第一伸缩节套设所述第二伸缩节，所述第二伸缩节套设所述第三伸缩节；

所述电动推杆与所述第三伸缩节的一端连接。

优选的，所述充电机械臂还包括第一摄像头；

所述第一摄像头安装在所述充电枪头上。

一种自动化智能充电装置，包括：充电桩、支架、控制箱和上述充电机械臂；

所述控制箱设置在所述支架的支撑横臂上；所述充电机械臂中伸缩关节的自由端与所述控制箱滑动连接，且所述伸缩关节的竖直中心线与所述控制箱的水平中心线垂直；

所述控制箱包括控制器；所述控制器分别与所述充电机械臂中的伸缩关节、第一中空旋转平台、第一伺服电机、第二中空旋转平台和充电枪头电连接；所述充电箱分别与所述控制器和所述充电机械臂中的充电枪头连接；

所述控制器生成控制指令；所述控制指令包括伸长控制指令、旋转控制指令、角度调节指令和充电开始/停止控制指令；所述伸长控制指令用于确定所述伸缩关节的伸缩长度；所述旋转指令用于控制所述充电机械臂中旋转关节和所述充电枪头进行旋转的角度；所述角度调节指令用于控制所述充电机械臂中偏转关节的偏转角度。

优选的，所述自动化智能充电装置还包括：滑轨、第二伺服电机和滑轮模块；

所述滑轨设置在所述支撑横臂上；所述滑轮模块固定设置在所述控制箱上，且所述滑轮模块与所述滑轨匹配设置；所述第二伺服电机设置在所述支架上，且所述第二伺服电机与所述控制器电连接；所述第二伺服电机用于根据所述控制器生成的控制指令带动所述控制箱在所述支撑横臂上进行滑动。

优选的，所述充电桩包括：第三伺服电机和卷线装置；

所述第三伺服电机与所述控制器电连接；所述卷线装置与所述第三伺服电机机械连接；所述第三伺服电机用于根据所述控制器中生成的放/收线指令控制所述卷线装置的正反转，以完成电线的收放。

优选的，所述自动化智能充电装置，还包括第二摄像头；

所述第二摄像头与所述控制器电连接，且所述第二摄像机设置在所述控制箱上；

所述第二摄像头和所述充电机械臂中的第一摄像头均用于拍摄待充电车辆图像；所述控制器根据所述待充电车辆图像生成所述控制指令。

优选的，所述支架包括第一桁架和第二桁架；

所述支撑横臂的一端与所述第一桁架滑动连接；所述支撑横臂的另一端与所述第二桁架滑动连接。

优选的，所述支架包括立式桁架和滑动模块；

所述支撑横臂的一端与所述立式桁架通过所述滑轮模块连接，且所述支撑横臂的长度中心线与所述立式桁架的长度中心线垂直；所述支撑横臂的另一端为自由端。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的充电机械臂和自动化智能充电装置，通过采用伸缩关节、中空旋转平台、伺服电机、控制器等可以实现充电机械臂的自动充电工作，其具有占地面积小、一桩对多车、自动化、智能化充电等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的充电机械臂的结构示意图；

图2为本发明提供的自动化智能充电装置的一种结构示意图；

图3为本发明提供的自动化智能充电装置的另一种结构示意图；

图4为本发明提供的自动化智能充电装置的又一种结构示意图。

符号说明：

1-充电桩，2-充电线，3-第一桁架，4-支撑横臂，5-第二伺服电机，6-控制箱，7-第二摄像头，8-充电机械臂，801-第一伸缩节，802-电动推杆，803-第一中空旋转平台，804-旋转关节，805-第一伺服电机，806-偏转关节，807-第二中空旋转平台，808-充电枪头，809-第一摄像头，810-第二伸缩节，811-第三伸缩节，9-待充电车辆，10-滑轮模块，11-控制器，12-第二桁架，13-立式桁架，14-滑动模块。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有占地面积小、一桩对多车、自动化、智能化充电等特点的电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的充电机械臂的结构示意图，如图1所示，一种充电机械臂，包括：伸缩关节、第一中空旋转平台803、旋转关节804、第一伺服电机805、偏转关节806、第二中空旋转平台807和充电枪头808。

第一中空旋转台803的定子与伸缩关节连接。第一中空旋转台803的转子与旋转关节804的一端连接。第一伺服电机805的定子与旋转关节804的另一端连接。第一伺服电机805的转子与偏转关节806的一端连接。偏转关节806的另一端与第二中空旋转平台807的定子连接。第二中空旋转平台807的转子与充电枪头808连接。

第一中空旋转平台803用于带动旋转关节804进行旋转。第一伺服电机805用于带动偏转关节806进行角度偏转。第二中空旋转平台807用于带动充电枪头808进行旋转。

其中，上述伸缩关节包括：第一伸缩节801、第二伸缩节810、第三伸缩节811、电动推杆802和气缸。

第一伸缩节801、第二伸缩节810和第三伸缩节811均为中空结构，且第一伸缩节801套设第二伸缩节810，第二伸缩节810套设第三伸缩节811。

电动推杆802的一端与气缸中活塞的自由端连接。电动推杆802的另一端与第三伸缩节811的一端连接。

为了能够拍摄得到待充电车辆9充电口的图像，本发明还在充电机械臂8上设置有第一摄像头809。该第一摄像头809安装在充电枪头808上。

此外，本发明还对应提供了一中采用上述充电机械臂8进行自动化充电的智能充电装置，如图2所示和图3所示，该自动化智能充电装置，包括：充电桩1、支架、控制箱6和上述充电机械臂8。

控制箱6设置在支架的支撑横臂4上。充电机械臂8中伸缩关节的自由端与控制箱6固定连接，且伸缩关节的竖直中心线与控制箱6的水平中心线垂直。

控制箱6包括控制器11。控制器11分别与充电机械臂8中的伸缩关节、第一中空旋转平台803、第一伺服电机805、第二中空旋转平台807和充电枪头808电连接。充电箱分别与控制器11和充电机械臂8中的充电枪头808连接。

控制器11生成控制指令。控制指令包括伸长控制指令、旋转控制指令、角度调节指令和充电开始/停止控制指令。伸长控制指令用于确定伸缩关节的伸缩长度。旋转指令用于控制充电机械臂8中旋转关节804和充电枪头808进行旋转的角度。角度调节指令用于控制充电机械臂8中偏转关节806的偏转角度。

其中，上述充电桩1优选包括：第三伺服电机和卷线装置。

第三伺服电机与控制器11电连接。卷线装置与第三伺服电机机械连接。第三伺服电机用于根据控制器11中生成的放/收线指令控制卷线装置的正反转，以完成电线的收放。

在本发明中充电桩1的位置可以根据实际布置场地进行优化选择，在本发明中其优选设置方式如图2-4所示。

上述自动化智能充电装置，还包括第二摄像头7。

第二摄像头7与控制器11电连接，且第二摄像机设置在控制箱6上，时为了便于第二摄像头7能够拍摄得到整个待充电车辆9的外形图像，以便控制器11能够精确判断得到代充电车辆的型号，进而快速得到待充电车辆9充电口的具体坐标。其中，第二摄像头7的设置位置也可以选择在滑轮模块10或滑动模块14上，如图3-4所示。

此外，为了进一步增加整个自动化智能充电装置的稳定性，如图2和图3所示，上述支架具有两种不同结构。其中一种支架的结构如图2所示，其包括第一桁架3和第二桁架12。

支撑横臂4的一端与第一桁架3滑动连接。支撑横臂4的另一端与第二桁架12滑动连接。

另一种支架的结构如图3所示，其包括立式桁架13和滑动模块14。

支撑横臂4的一端与立式桁架13通过滑轮模块10连接，且支撑横臂4的长度中心线与立式桁架13的长度中心线垂直。支撑横臂4的另一端为自由端。

并且，为了解决现有技术中一个充电装置不能在整个停车区域进行滑动充电的确定，本发明提供的自动化智能充电装置可以进一步包括：滑轨、第二伺服电机5和滑轮模块10。

滑轨设置在支撑横臂4上。滑轮模块10固定设置在控制箱6上，且滑轮模块10与滑轨匹配设置。第二伺服电机5设置在支架上，且第二伺服电机5与控制器11电连接。第二伺服电机5用于根据控制器11生成的控制指令带动控制箱6在支撑横臂4上进行滑动。

通过这一设置能够使自动化智能充电装置中的充电机械臂8在支撑横梁上滑动，进而打破传统充电位置固定的缺陷。

下面针对上述采用的各个部件的具体功能对本发明提供的充电机械臂和自动化智能充电装置的具体结构和作用进行说明。

充电桩1可根据环境条件安装在地面或者墙壁上等靠近支架的位置，其内部布置有卷线装置，通过第三伺服电机驱动卷线装置实现充电线2的缩放。表面设置的显示模块还可显示充电情况等信息。

充电线2采用常规的直流/交流充电线，一部分位于充电桩1内部，并沿桁架(第一、第二桁架或立式桁架)及支撑横臂4布置，另一部分位于充电机械臂8内部，通过控制充电桩1内部的第三伺服电机的工作使充电线2适时缩放以匹配支撑横臂4、控制箱6和充电机械臂8的运动。

第一桁架3和第二桁架12均为立式桁架13，主要用来实现支撑横臂4。

支撑横臂4位于第一桁架3和第二桁架12上，通过第二伺服电机5的驱动可在支架上沿X方向运动，并带动控制箱6运动。

第二伺服电机5位于支撑横臂4两侧与第一桁架3的结合处，用来实现支撑横臂4上控制箱6的运动。

控制箱6安装支撑横臂4上，可在支撑横臂4上沿Y方向来回移动，箱体内部布置有：CPU处理器(控制器11)、RAM运行内存和SSD存储硬盘等一整套微型电脑设备(图2中未画出)，用以存储信息并发送指令控制整个充电装置的运动。

第二摄像头7拟采用RGB-D摄像头，安装在控制箱6上，其具有视野范围广、图像识别精确等特点。

充电机械臂8的端部与控制箱6固定连接，其内部中空，用于布置充电线2和电动推杆802等结构，头部安装有充电枪头808，具体的结构形式如图1所示，其中：

(1)充电线2穿过控制箱6，沿机械臂的伸缩关节壁布置，并从第三伸缩节811穿出，绕过旋转关节804从偏转关节806处与充电枪头808连接。

(2)电动推杆802为市面已有产品，通过电机驱动与螺杆传动实现多节杆件的伸缩。电动推杆802的端部固定在控制箱6内部，头部以及中间位置与机械臂伸缩关节连接，通过电动推杆802的伸缩带动充电机械臂8的关节实现伸缩。

(3)第一中空旋转平台803为市面已有产品，由小型电机和减速机组成，可实现台面的转动，定子部分与机械臂伸缩关节连接，转子部分与旋转关节804连接，可实现空间360°范围的旋转。

(4)第一伺服电机805将旋转关节804与偏转关节806连接，定子部分固定在旋转关节804内部，通过转子的转动带动偏转关节806实现平面内的摆动，以实现充电枪头808的角度调整。

(6)第二中空旋转平台807与第一中空旋转平台803的构造相同，定子部分连接偏转关节806，转子部分连接充电枪头808，以实现充电枪头808的转动。本发明中的充电枪头808优选采用标准的直流/交流充电接头。

(9)第一摄像头809安装在充电枪头808前端位置，在运动过程中实时采集信息，用于充电口的准确定位和运动途中的障碍检测。

待充电车辆9为市面在售新能源车辆。

滑轮模块10安装在支撑横臂4上，下方连接有控制箱6，带动控制箱6在支撑横臂4上的运动。

控制器11安装在控制箱6内部，控制整个装置的运动及工作状态。

其中，各种桁架、支撑滑壁、伺服电机、滑轮模块或滑动模块均采用市面已有的天车行吊等产品。

基于以上设置，本发明提供的自动化智能充电装置的整体工作原理为：

在控制器11中预先录入市面上已有新能源汽车(包括电动汽车和混合动力汽车)的信息，该信息包括车型、充电口位于车辆上的左右位置、充电口相对于车辆的三维坐标等，并实时更新该信息库，增加新上市车型的相关信息。

当待充电车辆9停靠在停车位后，安装在控制箱6上的第二摄像头7识别出车辆的停放位置，发送信息给控制器11，使控制箱6移动到相应停车位的后方，同时，控制器11识别确定车辆的车型，获取系统中预先录入的该车型充电口位置信息。

通过第二摄像头7采集的图像，控制器11进一步识别车辆的位姿(车头车尾朝向、车身角度等)和车辆与支架间的距离后，结合确定的充电口位置信息计算得出充电口准确的空间位置坐标，根据该位置坐标，控制器11发送运动指令使充电机械臂8按程序设定的路径移动到车辆充电口的上方位置。

根据充电口空间位置坐标，控制器11控制充电机械臂8的缩放以带动充电枪向充电口位置运动，充电枪头808载有第一摄像头809(也可以替换为红外传感器)，可以实时探测充电枪头808前端是否有障碍物。若存在障碍物，则将障碍物信息返回给控制器11，控制器11重新规划充电机械臂8的运动路径。若无障碍物，则按预先规划的路径正常运动。

当充电枪头808靠近充电口位置时，充电机械臂8停止运动，控制器11依据第一摄像头809拍摄的图像进一步调整充电枪头808与车辆充电口的相对位置，精确对准后，充电机械臂8继续运动，完成对接。

充电装置自检，若存在安全隐患，充电枪脱离并停止工作，若无安全隐患，充电枪正常工作，开始为车辆充电，并可以通过CAN通讯实时传输充电状态到系统监控平台。

充电完成后，控制充电枪退出充电口，各结构(充电枪头808、充电机械臂8、控制箱6等)回复到初始状态，继续进行下一辆车的充电工作。

综上，本发明提供的电动汽车的充电机械臂和自动化智能充电装置还具有以下优点：

1、减少充电装置的占地面积：通过立式桁架以及一桩对多车的设计，可减少相同车位数量下的充电桩占地面积，提高充电装置的空间利用率。

2、提高资源利用率和充电效率：通过自动化、智能化以及一桩对多车的设计，可实现车辆的智能充电调度和自动充电，完成一辆车的充电后通过自动移动充电枪的位置即可进行下一辆车的充电，提高了充电枪的工作效率和资源利用率。

3、提高公共卫生安全：自动化、智能化的充电装置减少了人体与公共充电装置的直接接触，提高了公共充电桩的安全性。

4、降低新能源汽车停车场的建设成本：一桩对多车，减少充电桩数量。

5、减少电动汽车充电的人力成本：自动智能充电装置，可以减少充电站人员数量，降低人力成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种充电机械臂，其特征在于，包括：伸缩关节、第一中空旋转平台、旋转关节、第一伺服电机、偏转关节、第二中空旋转平台和充电枪头；

所述第一中空旋转台的定子与所述伸缩关节连接；所述第一中空旋转台的转子与所述旋转关节的一端连接；所述第一伺服电机的定子与所述旋转关节的另一端连接；所述第一伺服电机的转子与所述偏转关节的一端连接；所述偏转关节的另一端与所述第二中空旋转平台的定子连接；所述第二中空旋转平台的转子与所述充电枪头连接；

所述第一中空旋转平台用于带动所述旋转关节进行旋转；所述第一伺服电机用于带动所述偏转关节进行角度偏转；所述第二中空旋转平台用于带动所述充电枪头进行旋转。

2.根据权利要求1所述的充电机械臂，其特征在于，所述伸缩关节包括：第一伸缩节、第二伸缩节、第三伸缩节和电动推杆；

所述第一伸缩节、所述第二伸缩节和所述第三伸缩节均为中空结构，且所述第一伸缩节套设所述第二伸缩节，所述第二伸缩节套设所述第三伸缩节；

所述电动推杆与所述第三伸缩节的一端连接。

3.根据权利要求1所述的充电机械臂，其特征在于，所述充电机械臂还包括第一摄像头；

所述第一摄像头安装在所述充电枪头上。

4.一种自动化智能充电装置，其特征在于，包括：充电桩、支架、控制箱和如权利要求1-3任意一项所述的充电机械臂；

所述控制箱设置在所述支架的支撑横臂上；所述充电机械臂中伸缩关节的自由端与所述控制箱滑动连接，且所述伸缩关节的竖直中心线与所述控制箱的水平中心线垂直；

所述控制箱包括控制器；所述控制器分别与所述充电机械臂中的伸缩关节、第一中空旋转平台、第一伺服电机、第二中空旋转平台和充电枪头电连接；所述充电箱分别与所述控制器和所述充电机械臂中的充电枪头连接；

所述控制器生成控制指令；所述控制指令包括伸长控制指令、旋转控制指令、角度调节指令和充电开始/停止控制指令；所述伸长控制指令用于确定所述伸缩关节的伸缩长度；所述旋转指令用于控制所述充电机械臂中旋转关节和所述充电枪头进行旋转的角度；所述角度调节指令用于控制所述充电机械臂中偏转关节的偏转角度。

5.根据权利要求1所述的一种自动化智能充电装置，其特征在于，所述自动化智能充电装置还包括：滑轨、第二伺服电机和滑轮模块；

所述滑轨设置在所述支撑横臂上；所述滑轮模块固定设置在所述控制箱上，且所述滑轮模块与所述滑轨匹配设置；所述第二伺服电机设置在所述支架上，且所述第二伺服电机与所述控制器电连接；所述第二伺服电机用于根据所述控制器生成的控制指令带动所述控制箱在所述支撑横臂上进行滑动。

6.根据权利要求1所述的一种自动化智能充电装置，其特征在于，所述充电桩包括：第三伺服电机和卷线装置；

所述第三伺服电机与所述控制器电连接；所述卷线装置与所述第三伺服电机机械连接；所述第三伺服电机用于根据所述控制器中生成的放/收线指令控制所述卷线装置的正反转，以完成电线的收放。

7.根据权利要求1所述的一种自动化智能充电装置，其特征在于，所述自动化智能充电装置，还包括第二摄像头；

所述第二摄像头与所述控制器电连接，且所述第二摄像机设置在所述控制箱上；

所述第二摄像头和所述充电机械臂中的第一摄像头均用于拍摄待充电车辆图像；所述控制器根据所述待充电车辆图像生成所述控制指令。

8.根据权利要求1所述的一种自动化智能充电装置，其特征在于，所述支架包括第一桁架和第二桁架；

所述支撑横臂的一端与所述第一桁架滑动连接；所述支撑横臂的另一端与所述第二桁架滑动连接。

9.根据权利要求5所述的一种自动化智能充电装置，其特征在于，所述支架包括立式桁架和滑动模块；

所述支撑横臂的一端与所述立式桁架通过所述滑轮模块连接，且所述支撑横臂的长度中心线与所述立式桁架的长度中心线垂直；所述支撑横臂的另一端为自由端。

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