CN116345238A - 一种柔性对接机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性对接机构，包括与充电枪头（1）对接的柔性连接盒（2），盒内连有自锁结构（3），其包括缠绕线圈（32）的磁芯（31），磁芯（31）的一端连有弹簧（33）和钢珠套（34），钢珠套（34）上设有钢珠（35）；钢珠套（34）嵌入自锁槽（22b）内，弹簧（33）的一端伸入插接腔（34a）内抵住钢柱套（34）和钢珠（35），自锁槽（22b）内设有固定针过孔（22c），充电枪头（1）的固定针（1a）穿过固定针过孔（22c）伸入插接腔（34a）内并沿径向挤压钢珠（35）。本发明的优点是自适应充电枪与充电座的位置偏差，有效避免充电座与充电枪位置错动造成的设备损坏。

Description

一种柔性对接机构

技术领域

本发明涉及汽车充电设备技术领域，尤其是一种柔性对接机构。

背景技术

自动充电机器人完成充电枪插入到汽车充电座的动作之后，如若乘用车内人员上下车辆，会导致车端充电座高度位置变动，而充电枪头因与自动充电机器人固连，空间位置不会变动，从而会导致充电枪与充电座空间上相互错动，这样的错动会损坏连接器或者自动充电机器人及车辆。

为了避免上述问题，现有技术主要通过将枪头位置做成浮动的方式来实现。享奕自动化公司设计的蛇形自动充电机器人中，例如专利CN109094413B中公开了一种导向关节机构及绳驱机械臂，它们的机器人关节通过两侧绳子反方向拉扯，来控制机器人关节的运动角度，并由绳子提供保持关节角度的力。多个运动关节互相配合，可实现充电枪的对接。如果完成插枪，则可以将各关节的绳子放松，从而各个关节不受绳子的约束力，其关节角度不受约束，可在一定范围浮动。在此状态下，充电座高度位置变动时，会带动机器人各运动关节一起自适应转动，从而实现柔性对接，并适应充电座高度位置变动的工况。

但是，现有的拉线式对接机构存在以下缺点：

（1）拉线式柔性机构必须与特定的拉线式关节机器人构型结合，而该类型的自动充电机器人存在对接精度低等问题，因此其使用有相当大的限制。

（2）成本高。若将拉线式机构独立出来，仅在枪头处做出该柔性机构，则单独做一个这样的机构一个活动关节至少要包括两个电机及许多传动部件，成本非常高，一个关节估价至少几千元。

（3）体积大。由于拉线式柔性方案包含众多零件，例如机加零件、电机驱动、丝杆模组及控制电路板，该机构体积非常大，占用空间多，对于乘用车侧方自动充电的使用场景，体积大是一项极大的推广劣势。

（4）重量大。由于零件众多，单独制作该类型的柔性对接机构，会使充电枪头组件重量较重，受限于关节机械臂本身的承力，该机构很难应用到自动充电中，即使能够应用，往往仅限应用于小功率充电等枪头枪线不重的场景。

（5）控制方式复杂。由于同一个转动关节或者移动关节均由两条绳子及两个驱动电机控制，因此为控制该转动关节的角度，需协调两个驱动电机，并最终实现对接十分复杂；完成充电后，还要测量充电枪头的最新位置，并计算最新的退枪路径，并指挥不同电机互在退出过程中相互协调，控制也相当复杂。

（6）对接精度低。由于采用拉线的方式控制，而线由于其本身的柔性，导致该活动关节的对接精度较差，一般需要枪头及枪座配有导向结构才能实现准确对接。

（7）运动补偿范围小。受限于拉线的长度，其错位补偿的距离是有限的。

（8）可补偿自由度数少。该方案补偿错位的自由度数受限于其关节数目，可补偿的自由度数约等于其关节数目，往往达不到空间六自由度的补偿。

发明内容

本发明目的就是为了解决现有柔性对接机构对接精度低、成本高、空间占用率大、不易控制且补偿自由度少的问题，提供了一种柔性对接机构，实现电动汽车自动充电，并在充电枪插入充电座后，二者位置偏差自适应，防止车辆人员上下车时带来的车辆高度偏差导致充电座与充电枪位置错动，保护设备不受损坏。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种柔性对接机构，包括与充电枪头对接的柔性连接盒，柔性连接盒内连有相互配合的自锁结构和自锁槽；

自锁结构包括固定于柔性连接盒左侧内壁上的磁芯，磁芯外缠绕线圈，磁芯内设有弹簧固定槽，弹簧固定槽内连有弹簧，弹簧的一端伸出弹簧固定槽与钢珠套相连，钢珠套为锥形结构，其内设有插接腔，其侧壁嵌入一组沿径向活动的钢珠；

钢珠套嵌入柔性连接盒右侧内壁上的自锁槽内，弹簧的一端伸入插接腔内抵住钢柱套和钢珠，自锁槽内设有固定针过孔，充电枪头的固定针穿过固定针过孔伸入插接腔内并沿径向挤压钢珠。

进一步地，所述柔性连接盒包括相互配合的柔性固定板和自锁结构盖板，自锁结构盖板包括盖板主体，自锁槽设于盖板主体靠近充电枪头一侧的内壁上，且对应的固定针过孔与自锁槽的轴线相互重合，自锁槽为锥形结构，且其槽内空腔大小大于钢珠套的大小，且沿径向挤压后的钢珠可与自锁槽的内壁产生接触应力，以便于钢珠套嵌入自锁槽内来回移动且插接挤压后完成自锁。

进一步地，所述钢珠套的侧壁上设有一组沿径向布置的钢珠孔，钢珠孔与插接腔相通，钢珠嵌入对应的钢珠孔内，钢珠亦沿着钢珠孔径向移动。

进一步地，所述磁芯上设有螺钉孔，磁芯通过螺钉与柔性固定板相连，且螺钉对应穿过螺钉孔内，以用于实现自锁结构与柔性固定板的固定连接。

进一步地，所述线圈、弹簧固定槽及弹簧的轴线与磁芯的轴线相互重合。

进一步地，所述钢珠和钢珠套均为磁性材料制成，以便于线圈通电产生磁场后对钢珠套和钢珠产生作用力。

进一步地，所述钢珠套的插接腔与固定针过孔的轴线相互重合，以便于充电枪的固定针依次插入过孔和插接腔内。

与现有技术相比，本发明的技术方案的具体优点在于：

（1）本发明将柔性机构与机械臂本体独立出来，从而使得柔性对接机构适用场景与机械臂构型无关，扩大了柔性对接机构的使用范围；

（2）本发明极大地降低了柔性对接机构的成本，预估最终成品仅有几百元甚至几十元，提高了经济效益；

（3）本发明减小了柔性对接机构的体积，降低了空间占用率，大多数柔性接头的体积与枪头体积相当甚至更大，而本发明的机构体积明显小于枪头体积；

（4）本发明减轻了柔性对接机构的重量，可将柔性接头重量几公斤降为几百克，取放对接更加轻便省力；

（5）本发明消除了电机等执行元件的参与，采用线圈磁场相互作用，从而降低了控制难度；

（6）本发明的对中元件采用刚性元件，相对于弹簧或拉绳结构相比，提升了整体结构的刚度及对接精度；

（7）本发明扩大了活动补偿范围，机械臂可与枪头断开连接，从而实现汽车充电座上下活动范围大时，充电枪仍能适应充电座位置，其运动范围不必受到拉线的长度限制；

（8）本发明提高了可补偿自由度数，可补偿的自由度数不受关节数量限制，枪头与械臂可完全脱开，补偿自由度数更多。

附图说明

图1为本发明的柔性对接机构整体结构图；

图2为本发明的柔性对接机构爆炸图；

图3为本发明的自锁结构爆炸图；

图4为本发明的自锁结构盖板结构示意图；

图5为本发明的充电枪头结构示意图；

图6为本发明的充电枪头插入柔性机构内的剖视图；

图7为本实施一中线圈通电时的柔性对接机构剖视图；

图8为本实施一中线圈断电时的柔性对接机构剖视图。

具体实施方式

实施例1

为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种柔性对接机构进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和图2，本实施例提供了一种用于电动汽车自动充电枪头的柔性对接机构，包括与充电枪头1对接的柔性连接盒2，其特征在于：

参见图2和图4，柔性连接盒2包括相互配合的柔性固定板21和自锁结构盖板22，自锁结构盖板22包括盖板主体22a、自锁槽22b和固定针过孔22c，自锁槽22b设于盖板主体22a靠近充电枪头1一侧的内壁上，且每个自锁槽22b内均设有一个同轴的固定针过孔22c，柔性连接盒2内设有一组或两组及以上自锁结构3；

参见图2和图3，每组自锁结构3均包括磁芯31，磁芯31上设有螺钉孔31b，磁芯31通过螺钉4与柔性固定板21相连，且螺钉4对应穿过螺钉孔31b内；

磁芯31外缠绕线圈32，磁芯31内设有弹簧固定槽31a，弹簧固定槽31a内连有弹簧33，弹簧33的一端伸出弹簧固定槽31a与钢珠套34相连，钢珠套34为锥形结构，其内设有插接腔34a，其侧壁设有一组沿径向均布的钢珠孔34b，钢珠孔34b与插接腔34a相通，且钢珠孔34b内对应连有钢珠35，钢珠35亦沿着钢珠孔34b径向移动，钢珠35和钢珠套34均为磁性材料制成，以便于线圈通电产生磁场后对钢珠套和钢珠产生作用力；

参见图5和图6，钢珠套34嵌入自锁槽22b内，自锁槽22b亦为锥形结构，且其槽内空腔大小大于钢珠套34的大小，弹簧33的一端伸入插接腔34a内抵住钢柱套34和钢珠35，充电枪头1的固定针1a穿过固定针过孔22c伸入插接腔34a内并沿径向挤压钢珠35，沿径向挤压后的钢珠35可与自锁槽22b的内壁产生接触应力；

线圈32、弹簧固定槽31a及弹簧33的轴线与磁芯31的轴线相互重合。

使用本发明的柔性对接机构时，一般经历以下过程：

参见图6，在不插枪时、或插枪结束之前，充电枪头1的背面紧贴盖板主体22a，因此枪头无法继续朝向盖板主体22a侧移动，固定针1a插入到固定针过孔22c中，从而将钢珠35沿其径向挤开。钢珠35在弹簧33的推力作用下，紧贴自锁槽22b，由受力分析可得，固定针1a与钢珠35表面存在正压力，当向外拉动固定针1a时，该表面会形成摩擦力，阻止固定针1a向外移动；同时，该摩擦力会带动钢珠35继续向锥形自锁槽22b的窄部移动。在此移动过程中，钢珠35受到挤压，从而增大了钢珠35与固定针1a之间接触面上的正压力。由接触压力与摩擦力的关系可得，压力越大，摩擦力越大。增大后的摩擦力进一步阻止了固定针1a向外移动。因此，该结构形成了一个依靠摩擦进行自锁的机制。也就是说，越想将固定针1a向外拉时，钢珠35和固定针1a之间的摩擦力越大，导致与固定针1a固连的充电枪头1无法向外移动。因此，在不插枪及插枪结束之前，充电枪头1相对于自锁结构盖板22固定不动。

参见图7，完成插枪后，机械臂会给线圈32通电，线圈32通电后会形成磁场，线圈32与磁芯31构成电磁铁。钢珠35与钢珠套34均为磁性材料，在电磁铁的吸引下，会压缩弹簧33，并将钢珠35从自锁槽22b与固定针1a之间的间隙中脱开，向自锁槽22b的宽部移动。钢珠35与固定针1a间不会存在正压力，从而不再会有摩擦力阻碍固定针1a向外移动。此时，机械臂沿固定针1a轴线方向移动，从而将充电枪头1与自锁结构盖板22脱开。此时机械臂与充电枪头1间不存在硬连接，因此乘客上下车时，带来的车端充电座高度位置变动，不带来充电枪头与充电座间的错动。

参见图8，充电枪头1与机械臂断连后，线圈32断电，在弹簧33的推动下，钢珠35及钢珠套34沿弹力方向向自锁槽22b的窄处运动。钢珠35相对于钢珠套34沿径向运动，并且钢珠与钢珠间的间距变短。各钢珠组成的空隙小于固定针1a的直径。

充完电后，机械臂会视觉识别充电枪头1背部的视觉特征并定位，并带动柔性固定板21向充电枪头1移动，从而将固定针1a插入到固定针过孔22c中。由于插入过程中，钢珠35向自锁槽22宽部的一端运动，钢珠35不再受挤压，从固定针1a与钢珠35间不再有摩擦力。固定针1a可以很容易插到固定针过孔22c中，直到插到底，充电枪头1与自锁结构盖板22对齐。然后机械臂带动充电枪头1后退，由第一步摩擦自锁原理可知，此时该柔性接头会带动充电枪头1拔出充电座，完成整个流程。

本发明利用线圈通电形成的磁场控制钢珠套的前后移动，同时能够利用钢珠与枪头固定针之间的摩擦力形成自锁机构，整体结构精巧便携，工作稳定可靠，枪头与机械臂可完全脱开，自由度高，有效避免了充电座与充电枪之间的位置错动，保护了设备的正常使用。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性对接机构，包括与充电枪头（1）对接的柔性连接盒（2），其特征在于：

柔性连接盒（2）内连有自锁结构（3），自锁结构（3）包括固定于柔性连接盒（2）左侧内壁上的磁芯（31），磁芯（31）外缠绕线圈（32），磁芯（31）的一端连有弹簧（33），弹簧（33）再与钢珠套（34）相连，钢珠套（34）为锥形结构，其内设有插接腔（34a），其侧壁嵌入一组沿径向活动的钢珠（35）；

钢珠套（34）嵌入柔性连接盒（2）右侧内壁上的自锁槽（22b）内，弹簧（33）的一端伸入插接腔（34a）内抵住钢柱套（34）和钢珠（35），自锁槽（22b）内设有固定针过孔（22c），充电枪头（1）的固定针（1a）穿过固定针过孔（22c）伸入插接腔（34a）内并沿径向挤压钢珠（35）。

2.根据权利要求1所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述柔性连接盒（2）包括相互配合的柔性固定板（21）和自锁结构盖板（22），自锁结构盖板（22）包括盖板主体（22a），自锁槽（22b）设于盖板主体（22a）靠近充电枪头（1）一侧的内壁上，且对应的固定针过孔（22c）与自锁槽（22b）的轴线相互重合，自锁槽（22b）为锥形结构，其槽内空腔大小大于钢珠套（34）的大小，且沿径向挤压后的钢珠（35）可与自锁槽（22b）的内壁产生接触应力。

3.根据权利要求2所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述钢珠套（34）的侧壁上设有一组沿径向布置的钢珠孔（34b），钢珠孔（34b）与插接腔（34a）相通，钢珠（35）嵌于对应的钢珠孔（34b）内，钢珠（35）亦沿着钢珠孔（34b）径向移动。

4.根据权利要求3所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述磁芯（31）中部设有弹簧固定槽（31a），弹簧（33）的一端嵌入弹簧固定槽（31a）内与磁芯（31）相连、另一端伸出弹簧固定槽（31a）与钢珠套（34）相连，弹簧固定槽（31a）的轴线与磁芯（31）的轴线相互重合。

5.根据权利要求4所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述磁芯（31）上设有螺钉孔（31b），螺钉孔（31b）均布在弹簧固定槽（31a）的四周，磁芯（31）通过螺钉（4）与柔性固定板（21）相连，且螺钉（4）对应穿过螺钉孔（31b）内。

6.根据权利要求1~5任一项所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述线圈（32）和弹簧（33）的轴线与磁芯（31）的轴线相互重合。

7.根据权利要求1 ~5任一项所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述钢珠（35）和钢珠套（34）均为磁性材料制成。

8.根据权利要求1 ~5任一项所述的柔性对接机构，其特征在于：

所述钢珠套（34）的插接腔（34a）与固定针过孔（22c）的轴线相互重合。

9.一种自动充电枪头，其特征在于：包含权利要求7所述的柔性对接机构。

10.一种电动汽车自动充电机构，其特征在于：包含权利要求9所述的自动充电枪头。

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