專利名稱：電動(dòng)公交車電池快換機(jī)器人系統(tǒng)及快換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)車輛與電池中轉(zhuǎn)臺(tái)之間電池快換系統(tǒng)及快換方法，尤其涉及一種電動(dòng)公交車電池快換機(jī)器人系統(tǒng)及快換方法。
背景技術(shù)：
隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，為緩解石油資源短缺局面，降低汽車燃油對(duì)環(huán)境的污染，發(fā)展新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向。目前，“低排放”汽車(主要指混合動(dòng)力汽車)已進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，在全球的累計(jì)銷量已超過100萬輛，“零排放”汽車(主要指純電動(dòng)汽車)的批量生產(chǎn)時(shí)間已提前到2015年，比原來預(yù)計(jì)的時(shí)間提前了 10年至15年。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到當(dāng)前電池能量密度的限制，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程一般在一百公里至兩百公里之間，遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)汽車的續(xù)航里程。因此，能否快速為汽車提供能量補(bǔ)給，直接影響到電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用。通常情況下，對(duì)電池慢速充電需要幾個(gè)小時(shí)才能完成，快速充電會(huì)對(duì)電池的壽命產(chǎn)生影響，而且，單箱電池比較笨重，不利于人工更換。
就電動(dòng)公交車而言，一方面它需要較大的電池容量，另一方面由于受單箱電池容量的限制，往往采用多電池箱組合來供給電能，由于電池?cái)?shù)量的增多，帶來了占用空間較大；增加車自重的問題，甚至使電動(dòng)公交車的電池能達(dá)到上噸的重量。根據(jù)目前的電池容量現(xiàn)狀，一組電池最多運(yùn)行4小時(shí)就要更換，每次要更換六到八塊，如用人工更換，至少要一到二小時(shí)，這對(duì)運(yùn)營商來講，是不容許的。
目前，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)公交車的電池更換系統(tǒng)有一定的研究，中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2010年9月30日公開的公開號(hào)201881868U，申請(qǐng)?zhí)?201020561469. X提出了一種電動(dòng)商用車電池更換裝置及換電系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)提出了一種電動(dòng)公交車電池更換方案，本方案提出了一種利用換電機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°的方式，解決電池插接件在載物臺(tái)上與車體方向的一致性問題，但是，這種系統(tǒng)存在需要的自由度多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，作業(yè)空間大，出現(xiàn)誤差的環(huán)節(jié)較多的不足之處。
此外，隨著技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)汽車在性能和經(jīng)濟(jì)性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，并開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。國內(nèi)2005年北京電巴公司開始進(jìn)行公交換電系統(tǒng)的研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了換電公交車大規(guī)模試點(diǎn)運(yùn)行。在電動(dòng)汽車推廣運(yùn)行的同時(shí)，電動(dòng)汽車能源儲(chǔ)備及供給系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。
現(xiàn)有的電動(dòng)汽車電池快換電機(jī)械手，如專利200820078476. 7 “一種用于車載電池更換系統(tǒng)的定位裝置”、專利200410090796.0 “一種電動(dòng)公交車系統(tǒng)”等，雖然披露了以車載動(dòng)力電池為動(dòng)力電源的動(dòng)力汽車及相關(guān)技術(shù)，但是所描述的裝置應(yīng)用同樣存在著一些問題，如更換電池過程需要多次定位，更換動(dòng)力電池時(shí)間較長；更換設(shè)備所占空間較大，不利于場地布置；電池更換過程中，電池必須做180°旋轉(zhuǎn)，增加電池更換系統(tǒng)工作空間等。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種電動(dòng)公交車電池快換機(jī)器人系統(tǒng)及快換方法，它具有滿足電動(dòng)公交動(dòng)力電池快速更換，合理利用土地資源，降低動(dòng)力電池?fù)Q電系統(tǒng)占用的空間，對(duì)動(dòng)力電池存放區(qū)域進(jìn)行密封，提高動(dòng)力電池的使用壽命。還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)自動(dòng)定位、姿態(tài)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池抓取、安裝等功能的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，它包括機(jī)器人本體，所述機(jī)器人本體包括機(jī)械部分和電氣控制部分，所述機(jī)械部分包括在X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)方向上設(shè)有的水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元，所述承重單元設(shè)置在水平移動(dòng)單元上部，所述載物平臺(tái)單元與所述承重單元連接，所述載物平臺(tái)單元上包括設(shè)有的載物臺(tái)以及其上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置有電池推送機(jī)構(gòu)；
所述的電氣控制部分包括與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)采集裝置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，I/O模塊；所述的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械部分中的水平移動(dòng)單元、承重單元和載物平臺(tái)單元中的傳動(dòng)裝置連接；
所述承重單元包括由上橫梁、下橫梁和兩根立柱組成的門式結(jié)構(gòu)，所述上橫梁上設(shè)有兩組橫向?qū)蜉啠鰞山M橫向?qū)蜉喼g夾持有安裝在充電貨架上的天軌；所述天軌上安裝有用于設(shè)備取電的滑觸線槽和用于水平方向工位尋址的水平認(rèn)址片；所述兩根立柱上設(shè)有至少一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞盤，所述絞盤上纏繞有鋼絲繩，鋼絲繩的下端連接于載物平臺(tái)單元上；所述至少一根立柱上設(shè)有豎直方向?qū)ぶ返目v向認(rèn)址片。
所述的水平移動(dòng)單元包括兩側(cè)均具有輪緣的滾輪和隨動(dòng)滾輪，與承重單元的下橫梁相連接的地軌，所述地軌端部設(shè)有限位撞塊，所述滾輪和隨動(dòng)滾輪與電機(jī)減速機(jī)相連，所述電機(jī)減速機(jī)與承重單元的下橫梁連接。
所述載物平臺(tái)單元包括在載物臺(tái)上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；以載物臺(tái)為基準(zhǔn)面從下往上順序依次看，所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在載物臺(tái)上的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其上依次設(shè)有的傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，電池推送機(jī)構(gòu)，所述電池推送機(jī)構(gòu)上設(shè)有支撐橫梁；支撐橫梁與設(shè)有的電池托盤連接。
所述的電池推送機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向軌道、電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電磁推手；電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電磁推手分別與各自設(shè)有的通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接，電磁推手的推手工作面上安有兩塊圓形電磁吸盤，分布于工作面兩端，位置與電池內(nèi)箱上兩圓形鐵塊相對(duì)應(yīng)；所述電磁推手的推手工作面還設(shè)有與電池內(nèi)箱上的鎖緊裝置相配合的解鎖機(jī)構(gòu)；所述導(dǎo)向軌道設(shè)置在電池推送機(jī)構(gòu)上表面；
所述導(dǎo)向軌道與電池內(nèi)箱位置上相匹配，所述電池內(nèi)箱為將電池成組放置的箱體；所述電池內(nèi)箱位于充電架或車輛上，使電池平穩(wěn)取送；
所述支撐橫梁兩端各設(shè)有至少一個(gè)超聲波測距傳感器、和至少一個(gè)壓力傳感器， 所述壓力傳感器位于超聲波測距傳感器內(nèi)側(cè)；
所述水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括安裝在載物臺(tái)上的連桿滑塊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)底板I、底板II ；電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)底板I中心進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)；
所述傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝在載物臺(tái)一端的齒輪弧形齒條裝置，與之配合連接的傾斜驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)有傾斜旋轉(zhuǎn)軸，傾斜旋轉(zhuǎn)軸安裝在旋轉(zhuǎn)底板I 上，電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞傾斜旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行傾斜操作。
所述主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為工控機(jī)I以及PLC控制器，所述PLC控制器與工控機(jī)I通過工業(yè)以太網(wǎng)通信連接，所述PLC控制器的型號(hào)為西門子PLC 300型；
所述數(shù)據(jù)采集裝置包括超聲波傳感器I、光電傳感器、色標(biāo)傳感器、DMP位置傳感器；所述超聲波傳感器I、色標(biāo)傳感器、DMP位置傳感器安裝在電磁推手上；所述光電傳感器安裝在上橫梁和立柱上，用于對(duì)機(jī)器人X軸和Z軸方向的定位。
所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，所述6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器分別與水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元中的伺服電機(jī)以及水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，鎖緊裝置中的伺服電機(jī)連接，所述的每個(gè)伺服電機(jī)的軸上設(shè)有編碼器，編碼器的信號(hào)輸出端與PLC控制器連接。
所述I/O模塊包括分別與PLC控制器連接的急停開關(guān)I和限位開關(guān)，所述限位開關(guān)分別設(shè)置在水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元中工作零點(diǎn)定位處，且與對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)接觸連接。
所述的快換方法包括以下步驟
1)初始化系統(tǒng)上電后，通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下發(fā)復(fù)位指令，機(jī)器人的各個(gè)軸觸發(fā)限位開關(guān)后尋零，各個(gè)軸回到原點(diǎn)位置；
2)卸電池車輛安全停靠指定快換區(qū)域后，快換機(jī)器人根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)信息通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)移動(dòng)到指定的作業(yè)點(diǎn)，依據(jù)DMP位置傳感器、超聲波傳感器I信號(hào)調(diào)整電池托盤姿態(tài)，準(zhǔn)確的將電池托盤伸到與車體電池倉平齊對(duì)接的位置，同時(shí)，將水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度位置信號(hào)送至PLC控制器存儲(chǔ)，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，根據(jù)色標(biāo)傳感器反饋信號(hào)判斷并確認(rèn)是否解鎖完成，解鎖成功之后，利用載物平臺(tái)單元中電磁推手上的電磁吸盤將電池從車體的電池倉中取出；
3)取放電池PLC控制器根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和光電傳感器控制機(jī)器人到電池載物臺(tái)指定的作業(yè)點(diǎn)，將取下的乏電池放在中轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將另一中轉(zhuǎn)臺(tái)上充滿的電池取下來；
4)安裝電池PLC控制器控制機(jī)器人到車體電池倉的位置，根據(jù)存儲(chǔ)的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整電池托盤的姿態(tài)，將電池安裝到電池倉中，電磁推手上的解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行電池鎖止，依據(jù)色標(biāo)傳感器檢測信號(hào)判斷并確認(rèn)鎖止完成，PLC控制器控制電磁吸盤失電，電磁吸盤與電池脫離，電磁推手沿載物臺(tái)縮回固定，單箱電池快換完成；
5)重復(fù)過程2)、3)、4)，直至更換所有乏電池，機(jī)器人回到原點(diǎn)待機(jī)。
本發(fā)明利用快換機(jī)器人使動(dòng)力電池在中轉(zhuǎn)臺(tái)和電動(dòng)公交車間交換，使其完成快速更換動(dòng)力電池工作。本發(fā)明對(duì)稱分布于待充電電動(dòng)公交車兩側(cè)，適用于電動(dòng)公交車兩側(cè)動(dòng)力電池同時(shí)更換。
本發(fā)明的有益效果是快換機(jī)器人的應(yīng)用，降低了工作區(qū)域的空間占用率，有效地提高了土地資源的利用率；快換機(jī)器人能夠按動(dòng)力公交車電池位置進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，自動(dòng)識(shí)別以及快速、準(zhǔn)確、安全的對(duì)電動(dòng)公交車電池進(jìn)行更換，快換過程定位精度高、相對(duì)位移量小、位置準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類電動(dòng)公交車動(dòng)力電池的快速更換。


圖1為本發(fā)明快換機(jī)器人示意圖2為本發(fā)明的快換機(jī)器人載物平臺(tái)單元后視結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明載物平臺(tái)單元傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)前視示意圖4A為本發(fā)明載物平臺(tái)單元水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖4B為本發(fā)明載物平臺(tái)單元水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)A-A示意圖5.快換機(jī)器人控制系統(tǒng)示意圖。
其中101.上橫梁，102.天軌，103.立柱，104.下橫梁，105.地軌，106.限位撞塊， 107.水平移動(dòng)單元，108.載物臺(tái)，109.電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，110.電磁推手，111.縱向?qū)蜉啠?112.橫向?qū)蜉啠?13.解鎖機(jī)構(gòu)，114.電磁吸盤，201.電池內(nèi)箱，202.壓力傳感器，204.導(dǎo)向軌道，205.超聲波測距傳感器，206.傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，207.電池推送機(jī)構(gòu)，208.電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，210.水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，211.支撐橫梁，301傾斜轉(zhuǎn)軸，302.弧形齒條，303.傾斜驅(qū)動(dòng)電機(jī)，401.旋轉(zhuǎn)底板I，402.底板II，403.水平旋轉(zhuǎn)軸，404.水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)，405.絲杠，406.絲杠螺母，407.連桿，501.主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，502. PLC控制器，503.限位開關(guān)，504. 6 自由度的直線運(yùn)行單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)，505. 6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，506.電機(jī)編碼器，507.急停開關(guān)I，508.超聲波傳感器I，509.色標(biāo)傳感器，510.光電傳感器，511. DMP位置傳感器，具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1、圖2中表示本發(fā)明快換機(jī)器人以及載物平臺(tái)單元后視結(jié)構(gòu)示意圖，圖中該系統(tǒng)中的機(jī)械部分設(shè)有的水平移動(dòng)單元107，載物平臺(tái)單元和承重單元，這樣建立起系統(tǒng)三坐標(biāo)主體結(jié)構(gòu)，水平移動(dòng)單元1077包括兩側(cè)均具有輪緣的滾輪和隨動(dòng)滾輪，與承重單元的下橫梁104相連接的地軌105，所述地軌105端部設(shè)有限位撞塊106，所述滾輪和隨動(dòng)滾輪與電機(jī)減速機(jī)相連，所述電機(jī)減速機(jī)與承重單元的下橫梁104連接。承重單元設(shè)置在水平移動(dòng)單元1077上部，載物平臺(tái)單元與所述承重單元連接，載物平臺(tái)單元上包括設(shè)有的載物臺(tái) 108以及其上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)109，電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)109上設(shè)置有電池推送機(jī)構(gòu)2077 ；
電氣控制部分包括與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501連接的數(shù)據(jù)采集裝置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， I/O模塊，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械部分中的水平移動(dòng)單元1077、承重單元和載物平臺(tái)單元中的傳動(dòng)裝置連接；
承重單元包括由上橫梁101、下橫梁104和兩根立柱103組成的門式結(jié)構(gòu)，所述上橫梁101上設(shè)有兩組橫向?qū)蜉?12，所述兩組橫向?qū)蜉?12之間夾有安裝在充電貨架上的天軌102 ；所述天軌102上安裝有用于設(shè)備取電的滑觸線槽和用于水平方向工位尋址的水平認(rèn)址片；所述兩根立柱103中一側(cè)立柱103設(shè)有一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞盤，將絞盤上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩的下端連接于載物平臺(tái)單元上；一根立柱上設(shè)有豎直方向?qū)ぶ返目v向認(rèn)址片用于縱向的方向識(shí)別。載物臺(tái)108兩端設(shè)有支架，所述支架上設(shè)有多組縱向?qū)蜉?11，多組縱向?qū)蜉?11分別沿承重單元兩根立柱排布；
載物平臺(tái)單元包括在載物臺(tái)108上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)109，以載物臺(tái)108為基準(zhǔn)面從下往上順序看，
所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在載物臺(tái)上的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210，其上依次設(shè)有傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)206，電池推送機(jī)構(gòu)2077，所述電池推送機(jī)構(gòu)2077上設(shè)有支撐橫梁211 ；支撐橫梁與設(shè)有的電池托盤連接。
所述的電池推送機(jī)構(gòu)207包括導(dǎo)向軌道204、電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)208以及電磁推手Iio ；電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)208與電磁推手110分別與各自設(shè)有的齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接，電磁推手110的推手工作面上安有兩塊圓形電磁吸盤114，分布于工作面兩端，位置與電池內(nèi)箱上兩圓形鐵塊相對(duì)應(yīng)；所述電磁推手110的推手工作面還設(shè)有與電池內(nèi)箱上的鎖緊裝置相配合的解鎖機(jī)構(gòu)113。所述電池內(nèi)箱為將電池成組放置的箱體。所述導(dǎo)向軌道 204設(shè)置在電池推送機(jī)構(gòu)207上表面；
所述解鎖機(jī)構(gòu)113為解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥叉狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置分布于電磁推手110工作面兩端，用與配合打開充電架或換電車上的電池內(nèi)箱上的鎖緊裝置；
電池推送機(jī)構(gòu)207上平面上設(shè)有與電池內(nèi)箱201對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向軌道204，電池內(nèi)箱 201位于充電架或車輛上，使電池平穩(wěn)取送；
支撐橫梁211兩端各設(shè)有一個(gè)超聲波測距傳感器205和一個(gè)壓力傳感器202，分別設(shè)在支撐橫梁211兩端的壓力傳感器202位于超聲波測距傳感器205的內(nèi)側(cè)。
圖3中，本發(fā)明載物平臺(tái)單元傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)前視示意圖，傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 206包括安裝在載物臺(tái)108上左端的齒輪弧形齒條裝置，傾斜驅(qū)動(dòng)電機(jī)303帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)， 齒輪弧形齒條嚙合傳動(dòng)，弧形齒條302帶動(dòng)底板繞傾斜轉(zhuǎn)軸301旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傾斜運(yùn)動(dòng)；傾斜旋轉(zhuǎn)軸安裝在旋轉(zhuǎn)底板1401上。
圖4A，圖4B中，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210包括安裝在載物臺(tái)108上的連桿滑塊機(jī)構(gòu)，通過水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)404帶動(dòng)絲杠405轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠405帶動(dòng)絲杠螺母406水平直線運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母 406通過鉸接與連桿407相連，連桿407通過鉸接與旋轉(zhuǎn)底板I 401連接，旋轉(zhuǎn)底板1401與安裝在載物臺(tái)108上底板II402通過水平旋轉(zhuǎn)軸403疊放，當(dāng)連桿407在絲杠螺母406的帶動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，連桿407帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底板1401繞水平旋轉(zhuǎn)軸403進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)操作；
圖5中，機(jī)器人本體系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501、PLC控制器502、限位開關(guān)503、 6自由度的直線運(yùn)行單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)504、6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器505、電機(jī)編碼器506、急停開關(guān)I 507、超聲波傳感器1508、色標(biāo)傳感器509、光電傳感器510、DMP位置傳感器511。其中
主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501包括顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、主機(jī)和軟件系統(tǒng)，主機(jī)采用X86系列工控機(jī)，windows XP操作系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)采用Visual C++語言編寫，軟件實(shí)現(xiàn)多線程事務(wù)處理，操作人員可以用鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作；
西門子PLC 300型邏輯控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501進(jìn)行通信，通過對(duì)超聲波傳感器1508、色標(biāo)傳感器509、光電傳感器510、 DMP位置傳感器511信號(hào)的綜合判斷對(duì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。
數(shù)據(jù)采集裝置包括超聲波傳感器1508、光電傳感器510、色標(biāo)傳感器509、DMP位置傳感器511。
超聲波傳感器1508、色標(biāo)傳感器509、DMP位置傳感器511安裝在電磁推手上，光電傳感器510安裝在上橫梁101和立柱103上，用于對(duì)機(jī)器人X軸和Z軸方向的定位。
限位開關(guān)503用于每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的參考機(jī)械零點(diǎn)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器505可以監(jiān)控相對(duì)應(yīng)的電機(jī)的運(yùn)行電流、電機(jī)堵轉(zhuǎn)或超過額定負(fù)載時(shí)能夠向控制器報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)收蠣顟B(tài)自主的進(jìn)行判斷處理，并將故障內(nèi)容上報(bào)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。急停開關(guān)I 507主要是對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的緊急情況進(jìn)行急停，優(yōu)先級(jí)為第一位。
車輛安全停靠指定的快換區(qū)域后，快換機(jī)器人根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和DMP位置傳感器511、超聲波傳感器1508的信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整傾斜驅(qū)動(dòng)206，準(zhǔn)確的將電池托盤伸到與車體的電池倉平齊的位置，同時(shí)傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度位置信號(hào)送至PLC 控制器存儲(chǔ)，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)113進(jìn)行電池箱解鎖，依據(jù)色標(biāo)傳感器509反饋信號(hào)判斷并確認(rèn)解鎖完成，之后，Y軸方向帶有電磁吸盤的電磁推手110上電，電磁吸盤產(chǎn)生電磁吸力，將電池從車體的電池倉中取出。PLC控制器根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和X、Z軸方向上的光電傳感器510信號(hào)，控制機(jī)器人到中轉(zhuǎn)臺(tái)，所述的中轉(zhuǎn)臺(tái)為快換站電池充電貨架；將取下的需要充電的乏電池放在中轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將另一中轉(zhuǎn)臺(tái)上已充滿的電池取下來。PLC控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到車體電池倉的位置，根據(jù)存儲(chǔ)的傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度值，調(diào)整傾斜驅(qū)動(dòng)206和水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210，進(jìn)而調(diào)整電池托盤的姿態(tài)，最終將電池安裝到電池倉中，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)113進(jìn)行電池鎖止，依據(jù)色標(biāo)傳感器509判斷并確認(rèn)鎖止是否完成，鎖止成功，緊接PLC控制器控制電磁吸盤114失電，電磁吸盤114與電池箱脫離，Y軸方向縮回，單箱電池快換完成，重復(fù)第一箱更換過程，直至更換全部電池，機(jī)器人回到原點(diǎn)待機(jī)。
所述滾輪和隨動(dòng)滾輪的兩側(cè)均具有輪緣，輪緣可抱住地軌105防止脫出，滾輪在地軌105上運(yùn)動(dòng)，隨動(dòng)滾輪沿地軌直線運(yùn)行。
電磁推手110安裝在電池推送機(jī)構(gòu)207上，電池推送機(jī)構(gòu)207帶動(dòng)其上的電磁推手110進(jìn)行動(dòng)力電池伸出\縮回。同時(shí)，快換機(jī)器人上的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)109縮回時(shí)，才允許快換機(jī)器人進(jìn)行水平行走和載物臺(tái)108的豎直運(yùn)動(dòng)，其目的在于防止由于誤操而產(chǎn)生的碰撞。
電池推送機(jī)構(gòu)207設(shè)置于傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)206上，其包括導(dǎo)向軌道204、電磁吸盤114、解鎖機(jī)構(gòu)113、將電池利用導(dǎo)向軌道204托住，同時(shí)，利用電磁吸盤114吸附，并利用電池推送機(jī)構(gòu)207將動(dòng)力電池推送進(jìn)入指定位置。
壓力傳感器202分布設(shè)置在支撐橫梁211兩側(cè)，同時(shí)，超聲波測距傳感器205分布設(shè)置在壓力傳感器202內(nèi)側(cè)，
快換機(jī)器人電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上包括的支撐橫梁211、傾斜驅(qū)動(dòng)電機(jī)303、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210、電池推送機(jī)構(gòu)207中。電池推送機(jī)構(gòu)207通過電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)208來驅(qū)動(dòng)。 電磁推手110與電池內(nèi)箱201相對(duì)應(yīng)。
載物臺(tái)108上，安裝兩軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)公交車取送電池時(shí)的姿態(tài)調(diào)整。公交車進(jìn)站換電時(shí)行進(jìn)方向偏差(水平夾角)調(diào)整；車內(nèi)電池與地面夾角(傾斜夾角)的自動(dòng)適應(yīng)。
所述的電磁推手110與堆垛機(jī)上的電磁推手110結(jié)構(gòu)類似；2個(gè)超聲波測距傳感器(測量水平夾角)；2個(gè)壓力傳感器202，光電傳感器510配合貼在公交車內(nèi)電池外箱上的反光板測量傾斜夾角，并能夠?qū)崿F(xiàn)車內(nèi)取送電池過程中，跟隨車身高度變化實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能。
快換機(jī)器人對(duì)中轉(zhuǎn)臺(tái)放電池，具體地說，快換機(jī)器人進(jìn)行水平及豎直方向運(yùn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中轉(zhuǎn)臺(tái)中充電貨位將電池推送機(jī)構(gòu)207伸出，同時(shí)，帶動(dòng)裝有動(dòng)力電池的電池內(nèi)箱送入中轉(zhuǎn)臺(tái)，解鎖機(jī)構(gòu)113動(dòng)作，將動(dòng)力電池鎖在中轉(zhuǎn)臺(tái)上。電磁推手110脫開電池，載物臺(tái)108 下降到一定高度后電池推送機(jī)構(gòu)207收回。完成放電池流程。快換機(jī)器人對(duì)中轉(zhuǎn)臺(tái)取拿動(dòng)力電池包括快換機(jī)器人對(duì)準(zhǔn)中轉(zhuǎn)臺(tái)上的動(dòng)力電池，電池推送機(jī)構(gòu)207伸出，電磁推手110上電磁吸盤114吸住電池，與此同時(shí)解鎖機(jī)構(gòu)113運(yùn)作，解除動(dòng)力電池鎖，將動(dòng)力電池拉出， 與此同時(shí)電池推送機(jī)構(gòu)207收回，完成從中轉(zhuǎn)臺(tái)取電池。
所述I/O模塊包括分別與PLC控制器連接的急停開關(guān)I和限位開關(guān)，所述限位開關(guān)分別設(shè)置在水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元中工作零點(diǎn)定位處，且與對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)接觸連接。
電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)的快換方法，所述的快換方法包括以下步驟
1)初始化系統(tǒng)上電后，通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501下發(fā)復(fù)位指令，機(jī)器人的各個(gè)軸觸發(fā)限位開關(guān)503后尋零，各個(gè)軸回到原點(diǎn)位置；
2)卸電池車輛安全停靠指定換電區(qū)域后，快換機(jī)器人根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)信息通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)501移動(dòng)到指定的作業(yè)點(diǎn)，依據(jù)DMP位置傳感器、超聲波傳感器1508信號(hào)調(diào)整電池托盤姿態(tài)，準(zhǔn)確的將電池托盤伸到與車體上電池倉平齊對(duì)接的位置，同時(shí)，將水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210、傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)206的旋轉(zhuǎn)角度位置信號(hào)送至PLC控制器存儲(chǔ)，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，根據(jù)色標(biāo)傳感器509反饋信號(hào)判斷并確認(rèn)是否解鎖完成，解鎖成功之后，利用載物平臺(tái)單元中的電磁吸盤將電池從車體的電池倉中取出；
3)取放電池PLC控制器根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和水平移動(dòng)單元107，載物平臺(tái)單元的光電開關(guān)信號(hào)控制機(jī)器人到電池載物臺(tái)108指定的作業(yè)點(diǎn)，將取下的乏電池放在中轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將另一中轉(zhuǎn)臺(tái)上充滿的電池取下來；
4)安裝電池PLC控制器控制機(jī)器人到車體電池倉的位置，根據(jù)存儲(chǔ)的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)210、傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)206的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整電池托盤的姿態(tài)，將電池安裝到電池倉中，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行電池鎖止，依據(jù)色標(biāo)傳感器509檢測信號(hào)判斷并確認(rèn)鎖止完成，PLC控制器控制電磁吸盤失電，電磁吸盤與電池脫離，電磁推手沿載物臺(tái)縮回固定，單箱電池快換完成；
5)重復(fù)過程2)、3)、4)，直至更換所有乏電池，機(jī)器人回到原點(diǎn)待機(jī)。
上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，它包括機(jī)器人本體，其特征是，所述機(jī)器人本體包括機(jī)械部分和電氣控制部分，所述機(jī)械部分包括在X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)方向上設(shè)有的水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元，所述承重單元設(shè)置在水平移動(dòng)單元上部，所述載物平臺(tái)單元與所述承重單元連接，所述載物平臺(tái)單元上包括設(shè)有的載物臺(tái)以及其上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置有電池推送機(jī)構(gòu)；所述的電氣控制部分包括與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)采集裝置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，I/ 0模塊；所述的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械部分中的水平移動(dòng)單元、承重單元和載物平臺(tái)單元中的傳動(dòng)裝置連接；
2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述承重單元包括由上橫梁、下橫梁和兩根立柱組成的門式結(jié)構(gòu)，所述上橫梁上設(shè)有兩組橫向?qū)蜉啠鰞山M橫向?qū)蜉喼g夾持有安裝在充電貨架上的天軌；所述天軌上安裝有用于設(shè)備取電的滑觸線槽和用于水平方向工位尋址的水平認(rèn)址片；所述兩根立柱上設(shè)有至少一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞盤，所述絞盤上纏繞有鋼絲繩，鋼絲繩的下端連接于載物平臺(tái)單元上；所述至少一根立柱上設(shè)有豎直方向?qū)ぶ返目v向認(rèn)址片。
3.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述的水平移動(dòng)單元包括兩側(cè)均具有輪緣的滾輪和隨動(dòng)滾輪，與承重單元的下橫梁相連接的地軌，所述地軌端部設(shè)有限位撞塊，所述滾輪和隨動(dòng)滾輪與電機(jī)減速機(jī)相連，所述電機(jī)減速機(jī)與承重單元的下橫梁連接。
4.如權(quán)利要求1或2所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述載物平臺(tái)單元包括在載物臺(tái)上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；以載物臺(tái)為基準(zhǔn)面從下往上順序依次看，所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在載物臺(tái)上的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其上依次設(shè)有傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，電池推送機(jī)構(gòu)，所述電池推送機(jī)構(gòu)上設(shè)有支撐橫梁；支撐橫梁與設(shè)有的電池托盤連接。所述的電池推送機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向軌道、電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電磁推手；電池推送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電磁推手分別與各自設(shè)有的齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接，電磁推手的推手工作面上安有兩塊圓形電磁吸盤，分布于工作面兩端，位置與電池內(nèi)箱上兩圓形鐵塊相對(duì)應(yīng)；所述電磁推手的推手工作面還設(shè)有與電池內(nèi)箱上的鎖緊裝置相配合的解鎖機(jī)構(gòu)；所述導(dǎo)向軌道設(shè)置在傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；所述導(dǎo)向軌道與電池內(nèi)箱位置上相匹配，所述電池內(nèi)箱用于將電池成組放置的箱體； 所述電池內(nèi)箱位于充電架或車輛上，使電池平穩(wěn)取送；所述支撐橫梁兩端各設(shè)有至少一個(gè)超聲波測距傳感器、和至少一個(gè)壓力傳感器，所述壓力傳感器位于超聲波測距傳感器內(nèi)側(cè)；所述水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括安裝在載物臺(tái)上的連桿滑塊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)底板I、底板II ；旋轉(zhuǎn)底板I、通過垂直底板II水平旋轉(zhuǎn)軸與底板II重疊安放，電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)底板I中心進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)；所述傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝在載物臺(tái)一端的齒輪弧形齒條裝置，與之配合連接的傾斜驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)有傾斜旋轉(zhuǎn)軸，傾斜旋轉(zhuǎn)軸安裝在旋轉(zhuǎn)底板I上。
5.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為工控機(jī)I以及PLC控制器，所述PLC控制器與工控機(jī)I通過工業(yè)以太網(wǎng)通信連接，所述 PLC控制器的型號(hào)為西門子PLC 300型；所述數(shù)據(jù)采集裝置包括超聲波傳感器I、光電傳感器、色標(biāo)傳感器、DMP位置傳感器 511 ；所述超聲波傳感器I、色標(biāo)傳感器、DMP位置傳感器511安裝在電磁推手上；所述光電傳感器安裝在上橫梁和立柱上，用于對(duì)機(jī)器人X軸和Z軸方向的定位。
6.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，所述6個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器分別與水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元中的伺服電機(jī)以及水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，鎖緊裝置中的伺服電機(jī)連接，所述的每個(gè)伺服電機(jī)的軸上設(shè)有編碼器，編碼器的信號(hào)輸出端與PLC控制器連接。
7.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)，其特征是，所述I/O模塊包括分別與PLC控制器連接的急停開關(guān)I和限位開關(guān)，所述限位開關(guān)分別設(shè)置在水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元中工作零點(diǎn)定位處，且與對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)接觸連接。
8.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)公交車快換機(jī)器人系統(tǒng)的快換方法，其特征是，所述的快換方法包括以下步驟1)初始化系統(tǒng)上電后，通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下發(fā)復(fù)位指令，機(jī)器人的各個(gè)軸觸發(fā)限位開關(guān)后尋零，各個(gè)軸回到原點(diǎn)位置；2)卸電池車輛安全停靠指定換電區(qū)域后，快換機(jī)器人根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)信息通過主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)移動(dòng)到指定的作業(yè)點(diǎn)，依據(jù)DMP位置傳感器、超聲波傳感器I信號(hào)調(diào)整電池托盤姿態(tài)，準(zhǔn)確的將電池托盤伸到與車體電池倉平齊對(duì)接的位置，同時(shí)，將水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度位置信號(hào)送至PLC控制器存儲(chǔ)，解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)解鎖， 根據(jù)色標(biāo)傳感器反饋信號(hào)判斷并確認(rèn)是否解鎖完成，解鎖成功之后，利用載物平臺(tái)單元中電磁推手上的電磁吸盤將電池從車體的電池倉中取出；3)取放電池PLC控制器根據(jù)存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和光電傳感器控制機(jī)器人到電池載物臺(tái)指定的作業(yè)點(diǎn)，將取下的乏電池放在中轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將另一中轉(zhuǎn)臺(tái)上充滿的電池取下來；4)安裝電池PLC控制器控制機(jī)器人到車體電池倉的位置，根據(jù)存儲(chǔ)的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、 傾斜夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整電池托盤的姿態(tài)，將電池安裝到電池倉中，電磁推手上的解鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行電池鎖止，依據(jù)色標(biāo)傳感器檢測信號(hào)判斷并確認(rèn)鎖止完成， PLC控制器控制電磁吸盤失電，電磁吸盤與電池脫離，電磁推手沿載物臺(tái)縮回固定，單箱電池快換完成；5)重復(fù)過程2~),3)、4)，直至更換所有乏電池，機(jī)器人回到原點(diǎn)待機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動(dòng)公交車電池快換機(jī)器人系統(tǒng)及快換方法，它包括機(jī)器人本體，機(jī)器人本體包括機(jī)械部分和電氣控制部分，所述機(jī)械部分包括在X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)方向上設(shè)有的水平移動(dòng)單元，載物平臺(tái)單元和承重單元，所述載物平臺(tái)單元上包括設(shè)有的載物臺(tái)以及其上設(shè)有的電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置有電池推送機(jī)構(gòu)；所述的電氣控制部分包括與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)采集裝置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，I/O模塊，快換機(jī)器人的應(yīng)用，快換過程定位精度高、相對(duì)位移量小、位置準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類電動(dòng)公交車動(dòng)力電池的快速更換。
文檔編號(hào)B60S5/06GK102490694SQ20111036690
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者厲秉強(qiáng), 王同斌, 譚林, 趙金龍, 高先進(jìn) 申請(qǐng)人:山東魯能智能技術(shù)有限公司