CN205453246U - 一种无人值守充电桩用自主引导式充电机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，包括引导式移动底盘、主动式机械臂、充电接头、充电电缆、人机交互模块、控制箱、视觉导航监控模块、视觉定位系统、动力电池、机器人充电底座、控制台。本实用新型通过充电机器人的自主引导，实现了对充电汽车接口的识别定位和自动充电。其中还具备了充电机器人与司机等的人机交互、充电支付方式的多种选择及对充电机器人工作参数、周围环境状况的实时监控等功能。实现了对充电汽车充电的完全自主化、高效化和人性化。整套充电机器人的工作效率高、成本低，可大大降低充电站的运营成本。

Description

一种无人值守充电桩用自主引导式充电机器人

技术领域

本实用新型涉及一种无人值守充电桩自主引导式充电机器人，属于自动化及机器人技术领域。

背景技术

由于能源危机的影响，煤炭和石油资源的日益枯竭，新能源和技术的开发日显重要。而在汽车领域中，电动汽车的技术得到了快速的发展并日趋成熟。而且，电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，因此对人类伤害较少。另外，电力可以从多种能源获得，如煤、核能、水力等，还可以解除人们对石油资源日见枯竭的担心。

然而，由于电池的容量有限，所以对电动汽车实现快速充电的充电站也必须配套发展。目前解决方案是用修建大量的充电桩。充电桩的功能类似于加油站里面的加油机，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式，人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

现有的充电桩对汽车的充电过程需要人工完成，即：需要司机进行刷卡付费，然后工作人员使用充电枪对汽车进行充电。这样就要求每个充电桩需配备相当数量的人工人员，这样不仅提高了充电桩的人工成本，而且由于人都存在疲劳效应，当长时间工作后很容易发生走神现象而导致灾难性的后果。因此，如果能有一套完整的智能机器人，代替人工操作，实现自主引导式的对汽车进行自动充电，将会大大提高充电桩的充电效率，降低充电桩的运营成本。

发明专利201210572712.1公布了一种基于机器人的充电系统，用于自动对待充电的电动汽车充电，包括与电源连接的机器人和与电动汽车连接的充电管理模块；充电管理模块包括用于与电动汽车连接的通信模块、控制指令输出模块和充电模式发送模块等；与充电管理模块连接的机器人在接收充电模式指令、充电目标指令及充电目标位置指令后，按照充电模式指令执行对应充电模式、按照充电目标指令设置充电参数及按照充电目标位置指令自动寻找电动汽车，从而实现自动、智能的对电动汽车充电。和该实用新型专利的类似很多，但是存在一个问题便是：该类专利只是给出了相关的结构框图、模块连接关系等，并没有给出具体的实施方式。没有硬件的支撑，该类方案现在只是理论研究，如需转化成实际生产中可以使用的智能充电器人，还需要很长的时间。并且，现在市场上，确实没有出现相关的可以进行用在充电桩场合中实现自主引导式自动充电的机器人。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足和市场空白，提供了一种可以用于无人值守的充电桩场合、利用自主引导实现对顾客电动汽车充电的智能机器人。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种无人值守充电桩自主引导式充电机器人，包括：引导式移动底盘、主动式机械臂、充电接头、充电电缆、人机交互模块、控制箱、视觉导航监控模块、视觉定位系统、动力电池、机器人充电底座、控制台，主动式机械臂、人机交互模块、控制箱、视觉导航监控模块、视觉定位系统、动力电池均安装于引导式移动底盘上，控制箱与人机交互模块、视觉导航监控模块、视觉定位系统、机器人充电底座、控制台连接，充电接头通过充电电缆与充电桩连接。

所述引导式移动底盘为履带式移动平台，可以直线行走，包括匀速、加速和减速等的前进、后退运动；同时还具有转弯功能等，包括左转弯和右转弯。该履带式移动平台为整套机器人运行的载体平台，为后续完成一系列充电动作、人机交互功能等提供运动和支撑基础。

所述主动式机械臂为一套五自由度的机械手，安装在履带式移动平台的前侧处，用以实现对电动汽车上充电孔与充电接头的对接和分离功能等。

所述充电接头和充电电缆为符合质检总局、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等五部委发布及新修订的电动汽车充电接口及通信协议等五项国家标准。充电接头通过支架安装在主动式机械臂的顶端处。

所述人机交互模块包括：触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器、纸币识别器、平台支架。所述触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器、纸币识别器均通过平台支架安装在履带式移动平台上，实现人机交互功能。具体的为触摸屏可以实现界面的显示、选项的可触控等功能，司机人员可以通过触摸屏进行信息的读取、充电参数的设置和支付方式的选择等。按键则是为了增加系统的稳定性，可以代替触摸屏部分按键操作功能，例如当触摸屏上按键选项失灵时，可以配合按键使用。所述IC读卡器为IC卡识别模块，司机人员可以通过刷公交卡等IC卡进行支付。所述POS机为收银模块，司机人员可以通过刷卡支付。所述扬声器亦为人机交互模块，可以实现语音提示和语音互动。所述纸币识别器为纸币识别模块，若司机人员没有携带公交卡、银行卡时，可以通过纸币支付。

所述控制箱包括：嵌入式主控模块、图像处理器模块、Zigbee节点、电源稳压模块、无线视频发射模块。所述电源稳压模块的输入端连接动力电池，且输出端连接嵌入式主控模块。嵌入式主控模块连接图像处理器模块、Zigbee节点、触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器和纸币识别器等。其中图像处理器模块连接视觉导航监控模块和视觉定位系统，实现对视频图像的处理。所述Zigbee节点和Zigbee路由器可以实现数据的无线交换，包括：Zigbee节点将智能机器人的工作参数、司机用户的支付参数等一系列信息发送至Zigbee路由器上，并在控制台端实现数据存储、网络实时交换等功能。另外，每一台智能机器人均安装一个Zigbee节点，而且Zigbee节点可以为多个，并且通过全双工的方式和Zigbee路由器通讯。这样的工作方式决定了，在一个充电桩站中，根据充电器车的车流量，放置多台智能充电机器人以满足要求和保证充电速度与效率。

所述视觉导航监控模块包括：高分辨率摄像机、二维云台。连接关系为：高分辨率摄像机通过二维云台固定在引导式移动底盘上，通过二维云台的旋转，带动高分辨率摄像机运动，实现对周围环境状况的监控。所述高分辨率摄像机还直接连接无线视频发射模块，将智能机器人所在的周围环境状况发送至无线视频接收模块中，共工作人员后续查看和存储。

所述视觉定位系统包括：双目视觉摄像机、摄像机支架。连接关系为：双目视觉摄像机通过摄像机支架安装固定在引导式移动底盘的前端，用于实现对充电器车充电接口的位置和形状识别与定位。

所述动力电池为可充电锂离子电池，安装固定在引导式移动底盘上。

所述机器人充电底座为：自动为机器人充电的底座，当机器人电量即将耗尽时，会自动靠近机器人充电底座，通过充电接口的配合，可以实现机器人充电底座自动的为机器人动力电池充电。

所述控制台包括：PC主机、控制柜、嵌入式次控模块、Zigbee路由器、无线视频接收模块。所述PC主机、控制柜、嵌入式次控模块、Zigbee路由器、无线视频接收模块等均放置在室内。其中PC主机主要实现机器人工作参数、司机人员的支付和操作数据的存储、周围环境状态视频信息的存储等功能，而且工作人员还可以通过PC主机对智能充电机器人实现干预操作。所述嵌入式次控模块和Zigbee路由器连接；所述无线视频接收模块直接和PC主机连接，实现视频的无线传输和实时存储。

基于上述的机械和电气结构和连接关系，相应的充电步骤为：

Step1：引导式移动底盘在充电桩实时巡逻，等待有需要充电的充电汽车驶入充电桩站。

Step2：当有需要充电的充电汽车驶入充电桩站时，充电机器人通过扬声器提醒司机驶入指定区域内。

Step3：汽车驶入规定区域内后，人机交互模块开始工作。包括提示司机人员输入充电模式、充电量等信息。当司机人员按照提示输入相关信息等待充电机器人确认。

Step4：充电机器人接收到司机人员的正确操作信息后，提示司机人员：参数设置完毕，请选择消费方式并付款。此后司机人员需选择支付方式，如IC卡、银行卡或者纸币等。

Step5：司机人员正确、足量支付后，并且充电机器人接收到相关支付信息后，发出语音提示：准备开始充电，请打开充电盖并与电动汽车和充电机器人保持距离。司机打开电动汽车充电接口盖后，此时引导式移动底盘带动整套机器人向前行驶，靠近电动汽车充电口。在该过程中，视觉定位系统实时捕捉电动汽车充电口的形状和三维坐标位置。

Step6：当充电机器人靠近电动汽车充电口并且距离很近时，停止运行。此后根据视觉定位系统得到的充电接口位置，实时控制主动式机械臂带动充电接头及充电电缆运行，并最终插入电动汽车的充电接口中，开始充电。

Step7：充电结束后，充电机器人控制主动式机械臂带动充电接头向后运行，实现与电动汽车的分离。继续提示工作人员：充电已结束，欢迎下次光临。从而完成一个充电周期任务。

所优选的是，上述过程还包括无线监控步骤：高分辨率摄像机通过二维云台的转动，实时的将充电机器人所在的周围环境状态，包括：充电器车的型号、外形、司机人员的外貌等图像视频信息通过无线传输模块传输到PC主机供工作人员查看和存储。

所优选的是，上述过程还包括人工干预步骤：工作人员通过PC主机，经过嵌入式次控模块、Zigbee路由器的无线发送作用，直接将控制指令发送至Zigbee节点中，通过Zigbee节点和嵌入式主控模块的连接关系可知，嵌入式主控模块可以实时控制整套充电机器人实施相关的动作。

所优选的是，上述过程还包括智能充电机器人机身充电步骤：当嵌入式主控模块检测到充电机器人的自身电量不足即将耗尽时，此时控制机器人自动寻找机器人充电底座，实现充电机器人的自治、自我管理和自我维护。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型专利通过利用主动式机械臂和双目视觉摄像机的配合作用，可以实现对电动汽车充电口的全自动识别和充电，工作效率高，可以完全代替人工操作，大大降低了充电站的运营成本。

2)本实用新型专利加入人机交互模块，不仅利用触摸屏、按键等实现了信息的交互，而且通过使用IC读卡器、POS机、纸币识别器5-6实现了的多种支付的自由选择，通用性广，适合不同的消费群体。

3)本实用新型专利使用视觉导航监控模块，实现了对充电机器人周围环境状况等的监控，保障了充电站和充电机器人自身工作的安全系数。并且通过加入的机器人充电底座，实现了充电机器人自身的充电功能，实现了机器人的自我管理和自我维护，为实现充电站的无人化管理奠定了基础。

4)本使实用新型通过巧妙使用Zigbee无线模块，实现了充电机器人和PC电脑的无线通讯，通过实时的数据传输，保障了对充电机器人等的可靠控制和监视。另外Zigbee节点和路由的多对一关系，可以实现一台PC电脑对多台充电机器人的监控，效率较高，费用进一步得到降低。

总之，本实用新型提高了充电站的工作效率，降低了整体运营成本，对于促进充电站、充电汽车行业的发展，提高我国充电配套设备的高效化、智能化和无人化具有不可估量的意义。

附图说明

附图1为本实用新型整体结构示意图。

附图2为本实用新型的引导式充电机器人的主视结构示意图。

附图3为本实用新型的控制台结构示意图。

附图4为本实用新型的控制箱结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，一种无人值守充电桩自主引导式充电机器人，包括：引导式移动底盘1、主动式机械臂2、充电接头3、充电电缆4、人机交互模块5、控制箱6、视觉导航监控模块7、视觉定位系统8、动力电池9、机器人充电底座10、控制台11，主动式机械臂2、人机交互模块5、控制箱6、视觉导航监控模块7、视觉定位系统8、动力电池9均安装于引导式移动底盘1上，控制箱6与人机交互模块5、视觉导航监控模块7、视觉定位系统8、机器人充电底座10、控制台11连接，充电接头3通过充电电缆4与充电桩连接。

如图2所示，所述人机交互模块5包括：触摸屏5-1、按键5-2、IC读卡器5-3、POS机5-4、扬声器5-5、纸币识别器5-6、平台支架5-7。所述触摸屏5-1、按键5-2、IC读卡器5-3、POS机5-4、扬声器5-5、纸币识别器5-6均通过平台支架5-7安装在履带式移动平台上，实现人机交互功能。具体的为触摸屏5-1可以实现界面的显示、选项的可触控等功能，司机人员可以通过触摸屏进行信息的读取、充电参数的设置和支付方式的选择等。按键则是为了增加系统的稳定性，可以代替触摸屏5-1部分按键操作功能，例如当触摸屏5-1上按键选项失灵时，可以配合按键5-2使用。所述IC读卡器5-3为IC卡识别模块，司机人员可以通过刷公交卡等IC卡进行支付。所述POS机5-4为收银模块，司机人员可以通过刷卡支付。所述扬声器5-6亦为人机交互模块，可以实现语音提示和语音互动。所述纸币识别器5-6为纸币识别模块，若司机人员没有携带公交卡、银行卡时，可以通过纸币支付。

如图4所示，所述控制箱6包括：嵌入式主控模块6-1、图像处理器模块6-2、Zigbee节点6-3、电源稳压模块6-4、无线视频发射模块6-5。所述电源稳压模块6-4的输入端连接动力电池9，且输出端连接嵌入式主控模块6-1。嵌入式主控模块6-1连接图像处理器模块6-2、Zigbee节点6-3、触摸屏5-1、按键5-2、IC读卡器5-3、POS机5-4、扬声器5-5和纸币识别器5-6等。其中图像处理器模块6-2连接视觉导航监控模块7和视觉定位系统8，实现对视频图像的处理。所述Zigbee节点6-3和Zigbee路由器11-4可以实现数据的无线交换，包括：Zigbee节点6-3将智能机器人的工作参数、司机用户的支付参数等一系列信息发送至Zigbee路由器11-4上，并在控制台11端实现数据存储、网络实时交换等功能。另外，每一台智能机器人均安装一个Zigbee节点6-3，而且Zigbee节点6-3可以为多个，并且通过全双工的方式和Zigbee路由器11-4通讯。这样的工作方式决定了，在一个充电桩站中，根据充电器车的车流量，放置多台智能充电机器人以满足要求和保证充电速度与效率。

所述视觉导航监控模块7包括：高分辨率摄像机7-1、二维云台7-2。连接关系为：高分辨率摄像机7-1通过二维云台7-2固定在引导式移动底盘1上，通过二维云台7-2的旋转，带动高分辨率摄像机7-1运动，实现对周围环境状况的监控。所述高分辨率摄像机7-1还直接连接无线视频发射模块6-5，将智能机器人所在的周围环境状况发送至无线视频接收模块11-5中，共工作人员后续查看和存储。

所述视觉定位系统8包括：双目视觉摄像机8-1、摄像机支架8-2。连接关系为：双目视觉摄像机8-1通过摄像机支架8-2安装固定在引导式移动底盘1的前端，用于实现对充电器车充电接口的位置和形状识别与定位。

所述动力电池9为可充电锂离子电池，安装固定在引导式移动底盘1上。

所述机器人充电底座10为：自动为机器人充电的底座，当机器人电量即将耗尽时，会自动靠近机器人充电底座10，通过充电接口的配合，可以实现机器人充电底座10自动的为机器人充电。

所述控制台11包括：PC主机11-1、控制柜11-2、嵌入式次控模块11-3、Zigbee路由器11-4、无线视频接收模块11-5。所述PC主机11-1、控制柜11-2、嵌入式次控模块11-3、Zigbee路由器11-4、无线视频接收模块11-5等均放置在室内。其中PC主机11-1主要实现机器人工作参数、司机人员的支付和操作数据的存储、周围环境状态视频信息的存储等功能，而且工作人员还可以通过PC主机11-1对智能充电机器人实现干预操作。所述嵌入式次控模块11-3和Zigbee路由器11-4连接；所述无线视频接收模块11-5直接和PC主机11-1连接，实现视频的无线传输和实时存储。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，包括引导式移动底盘、主动式机械臂、充电接头、充电电缆、人机交互模块、控制箱、视觉导航监控模块、视觉定位系统、动力电池、机器人充电底座、控制台，主动式机械臂、人机交互模块、控制箱、视觉导航监控模块、视觉定位系统、动力电池均安装于引导式移动底盘上，控制箱与人机交互模块、视觉导航监控模块、视觉定位系统、机器人充电底座、控制台连接，充电接头通过充电电缆与充电桩连接。

2.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，所述引导式移动底盘为履带式移动平台，所述主动式机械臂为一套五自由度的机械手，安装在履带式移动平台的前侧处，充电接头通过支架安装在主动式机械臂的顶端处。

3.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，所述人机交互模块包括触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器、纸币识别器、平台支架，所述触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器、纸币识别器均通过平台支架安装在引导式移动底盘上，实现人机交互功能。

4.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，述控制箱包括嵌入式主控模块、图像处理器模块、Zigbee节点、电源稳压模块、无线视频发射模块，所述电源稳压模块的输入端连接动力电池，输出端连接嵌入式主控模块，嵌入式主控模块连接图像处理器模块、Zigbee节点、触摸屏、按键、IC读卡器、POS机、扬声器和纸币识别器，图像处理器模块连接视觉导航监控模块和视觉定位系统，所述Zigbee节点有多个，所述Zigbee节点与Zigbee路由器无线连接。

5.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，所述视觉导航监控模块包括高分辨率摄像机、二维云台，高分辨率摄像机通过二维云台固定在引导式移动底盘上，通过二维云台的旋转带动高分辨率摄像机运动，所述高分辨率摄像机还直接连接无线视频发射模块，将智能机器人所在的周围环境状况发送至无线视频接收模块。

6.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，所述视觉定位系统包括双目视觉摄像机、摄像机支架，双目视觉摄像机通过摄像机支架安装固定在引导式移动底盘的前端。

7.如权利要求1所述的无人值守充电桩用自主引导式充电机器人，其特征在于，所述控制台包括PC主机、控制柜、嵌入式次控模块、Zigbee路由器、无线视频接收模块，所述PC主机、控制柜、嵌入式次控模块、Zigbee路由器、无线视频接收模块均放置在室内，所述嵌入式次控模块和Zigbee路由器连接，所述无线视频接收模块直接和PC主机连接。