CN115194802B - 一种新能源重卡快速换电用机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手领域，具体涉及一种新能源重卡快速换电用机械手，其包括连接伺服系统和抓持器的连接节点，连接节点包括第一连接件、第二连接件和抓取器，第一连接件的底部连接有咬合母件，第二连接件通过柔性连接结构悬吊在第一连接件的下方，第二连接件的顶部连接有咬合公件，第二连接件的底部连接有抓持器，抓取器与第一连接件连接，抓取器能够抓取第二连接件使其靠近第一连接件并且使得咬合母件和咬合公件咬合。本申请提供了一种能够切换刚性和柔性状态的连接节点，并且使用连接节点连接伺服系统的执行部与抓持器，机械手能够根据需要选择刚性模式或者柔性模式，从而获得了具有六个自由度但是无需六个动力源的机械手。

Description

一种新能源重卡快速换电用机械手

技术领域

本发明涉及机械手领域，具体涉及一种新能源重卡快速换电用机械手。

背景技术

在新能源重型卡车的换电技术中，目前包括顶吊式和侧向换电两种换电模式。

关于顶吊式换电，顶吊式换电模式类似于天车，其包括能够横向移动的轨道车以及能够提升重物的卷扬机，其缺陷在于，使用钢缆绳提升、下放以及转移动力电池的过程中，动力电池容易摇摆、晃动，使得顶吊式换电的速度很慢，并且在开放式的换电站中，顶吊式换电装置不能在大风环境中作业。

关于侧向换电，由于新能源重型卡车的动力电池很重，因此使用侧向换电的方式更换其动力电池，需要庞大的单臂机器人，使其能够承载动力电池的重量，这使得侧向换电的换电站的建设成本很高，投入资金大。

如果使用机械手替代卷扬机抓取动力电池并且将其竖直升降，从而与重型卡车拆、接，则可以解决上述技术问题。

但是，重型卡车难以绝对精确地停靠在规定的位置，因此机械手需要能够在X轴Y轴方向平移，并且能够环绕Z轴旋转，以适应停靠不精确地重型卡车，倘若重型卡车因为两侧载货重量不同或者胎压不一致，以至于重型卡车的动力电池装载结构不是水平的，则机械手还需要能够环绕X轴和Z轴旋转，以适应不水平的动力电池装载结构，同时，机械手还需要能够沿Z轴方向移动以提升或下放动力电池，这就需要一个体积庞大的六轴联动的机械手，其价格是投资者难以承受的。

因此，需要一种价格便宜的机械手，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新能源重卡快速换电用机械手，以解决

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种新能源重卡快速换电用机械手，包括抓持器，所述抓持器用于抓持动力电池，所述抓持器通过连接节点与伺服系统的执行部连接，所述连接节点包括，第一连接件，所述第一连接件用于连接所述伺服系统的执行部，所述第一连接件的底部连接有咬合母件；第二连接件，所述第二连接件通过柔性连接结构悬吊在所述第一连接件的下方，所述第二连接件的顶部连接有咬合公件，所述第二连接件的底部连接有抓持器；抓取器，所述抓取器与所述第一连接件连接，所述抓取器能够抓取所述第二连接件使其靠近所述第一连接件并且使得所述咬合母件和所述咬合公件咬合，所述抓取器不工作时，所述咬合公件与所述咬合母件无接触。

优选地，所述柔性连接结构是钢缆，所述柔性连接结构的长度大于所述咬合母件与所述咬合公件的高度之和。

优选地，所述柔性连接结构的一端通过所述咬合母件与所述第一连接件连接，所述柔性连接结构的另一端通过所述咬合公件与所述第二连接件连接，所述咬合母件与所述第一连接件滑动连接，所述咬合母件能够竖直滑动，所述第一连接件上连接有用于支撑所述咬合母件重量的弹性件。

优选地，所述第一连接件上连接有导套，所述咬合母件是与所述导套滑动连接的导柱形状，所述咬合母件的顶端形成有径向朝外凸出的环状凸缘，所述弹性件套装在所述咬合母件上，所述弹性件的两端分别与所述导套、所述环状凸缘抵靠，所述咬合母件的底端连接有位于所述第一连接件下方的螺母。

优选地，所述咬合母件的底端形成有凹口，所述咬合公件的顶端形成有凸头，所述凸头插设在所述凹口内部时，所述咬合母件和所述咬合公件仅能够轴向移动。

优选地，所述第二连接件的顶部连接有检测端靠近所述第一连接件的底部的传感器，所述传感器用于检测所述第一连接件和所述第二连接件之间的距离并且通过控制器向所述抓持器发出工作信号，所述抓持器用于抓取或者释放动力电池。

优选地，所述抓取器包括连接在所述第一连接件边缘的多个驱动器，所述驱动器环绕所述第一连接件的中心线均布，所述驱动器的执行部竖直向下设置，每个所述驱动器的执行部均连接有抓取杆，所述抓取杆靠近所述第二连接件的边缘并且位于所述第二连接件底部的下方，所述驱动器用于驱动所述抓取杆升降使得所述抓取杆能够向上提升或者向下远离所述第二连接件。

优选地，所述第二连接件的底面形成有能够与每个所述抓取杆一一对应卡接的缺口，所述驱动器还用于驱动所述抓取杆旋转使其出入所述缺口，所述抓取杆仅能够从一个方向旋转进入到所述缺口内部，每个所述缺口的开口方向不完全相同。

优选地，所述第一连接件是平板形状，所述第一连接件的顶部连接有第一法兰盘，所述第一法兰盘用于连接所述伺服系统的执行部。

优选地，所述第二连接件是平板形状，所述第二连接件的底部连接有第二法兰盘，所述第二法兰盘用于连接所述抓持器。

本申请与现有技术相比较具有如下有益效果：

本申请提供了一种能够切换刚性和柔性状态的连接节点，并且使用所述连接节点连接所述伺服系统的执行部与所述抓持器，机械手能够根据需要选择刚性模式或者柔性模式，从而获得了具有六个自由度但是无需六个动力源的机械手。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为机械手连接至伺服系统的示意图；

图2为机械手的立体图；

图3为机械手的立体分解图；

图4为连接节点在刚性模式中的俯视图；

图5为图4的A-A方向的剖视图及其局部放大图；

图6为机械手释放动力电池时连接节点的工作状态的结构示意图；

图7为图4的B-B方向的剖视图及其局部放大图；

图8为连接节点在柔性模式中的结构示意图；

图9为连接节点在柔性模式中的仰视图；

图中的标号分别表示如下：

1-伺服系统；

2-第一连接件；2a-弹性件；2b-导套；2c-第一法兰盘；

3-咬合母件；3a-环状凸缘；3b-螺母；3c-凹口；

4-第二连接件；4a-传感器；4b-缺口；4c-第二法兰盘；

5-咬合公件；5a-凸头；5b-圆柱；5c-螺纹柱；

6-柔性连接结构；

7-抓取器；7a-驱动器；7b-抓取杆；

8-抓持器；8a-第三法兰盘；8b-框架；8b1-锥形插销；8c-转角下压气缸。

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。

如背景技术所言，现阶段，具有力反馈能够主动适应功能的六轴联动的机械手价格过于高昂。

但是，向重型卡车安装动力电池的过程中，动力电池底部的凹槽会与重型卡车上的定位结构逐级（一级、二级、三级）吻合，动力电池能够通过自身的重量以及定位结构的引导逐渐地自行调整自身的位置和姿态，动力电池的六轴移动可以“被动”地执行，而无需“主动”地执行。

因此，如果改进现有的机械手，使其具有六轴的自由度，而不需要六轴的动力源，也能够解决动力电池与重型卡车安装过程中的配合问题，在提升、下放或者平移动力电池时，将这六轴锁死，即可避免动力电池晃动，从而低成本地解决技术问题。

为此，如图1-9所示，本申请提供：

一种新能源重卡快速换电用机械手，包括抓持器8，抓持器8用于抓持动力电池，抓持器8通过连接节点与伺服系统1的执行部连接，所述连接节点包括，第一连接件2，第一连接件2用于连接伺服系统1的执行部，第一连接件2的底部连接有咬合母件3；第二连接件4，第二连接件4通过柔性连接结构6悬吊在第一连接件2的下方，第二连接件4的顶部连接有咬合公件5，咬合公件5与咬合母件3无接触，第二连接件4的底部连接有抓持器8；抓取器7，抓取器7与第一连接件2连接，抓取器7能够抓取第二连接件4使其靠近第一连接件2并且使得咬合母件3和咬合公件5咬合。

基于上述实施例，本申请提供一种由第一连接件2、咬合母件3、第二连接件4、咬合公件5、柔性连接结构6和抓取器7构成的连接节点，所述连接节点连接伺服系统1的执行部与抓持器8，并且所述连接节点可以在刚性/柔性之间选择其中一种模式，使得动力电池在对位校正的时候，伺服系统1的执行部与抓持器8柔性连接，而动力电池在转移的时候，伺服系统1的执行部与抓持器8刚性连接。

所述连接节点的刚性和柔性之间的切换由抓取器7实现，抓取器7抓持第二连接件4使其靠近第一连接件2并且使得咬合母件3和咬合公件5咬合时，所述连接节点是刚性的，抓取器7释放第二连接件4使得第二连接件4在重力的作用下自行下落，此时第一连接件2和第二连接件4仅通过柔性连接结构6连接时，所述连接节点是柔性的。

伺服系统1可以是任意现有的伺服系统，例如柱坐标机器人、笛卡尔坐标机器人，在本实施例中，伺服系统1仅需要具有X轴和Z轴方向驱动功能即可，即驱动动力电池上升、下降和横移的功能。

抓持器8可以是任意现有的动力电池的顶吊式抓持装置，无需重新设计。

本申请也不仅限于重卡的换电，在动力电池的装配、生产、转运过程中，需要应用到柔性定位的情况，也可以使用本申请的技术方案。

进一步的：

柔性连接结构6是钢缆，柔性连接结构6的长度大于咬合母件3与咬合公件5的高度之和。

柔性连接结构6的长度应当足够长，可以使得柔性连接结构6绷紧时，咬合母件3和咬合公件5处于分离状态，第一连接件2和第二连接件4之间柔性连接，进而使得第二连接件4具有六个自由度，同时柔性连接结构6也不宜过长，较长的柔性连接结构6需要尺寸较大的抓取器7，并且柔性连接结构6越长，第二连接件4能够自由移动时，被抓持器8抓持的动力电池的晃动就越大，因此柔性连接结构6的最佳尺寸是咬合母件3的高度＋咬合公件5高度＋10mm。

进一步的，第一连接件2和第二连接件4分离时，动力电池在重力的作用下自行下坠而产生较大的动能，为了缓冲这一动能：

柔性连接结构6的一端通过咬合母件3与第一连接件2连接，柔性连接结构6的另一端通过咬合公件5与第二连接件4连接，咬合母件3与第一连接件2滑动连接，咬合母件3能够竖直滑动，第一连接件2上连接有用于支撑咬合母件3重量的弹性件2a。

在本实施例中，柔性连接结构6贯穿咬合母件3和咬合公件5并且连接这两者，咬合母件3和咬合公件5轴心形成有与柔性连接结构6间隙配合的通孔。

在第一连接件2和第二连接件4分离时，第二连接件4和抓持器8伴随动力电池下落，然后柔性连接结构6绷紧进而带动咬合母件3向下滑动，弹性件2a被压缩，从而缓冲动力电池下落的动能。

进一步的，本实施例提供第一连接件2和咬合母件3的一种滑动连接结构：

第一连接件2上连接有导套2b，咬合母件3是与导套2b滑动连接的导柱形状，咬合母件3的顶端形成有径向朝外凸出的环状凸缘3a，弹性件2a套装在咬合母件3上，弹性件2a的两端分别与导套2b、环状凸缘3a抵靠，咬合母件3的底端连接有位于第一连接件2下方的螺母3b。

本实施例提供一种咬合公件5与第二连接件4的连接结构，咬合公件5包括同轴连接的圆柱5b和螺纹柱5c，圆柱5b的直径大于螺纹柱5c的直径，第二连接件4上形成有与螺纹柱5c螺纹连接的螺纹孔。

进一步的，本实施例提供咬合母件3和咬合公件5的一种咬合结构：

咬合母件3的底端形成有凹口3c，咬合公件5的顶端形成有凸头5a，凸头5a插设在凹口3c内部时，咬合母件3和咬合公件5仅能够轴向移动。

凹口3c优选为圆台形孔，凸头5a优选为圆台形柱，在凸头5a与凹口3c插接时，抓取器7驱动第一连接件2和第二连接件4相互靠近使得咬合母件3和咬合公件5不能轴向移动，进而使得第一连接件2和第二连接件4连接成刚性件。

进一步的，为了使得机械手能够自动工作：

第二连接件4的顶部连接有检测端靠近第一连接件2的底部的传感器4a，传感器4a用于检测第一连接件2和第二连接件4之间的距离并且通过控制器向抓持器8发出工作信号，抓持器8释放动力电池。

传感器4a优选为压力传感器，当压力传感器感受到压力时发出信号。

传感器4a也可以是光电开关或者金属接近开关，当光电开关或者金属接近开关感应到第一连接件2和第二连接件4之间的距离等于预设的距离时发出信号。

以下通过向重型卡车上安装动力电池为例，说明其工作流程：

S1，转移充满电的动力电池的过程中，咬合母件3和咬合公件5在抓取器7的作用下咬合，第一连接件2和第二连接件4处于刚性连接状态，此时，第一连接件2和第二连接件4之间的距离为H1；

S2，将动力电池向下并且朝向重型卡车上的定位结构移动，动力电池下降到一定的距离之后，抓取器7解除对第二连接件4的抓取，第一连接件2和第二连接件4处于柔性连接状态，此时，第一连接件2和第二连接件4之间的距离为H2；

S3，动力电池继续下降并且逐渐地与重型卡车上的定位结构吻合，动力电池停止移动；

S4，伺服系统1驱动机械手继续下降，因为动力电池不再下降，因此第二连接件4和抓持器8停止移动，第一连接件2带动咬合母件3继续下降，此时，弹性件2a处于回弹状态，并且咬合母件3和咬合公件5尚未接触；

S5，传感器4a采用光电开关，当第一连接件2和第二连接件4之间的距离等于(H1+H2)/2时，传感器4a发出信号，并且通过控制器向抓持器8和伺服系统1发出工作信号，抓持器8解除对动力电池的夹持，伺服系统1驱动机械手远离动力电池。

进一步的，本实施例提供抓取器7的一种结构：

抓取器7包括连接在第一连接件2边缘的多个驱动器7a，驱动器7a环绕第一连接件2的中心线均布，驱动器7a的执行部竖直向下设置，每个驱动器7a的执行部均连接有抓取杆7b，抓取杆7b靠近第二连接件4的边缘并且位于第二连接件4底部的下方，驱动器7a用于驱动抓取杆7b升降使得抓取杆7b能够向上提升或者向下远离第二连接件4。

进一步的，由于第二连接件4与第一连接件2通过柔性连接结构6连接时，第二连接件4可以自由地晃动，因此，驱动器7a驱动抓取杆7b提升第二连接件4的底面使其上升时，咬合公件5与咬合母件3不一定处于对准的姿态，仅依靠凹口3c和凸头5a的锥面调整第二连接件4的姿态较为困难，为此：

第二连接件4的底面形成有能够与每个抓取杆7b一一对应卡接的缺口4b，驱动器7a还用于驱动抓取杆7b旋转使其出入缺口4b，抓取杆7b仅能够从一个方向旋转进入到缺口4b内部，每个缺口4b的开口方向不完全相同。

具体的，驱动器7a是转角下压气缸，其能够驱动抓取杆7b升降同时驱动抓取杆7b旋转90度，缺口4b是三角形缺口，如图9所示，缺口4b环绕第二连接件4的中心线均布，但是四个缺口4b具有两种相反的开口方向，这也使得四个抓取杆7b具有两种旋转进入缺口4b的方向，四个抓取杆7b均通过不同的方向推动缺口4b的侧壁，使得每个抓取杆7b均与缺口4b卡合时，第二连接件4不能水平移动也不能转动。

进一步的，本申请提供第一连接件2的一种结构：

第一连接件2是平板形状，第一连接件2的顶部连接有第一法兰盘2c，第一法兰盘2c用于连接伺服系统1的执行部。

进一步的，本申请提供第二连接件4的一种结构：

第二连接件4是平板形状，第二连接件4的底部连接有第二法兰盘4c，第二法兰盘4c用于连接抓持器8。

进一步的，本实施例还提供一种顶吊式抓持器的结构作为示意：

抓持器8包括用于连接第二法兰盘4c的第三法兰盘8a，以及与第三法兰盘8a连接并且长宽基本等同于动力电池的框架8b，框架8b的四角设置有用于插入动力电池顶部锥形孔中的锥形插销8b1，框架8b的中部连接有用于吊挂动力电池的转角下压气缸8c。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新能源重卡快速换电用机械手，包括抓持器（8），所述抓持器（8）用于抓持动力电池，其特征在于，

所述抓持器（8）通过连接节点与伺服系统（1）的执行部连接，所述连接节点包括，

第一连接件（2），所述第一连接件（2）用于连接所述伺服系统（1）的执行部，所述第一连接件（2）的底部连接有咬合母件（3）；

第二连接件（4），所述第二连接件（4）通过柔性连接结构（6）悬吊在所述第一连接件（2）的下方，所述第二连接件（4）的顶部连接有咬合公件（5），所述咬合公件（5）与所述咬合母件（3）无接触，所述第二连接件（4）的底部连接有抓持器（8）；

抓取器（7），所述抓取器（7）与所述第一连接件（2）连接，所述抓取器（7）能够抓取所述第二连接件（4）使其靠近所述第一连接件（2）并且使得所述咬合母件（3）和所述咬合公件（5）咬合；

所述柔性连接结构（6）是钢缆，所述柔性连接结构（6）的长度＞所述咬合母件（3）与所述咬合公件（5）的高度之和；

所述柔性连接结构（6）的一端通过所述咬合母件（3）与所述第一连接件（2）连接，所述柔性连接结构（6）的另一端通过所述咬合公件（5）与所述第二连接件（4）连接，所述咬合母件（3）与所述第一连接件（2）滑动连接，所述咬合母件（3）能够竖直滑动，所述第一连接件（2）上连接有用于支撑所述咬合母件（3）重量的弹性件（2a）。

2.根据权利要求1所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述第一连接件（2）上连接有导套（2b），所述咬合母件（3）是与所述导套（2b）滑动连接的导柱形状，所述咬合母件（3）的顶端形成有径向朝外凸出的环状凸缘（3a），所述弹性件（2a）套装在所述咬合母件（3）上，所述弹性件（2a）的两端分别与所述导套（2b）、所述环状凸缘（3a）抵靠，所述咬合母件（3）的底端连接有位于所述第一连接件（2）下方的螺母（3b）。

3.根据权利要求2所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述咬合母件（3）的底端形成有凹口（3c），所述咬合公件（5）的顶端形成有凸头（5a），所述凸头（5a）插设在所述凹口（3c）内部时，所述咬合母件（3）和所述咬合公件（5）仅能够轴向移动。

4.根据权利要求1所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述第二连接件（4）的顶部连接有检测端靠近所述第一连接件（2）的底部的传感器（4a），所述传感器（4a）用于检测所述第一连接件（2）和所述第二连接件（4）之间的距离并且通过控制器向所述抓持器（8）发出工作信号，所述抓持器（8）用于在所述第一连接件（2）和所述第二连接件（4）靠近时释放所述第二连接件（4）。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述抓取器（7）包括连接在所述第一连接件（2）边缘的多个驱动器（7a），所述驱动器（7a）环绕所述第一连接件（2）的中心线均布，所述驱动器（7a）的执行部竖直向下设置，每个所述驱动器（7a）的执行部均连接有抓取杆（7b），所述抓取杆（7b）靠近所述第二连接件（4）的边缘并且位于所述第二连接件（4）底部的下方，所述驱动器（7a）用于驱动所述抓取杆（7b）升降使得所述抓取杆（7b）能够向上提升或者向下远离所述第二连接件（4）。

6.根据权利要求5所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述第二连接件（4）的底面形成有能够与每个所述抓取杆（7b）一一对应卡接的缺口（4b），所述驱动器（7a）还用于驱动所述抓取杆（7b）旋转使其出入所述缺口（4b），所述抓取杆（7b）仅能够从一个方向旋转进入到所述缺口（4b）内部，每个所述缺口（4b）的开口方向不完全相同。

7.根据权利要求1所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述第一连接件（2）是平板形状，所述第一连接件（2）的顶部连接有第一法兰盘（2c），所述第一法兰盘（2c）用于连接所述伺服系统（1）的执行部。

8.根据权利要求1所述的一种新能源重卡快速换电用机械手，其特征在于，

所述第二连接件（4）是平板形状，所述第二连接件（4）的底部连接有第二法兰盘（4c），所述第二法兰盘（4c）用于连接所述抓持器（8）。

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