CN113752895B - 换电机器人、换电系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换电机器人、换电系统及其工作方法。该换电机器人包括：行走机构；主臂，主臂竖直设于行走机构上；悬臂，悬臂垂直于主臂的高度方向设置于主臂上，且在悬臂的下方设有平行于主臂高度方向的第一抓手；第二抓手，第二抓手设于主臂上，且垂直于主臂的高度方向设置，第二抓手与第一抓手对应设置。该换电系统包括：充电工位、输送装置和本发明的换电机器人。本发明的换电机器人、换电系统及其工作方法，一机配置两套抓手，兼容顶部吊装和侧部抓取两种电池更换方式，其具有结构简单、适用性广泛，减小了换电机器人的占地面积，降低了产品投资成本，可以在各个充电工位以及待换电设备之间移动，将电池运送至指定位置并进行更换。

Description

换电机器人、换电系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及换电设备技术领域，尤其涉及一种换电机器人、换电系统及其工作方法。

背景技术

目前，电动重卡电池更换方式主要有顶部吊装方式和侧边抓取方式两种，而顶部吊装的方式需要利用顶部吊装机器人进行电池更换，而侧边抓取的方式需要利用侧边抓取机器人进行电池更换。

现有技术中，要实现顶部吊装和侧边抓取两种方式进行更换电池，需要两套换电机器人，资源成本浪费。侧边抓取机器人的电池抓取机构为单一结构，只能侧边抓取电池，对于需要从顶部吊装的电池不能进行抓取；而顶部吊装机器人的吊装机构为单一结构，只能从顶部进行吊装，对于需要从侧部抓取的电池不能进行吊装。

发明内容

本发明提供一种换电机器人、换电系统及其工作方法，用以解决现有技术中换电机器人只能实现单一电池更换方式的缺陷。

本发明提供一种换电机器人，包括：

行走机构；

主臂，所述主臂竖直设于所述行走机构上；

悬臂，所述悬臂垂直于所述主臂的高度方向设置于所述主臂上；

第一抓手，所述第一抓手设于所述悬臂的下方且平行于所述主臂的高度方向设置；

第二抓手，所述第二抓手设于所述主臂上，且垂直于所述主臂的高度方向设置，所述第二抓手与所述第一抓手对应设置。

根据本发明提供的一种换电机器人，还包括顶升机构，所述顶升机构设置于所述行走机构与所述主臂之间，且所述顶升机构沿所述主臂的高度方向升降运动。

根据本发明提供的一种换电机器人，还包括旋转机构，所述旋转机构设置于所述行走机构与所述主臂之间，且所述旋转机构绕所述主臂的轴向转动运动。

根据本发明提供的一种换电机器人，顶升机构包括支撑套和顶升套，所述支撑套固定于所述行走机构上，在所述支撑套沿其高度方向设有导轨，所述顶升套沿所述导轨滑动设置于所述支撑套上；所述旋转机构包括旋转套和固定套，所述固定套固定于所述顶升套上，所述旋转套转动设置于所述固定套上，且所述主臂的一端固定于所述转动套上。

根据本发明提供的一种换电机器人，所述悬臂沿水平的多个方向延伸，且均绕所述主臂的周向间隔均匀设置。

根据本发明提供的一种换电机器人，所述行走机构包括支撑架、转向单元和行走轮，所述转向单元转动设置于所述支撑架的底部，所述行走轮转动设置于所述转向单元的底部，且所述行走轮的转动轴线垂直于所述转向单元的转动轴线。

根据本发明提供的一种换电机器人，还包括定位销，所述定位销设于所述主臂上，且垂直于所述主臂的高度方向设置。

根据本发明提供的一种换电机器人，所述第一抓手设置在所述悬臂的底部，所述第二抓手和所述定位销设置在所述主臂的侧部，所述定位销与所述第二抓手对应设置，且所述定位销位于所述第二抓手的下方。

本发明还提供一种换电系统，包括：充电工位、输送装置、轨道和本发明提供的换电机器人，所述输送装置对应连接于所述充电工位的底部且与所述充电工位的排列方向垂直，所述轨道平行于所述充电工位的排列方向设置，所述行走机构沿所述输送装置延伸方向以及所述轨道延伸方向移动。

本发明还提供一种换电系统的工作方法，包括：

换电机器人靠近充电工位，并通过第一抓手或第二抓手抓取由充电工位通过输送装置移动到位的满电电池；

通过闲置的第一抓手或第二抓手抓取车辆上的车载电池；

将第一抓手或第二抓手抓取的满电电池安装到车辆上。

本发明提供的一种换电机器人，利用行走机构可在不同电池的位置之间进行移动，利用第一抓手和第二抓手可实现从顶部吊装和侧部抓取两种更换电池的方式。采用本发明的换电机器人，一机配置两套抓手，可兼容顶部吊装和侧部抓取两种电池更换方式，该换电机器人具有结构简单、适用性广泛，减小了换电机器人的占地面积，降低了产品投资成本。

进一步地，本发明还提供一种换电系统，通过输送装置将电池输送到位，便于换电机器人抓取和充电工位进行充电，换电机器人通过其行走机构可以在各个充电工位以及待换电设备之间移动，将电池运送至指定位置并进行更换。

更进一步地，本发明还提供一种换电系统的工作方法，可通过一台换电机器人实现顶部吊装和侧部抓取两种换电方式，并且可通过与输送装置、待换电设备之间的交互进行自动更换电池。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的换电机器人的主视示意图；

图2是本发明提供的换电机器人的俯视示意图；

图3是本发明提供的换电系统的俯视示意图；

附图标记：

1：车辆；            2：充电电池；        3：充电工位；

4：输送装置；        5：轨道；            6：换电机器人；

7：车载电池；        8：电池缓冲位置；

21：满电电池；       22：欠电电池；

61：行走机构；       62：旋转机构；       63：悬臂；

64：第一抓手；       65：定位销；         66：顶升机构；

67：第二抓手；       68：主臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合图1和图2描述本发明的一种换电机器人。该换电机器人可以应用于例如重卡、重机等重型作业机械或换电设备的电池更换。以下则以一种需要换电池的车辆为例进行描述。

该换电机器人6包括：行走机构61、旋转机构62、顶升机构66、主臂68、悬臂63、第一抓手64、第二抓手67、驱动部件和控制器等。

其中，行走机构61位于换电机器人6整个装置的底部，其主要作用为带动其上的装置元件进行移动，移动到充电工位3并抓取满电电池21以及移动到车辆1旁边抓取车载电池7并安装满电电池21。本实施例中的行走机构61具有转向功能，至少能够横向(即图3中X方向)和纵向(即图3中Y方向)两个方向进行移动，即能够移动靠近充电工位3、沿着充电工位3的排列方向移动以及移动靠近待更换电池车辆1。一般地，充电工位3呈两列布置，每一列与来车方向垂直，换电机器人6在两列充电工位3之间行走，也即每两列充电工位3之间设置一个换电机器人6。

主臂68竖直设于行走机构61上；悬臂63垂直于主臂68的高度方向设置于主臂68上，即悬臂63为水平延伸设置，且在悬臂63的下方设有平行于主臂68高度方向的第一抓手64。在本实施例中，悬臂63至少朝水平的两个方向延伸。每个方向悬臂63的底部均对应设置第一抓手64，一个方向的悬臂63通过第一抓手64可抓取欠电电池22，另一个方向的悬臂63通过第一抓手64可抓取/安装满电电池21，通过不同方向悬臂63下的第一抓手64可采用不同的抓取或安装动作。

进一步地，第一抓手64设置在悬臂63的底部，且第一抓手64朝向下方，其主要用于从电池顶部进行顶部吊装抓取，并能够将电池放置在指定位置上，即放置于车辆1或充电工位3上。为了保证抓取的稳定性，避免电池脱落，每个悬臂63上至少水平设置两个第一抓手64，从顶部进行吊装电池。

第二抓手67设于主臂68上，且垂直于主臂68的高度方向设置，第二抓手67与第一抓手64对应设置。进一步地，第二抓手67设置在主臂68的侧部，且第二抓手67水平朝外，其主要用于从电池侧部进行侧部抓取，并能够将电池放置在指定位置上，即放置于车辆1或充电工位3上。第二抓手67与第一抓手64为成对出现，第一抓手64和对应的第二抓手67用于抓取同一块电池，不同之处在于，二者是依据电池的布置结构或抓取方式的不同所使用，即第一抓手64应用于顶部吊装更换电池方式，第二抓手67应用于侧部抓取更换电池方式。

更进一步地，第一抓手64和第二抓手67可采用多种形式对电池进行抓取：例如可采用由电力驱动的机械手，机械手可以实现张开和抓紧两种动作，可以与电池外壳顶部或侧部的相应抓取位置配合抓取或释放；还可以采用磁性吸盘的形式，利用电生磁的原理，控制电路通断，以实现磁性吸盘带磁或不带磁，当磁性吸盘具有磁性时，可以与电池外壳配合进行抓取或释放，当磁性吸盘不具有磁性时，电池由磁性吸盘释放；还可以采用伸缩式机构，即第一抓手64沿悬臂63的水平方向伸缩，用于与电池上方的水平凹槽位置进行固定，当第一抓手64由凹槽进入时为水平收缩状态，当进入到凹槽内后变为水平伸长状态，使得第一抓手64与凹槽卡接固定，实现电池的抓取。

驱动部件可采用电机、驱动油缸和传动构件等组成，主要用于给行走机构61、旋转机构62、顶升机构66以及第一抓手64和第二抓手67等提供动力。而电机的电力来源可采用蓄电池等。控制器则主要用于控制行走机构61、旋转机构62、顶升机构66以及第一抓手64和第二抓手67的工作状态，其也具有信息交互功能，可以与用于给电池充电的充电工位3，用于运送电池到位的输送装置4以及待换电车辆1进行信息交互，以便配合进行电池更换。

本发明提供的一种换电机器人6，利用行走机构61可在不同电池的位置之间进行移动，利用第一抓手64和第二抓手67可实现从顶部吊装和侧部抓取两种更换电池的方式。采用本发明的换电机器人6，一机配置两套抓手，可兼容顶部吊装和侧部抓取两种电池更换方式，该换电机器人6具有结构简单、适用性广泛，减小了换电机器人6的占地面积，降低了产品投资成本。

在本发明的其中一个实施例，该换电机器人6还包括顶升机构66，顶升机构66设置于行走机构61与主臂68之间，且顶升机构66沿主臂68的高度方向升降运动。在本实施例中，顶升机构66用于驱动主臂68进行升降运动，在其进行升降运动时，从而带动主臂68上的第一抓手64和第二抓手67进行同样的升降运动，顶升机构66主要用在第一抓手64吊装电池时或需要调整电池的安装高度时所使用。

具体地，顶升机构66包括支撑套和顶升套，支撑套固定于行走机构61上，在支撑套沿其高度方向设有导轨，顶升套沿导轨滑动设置于支撑套上。在支撑套和顶升套之间可采用推杆或油缸等动力部件驱动，利用电机驱动推杆/油缸进行伸缩，从而带动顶升套沿导轨方向进行升降运动，实现顶升机构66的升降运动。

在本发明的其中一个实施例，该换电机器人6还包括旋转机构62，旋转机构62设置于行走机构61与主臂68之间，且旋转机构62绕主臂68的轴向转动运动。旋转机构62能够绕其轴向进行转动，从而带动主臂68上的第一抓手64和第二抓手67一同旋转。当抓取欠电电池22/满电电池21时，通过旋转机构62转动至具有闲置抓手的一侧进行抓取，当安装满电电池21时，通过旋转机构62转动至抓手夹持满电电池21的一侧。可以预先将欠电电池22取下，位于另一侧的满电电池21可通过旋转机构62转向至车辆1方向，将不同状态的电池放置在主臂68两侧，从而保证悬臂63每个方向的电池均为同一类型电池，即都是欠电电池22或都是满电电池21，避免电池更换错误，也更有利于电池更换的调配。

具体地，旋转机构62包括旋转套和固定套，固定套固定于顶升机构66的顶升套上，旋转套转动设置于固定套上，且主臂68的一端固定于转动套上。在固定套上设有圆形导轨，旋转套设置在圆形导轨上，利用电机和齿轮等部件驱动旋转套在圆形导轨上进行旋转，从而实现旋转机构62的旋转运动。

在本发明的其中一个实施例，悬臂63沿水平的多个方向延伸，且均绕主臂68的周向间隔均匀设置。在本实施例中，悬臂63为沿多个方向延伸，即可以利用第一抓手64和第二抓手67抓取多列电池，优选地，如图1所示，悬臂63由主臂68的两侧延伸出来，左侧用于搭载满电电池21，右侧用于搭载欠电电池22，利用旋转机构62可以调整悬臂63的位置，保证相应的电池由对应侧的第一抓手64或第二抓手67抓取，便于机器人的控制调节。应当理解的是，悬臂63也可以沿三个或四个方向延伸，但对于不同列的电池容量则有一定限制，本发明可依据实际情况搭载多列电池，本发明不局限于此。

在本发明的其中一个实施例，行走机构61包括支撑架、转向单元和行走轮，转向单元转动设置于支撑架的底部，行走轮转动设置于转向单元的底部，且行走轮的转动轴线垂直于转向单元的转动轴线。在本实施例中，行走机构61至少能沿两个垂直方向进行移动，通过转向单元控制行走轮的移动方向，行走轮的移动则通过电机或发动机等驱动。一般地，为了保证行走机构61的正常平稳行走，可以在支撑架底部对应设置四个行走轮。

在本发明的其中一个实施例，该换电机器人6还包括定位销65，定位销65设于主臂68上，且垂直于主臂68的高度方向设置。在本实施例，定位销65主要用于对电池进行高度方向的定位，以便第二抓手67能够从电池的侧部进行抓取，当定位销65与电池外壳的定位孔匹配后，第二抓手67则对电池的侧部进行抓取，保证第二抓手67抓取在电池的合适位置上，从而确保第二抓手67能够顺利抓取电池并将电池安装在预定的位置上。

进一步地，定位销65设置在主臂68的侧部，定位销65与第二抓手67对应设置，且定位销65位于第二抓手67的下方。每个第二抓手67的下部均相应设置一个定位销65，保证每一个抓取和安装的电池均能够通过定位销65定位精准。

本发明还提供一种换电系统，包括：充电工位3、输送装置4、轨道5和本发明提供的换电机器人6，输送装置4对应连接于充电工位3的底部且与充电工位3的排列方向垂直，轨道5平行于充电工位3的排列方向设置，行走机构61沿输送装置4延伸方向以及轨道5延伸方向移动。

具体地。充电工位3配有充电设备，用于对充电电池2进行充电。输送装置4用于对电池进行输送，其垂直充电工位3的排列方向，该输送装置4能够将满电电池21移动至前端以便换电机器人6进行抓取，还能够将由换电机器人6更换下来的欠电电池22移动至后端，以便充电工位3对欠电电池22进行充电。轨道5的方向与充电工位3的排列方向一致，则换电机器人6可以沿着轨道5抓取不同充电工位3上的满电电池21，并能够沿着轨道5移动至车辆1的位置进行电池更换。

进一步地，输送装置4包括滑轨和两个电机，电池位于滑轨上，通过一个电机正转驱动滑轨由充电工位3前端伸出，以便将满电电池21送至换电机器人6抓取的位置，通过另一个电机反转驱动滑轨由充电工位3前端收回，以便将欠电电池22送至充电工位3内进行充电。

如图3所示，本发明还提供一种换电系统，通过输送装置4将电池输送到位，便于换电机器人6抓取和充电工位3进行充电，换电机器人6通过其行走机构61可以在各个充电工位3以及待换电设备之间移动，将电池运送至指定位置并进行更换。

在本发明的其中一个实施例中，该换电系统中的换电机器人6、输送装置4均设有信号收发单元，换电机器人6内部的信号收发单元主要用于与输送装置4和车辆1的信号收发单元进行信号交互。即，当换电系统开始工作时，输送装置4将电池运送到电池缓冲位置8，则利用信号收发单元命令换电机器人6靠近输送装置4抓取满电电池21，当车辆1需要更换电池时，通过其内部的信号收发单元命令换电机器人6靠近车辆1进行电池更换。

在本发明的其中一个实施例中，该换电系统中的换电机器人6还配置有多种传感器，其可以为图像传感器，主要用于识别电池位置和车辆位置进行有效抓取和安装。

本发明还提供一种换电系统的工作方法，包括：

S1、换电机器人6靠近充电工位3，并通过第一抓手64或第二抓手67抓取由充电工位3通过输送装置4移动到位的满电电池21；

S2、通过闲置的第一抓手64或第二抓手67抓取车辆1上的车载电池7；

S3、将第一抓手64或第二抓手67抓取的满电电池21安装到车辆1上。

具体地，本换电系统的工作方法需要换电机器人6、充电工位3、输送装置4和车辆1之间的配合完成。

开始电池更换流程时，首先输送装置4将充电工位3充满电的电池运送到前端的电池缓冲位置8，换电机器人6移动到电池缓冲位置8附近利用第一抓手64进行顶部吊装抓取或利用第二抓手67进行侧部抓取满电电池21；之后，车辆1停靠，关闭电源，发送需要更换电池的信号，由换电机器人6接收到信号后，利用闲置的第一抓手64或第二抓手67抓取车辆1上的车载电池7，之后换电机器人6利用旋转机构62进行旋转，直至抓取的满电电池21朝向车辆1方向，第一抓手64或第二抓手67释放满电电池21，将其放置在车辆1的合适位置上。最后，车辆1上锁、自检，结束换电流程。

本发明提供的一种换电系统的工作方法，可通过一台换电机器人6实现顶部吊装和侧部抓取两种换电方式，并且可通过与输送装置4、待换电设备之间的交互进行自动更换电池。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种换电机器人，其特征在于，包括：

行走机构；

主臂，所述主臂竖直设于所述行走机构上；

悬臂，所述悬臂垂直于所述主臂的高度方向设置于所述主臂上；

顶升机构，所述顶升机构设置于所述行走机构与所述主臂之间，且所述顶升机构沿所述主臂的高度方向升降运动；

第一抓手，所述第一抓手设于所述悬臂的下方且平行于所述主臂的高度方向设置，用于从电池顶部进行顶部吊装抓取；

第二抓手，所述第二抓手设于所述主臂上，且垂直于所述主臂的高度方向设置，所述第二抓手与所述第一抓手对应设置，用于从电池侧部进行侧部抓取，并能够将电池放置在指定位置上；

还包括定位销，所述定位销设于所述主臂上，且垂直于所述主臂的高度方向设置；所述第一抓手设置在所述悬臂的底部，所述第二抓手和所述定位销设置在所述主臂的侧部，所述定位销与所述第二抓手对应设置，且所述定位销位于所述第二抓手的下方。

2.根据权利要求1所述的换电机器人，其特征在于，还包括旋转机构，所述旋转机构设置于所述行走机构与所述主臂之间，且所述旋转机构绕所述主臂的轴向转动运动。

3.根据权利要求2所述的换电机器人，其特征在于，顶升机构包括支撑套和顶升套，所述支撑套固定于所述行走机构上，在所述支撑套沿其高度方向设有导轨，所述顶升套沿所述导轨滑动设置于所述支撑套上；所述旋转机构包括旋转套和固定套，所述固定套固定于所述顶升套上，所述旋转套转动设置于所述固定套上，且所述主臂的一端固定于所述旋转套上。

4.根据权利要求1所述的换电机器人，其特征在于，所述悬臂沿水平的多个方向延伸，且均绕所述主臂的周向间隔均匀设置。

5.根据权利要求1所述的换电机器人，其特征在于，所述行走机构包括支撑架、转向单元和行走轮，所述转向单元转动设置于所述支撑架的底部，所述行走轮转动设置于所述转向单元的底部，且所述行走轮的转动轴线垂直于所述转向单元的转动轴线。

6.一种换电系统，其特征在于，包括：充电工位、输送装置、轨道和根据权利要求1-5中任意一项所述的换电机器人，所述输送装置对应连接于所述充电工位的底部且与所述充电工位的排列方向垂直，所述轨道平行于所述充电工位的排列方向设置，所述行走机构沿所述输送装置延伸方向以及所述轨道延伸方向移动。

7.一种基于权利要求6所述的换电系统的工作方法，其特征在于，包括：

换电机器人靠近充电工位，并通过第一抓手或第二抓手抓取由充电工位通过输送装置移动到位的满电电池；

通过闲置的第一抓手或第二抓手抓取车辆上的车载电池；

将第一抓手或第二抓手抓取的满电电池安装到车辆上。

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