電動(dòng)汽車機(jī)器人自動(dòng)換電裝置

黃 坤

(安川首鋼機(jī)器人有限公司, 北京，100176)

電動(dòng)汽車機(jī)器人自動(dòng)換電裝置

黃 坤

(安川首鋼機(jī)器人有限公司, 北京，100176)

本文介紹一種應(yīng)用于新能源電池的電動(dòng)汽車機(jī)器人自動(dòng)換電裝置。其中，機(jī)器人抓手采用內(nèi)置滾珠直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及視覺(jué)裝置，利用視覺(jué)傳感器檢測(cè)位置誤差進(jìn)行動(dòng)作補(bǔ)償、反饋控制機(jī)器人抓手的動(dòng)作，具有精度高、控制方便的特點(diǎn)；外置行走機(jī)構(gòu)采取水平結(jié)構(gòu)并且沉于地下，利用機(jī)器人外部軸控制機(jī)器人的位置，從而使機(jī)器人抓取電池及裝卸電池更加精確，拓展了作業(yè)空間；轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)作為換電裝置內(nèi)外結(jié)合的關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙手交叉作業(yè)模式，提高了作業(yè)效率；碼垛裝置利用伺服驅(qū)動(dòng)，可以方便、快捷地取放電池。整套換電裝置工作方式新穎，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

機(jī)器人，新能源，自動(dòng)換電，視覺(jué)

0 引言

隨著環(huán)境的變化，人們對(duì)各類生產(chǎn)、消費(fèi)的節(jié)能減排要求越來(lái)越高，綠色能源的開(kāi)發(fā)成為動(dòng)力發(fā)展的主旋律。電動(dòng)車輛使用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，具有零排放、噪聲小、舒適干凈、易于操縱和維護(hù)的特點(diǎn)，作為清潔、低碳、綠色環(huán)保的代步工具，其能源問(wèn)題受到世界各國(guó)的極大關(guān)注。電池作為電動(dòng)車輛最為核心的部件，需要經(jīng)常進(jìn)行充電或者更換電池，以保證電動(dòng)車的續(xù)航能力。因此，電池的換電方式直接影響電動(dòng)車輛使用的方便性。

目前市面上更換電池設(shè)備通常采用半自動(dòng)和人工方式進(jìn)行，雖然人工參與加大了電池更換的靈活性，但這種方式效率低下,成為制約人們使用電動(dòng)汽車和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大屏障。為解決這一難題，安川首鋼機(jī)器人有限公司于2012年開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于電動(dòng)汽車的機(jī)器人自動(dòng)換電裝置，

1 換電裝置系統(tǒng)布局

裝置三維總體布置圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 總體布置圖

整個(gè)裝置采用雙工位布置，分別應(yīng)用于電動(dòng)車兩側(cè)的電池更換，通過(guò)抓手視覺(jué)裝置測(cè)試計(jì)算出電池端面到抓手端面的距離，然后由機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整抓手姿態(tài)進(jìn)行解鎖、取出電池。機(jī)器人換電裝置負(fù)責(zé)將電池在電動(dòng)車和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，碼垛裝置負(fù)責(zé)將電池在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)和充電架之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。整個(gè)裝置大大提高了電池更換效率，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)。

圖2 裝置布置圖

本裝置主要由2臺(tái)MOTOMAN-UP350D-600機(jī)器人、2套行走機(jī)構(gòu)、2套車體定位機(jī)構(gòu)、2套電池抓手、2套轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、2套碼垛裝置、2套充電倉(cāng)架、2臺(tái)工控機(jī)及1套電控裝置構(gòu)成。

UP350D-600機(jī)器人是日本MOTOMAN最新研制的特別適合于搬運(yùn)的新型機(jī)器人（見(jiàn)圖3）。它的動(dòng)作速度、精度及可靠性具有國(guó)際先進(jìn)水平。該機(jī)器人配合以MOTOMAN在2010年推出的DX100新型機(jī)器人控制柜，可實(shí)現(xiàn)很快的動(dòng)作，大大降低了各種應(yīng)用的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。同時(shí)，其超大的工作半徑（2542mm）也保證了電動(dòng)車在不同位置上，機(jī)器人均有最佳的搬運(yùn)姿態(tài)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，電動(dòng)車的停車位置不是精確固定的，每次停車的位置大約在中心位置的5°范圍內(nèi)，這時(shí)需要通過(guò)機(jī)器人抓手的視覺(jué)檢測(cè)裝置進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、抓取電池并且實(shí)現(xiàn)快速更換。

系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人、控制柜及移動(dòng)部分安裝了安全防護(hù)裝置，使整個(gè)裝置處于安全的操作環(huán)境中，提高了裝置的安全性。

整個(gè)裝置具有特點(diǎn)如下：

1）機(jī)器人與伺服抓具的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有牢固、空間布局合理、操作方便的特點(diǎn)。

2）人機(jī)交互界面與機(jī)器人結(jié)合，便于用戶操作，符合人體工學(xué)原理，并具有一定的防護(hù)等級(jí)，充分保證用戶人身的安全。

3） 整體結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計(jì)，兼容性強(qiáng)，可根據(jù)用戶需要配置換電單元數(shù)量。

4） 充分利用環(huán)衛(wèi)車的統(tǒng)一接口，可以將電動(dòng)汽車換電系統(tǒng)更為普遍地進(jìn)行推廣，滿足充電站快速網(wǎng)絡(luò)化布局的需要，實(shí)現(xiàn)資源的重新整合，給車輛快速進(jìn)行能量補(bǔ)給，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

圖3 UP350D-600

2 電池抓手

電池抓手的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電池抓手

整體抓手裝置由1個(gè)伺服行走、2個(gè)氣動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)組成，可使機(jī)器人對(duì)電池的抓取姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

電池抓手特點(diǎn)如下：

1）內(nèi)置行走機(jī)構(gòu)由機(jī)器人外部軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度高，滿足機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)作需要。

2）鋁型材框架設(shè)計(jì)減輕了重量，有利于裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3）視覺(jué)安裝便于維護(hù)。

4）可以實(shí)現(xiàn)多種端面相同、長(zhǎng)度不同的電池類型的抓取。

3 行走機(jī)構(gòu)

本裝置采用了水平行走機(jī)構(gòu)，整個(gè)行走機(jī)構(gòu)沉降到地下，這種布置可以方便機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，為人工應(yīng)急提供有效的操作空間。

由于采用了機(jī)器人外部軸伺服驅(qū)動(dòng)，可以精確控制電池抓手的位置，便于精確定位電池抓手與電動(dòng)車及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的接觸位置。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)處于雙向通風(fēng)的特殊環(huán)境，電動(dòng)車可能因?yàn)樘鞖獾纫蛩亟o現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)雨水積雪等，這會(huì)對(duì)換電設(shè)備造成危害，所以，整個(gè)系統(tǒng)為行走機(jī)構(gòu)的滑塊和導(dǎo)軌安裝了防護(hù)裝置，避免雨雪等落在導(dǎo)軌面上，減少了滑塊損壞的幾率。

4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)

由于轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)是處于機(jī)器人和碼垛裝置之間的關(guān)鍵傳輸工具，因此，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)被分為A工位和B工位，以適應(yīng)機(jī)器人和碼垛機(jī)雙手交叉的作業(yè)模式。

當(dāng)電動(dòng)車就位后，機(jī)器人通過(guò)電池抓手將電動(dòng)車上的電池取下來(lái)。接著，機(jī)器人將取下來(lái)的電池放置到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)B工位上，同時(shí)將已經(jīng)放置到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)A工位上的充好電的新電池取出，轉(zhuǎn)移到電動(dòng)車上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的電池更換。

每當(dāng)有電動(dòng)車就位并得到啟動(dòng)換電信號(hào)后，機(jī)器人自動(dòng)將舊電池放置到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)B工位上，同時(shí)碼垛裝置自動(dòng)將換下的舊電池從轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)B工位上取下并轉(zhuǎn)運(yùn)到充電倉(cāng)架上，再將充電倉(cāng)架上已經(jīng)充好電的新電池轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)A工位上，以備下次更換時(shí)使用。

碼垛裝置和機(jī)器人采用雙手交叉作業(yè)模式，這有效地提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 碼垛裝置

由于碼垛裝置的兩側(cè)取放位置是固定的，所以采用XYZ伺服運(yùn)動(dòng)方式，與電動(dòng)車位的機(jī)器人形成左右手模式。

該裝置由3個(gè)伺服電機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)、雙向電池倉(cāng)及外圍框架構(gòu)成，配合充電倉(cāng)架，形成了一套簡(jiǎn)單而實(shí)用的電池取放系統(tǒng)，為快速提供充滿電量的電池出入庫(kù)提供了必要條件。

6 結(jié)論

本文介紹了一種用于新能源的機(jī)器人自動(dòng)換電裝置，著重對(duì)裝置的布置形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、可靠性進(jìn)行了說(shuō)明。該裝置解決了電動(dòng)汽車充電等候、電池不合理保溫充電等問(wèn)題，鑒于原有的電池標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和電池倉(cāng)的結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，機(jī)器人自動(dòng)換電裝置統(tǒng)一了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)電動(dòng)車車型，可以使快速換電站能夠深入到城市的各個(gè)電動(dòng)車集中地帶，解決了電動(dòng)車快速便捷的換電需求。

圖5 機(jī)器人自動(dòng)換電實(shí)景

此裝置在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)辟了機(jī)器人在電動(dòng)車自動(dòng)換電領(lǐng)域的應(yīng)用，標(biāo)志著新能源換電自動(dòng)化、管理精細(xì)化上邁出了新的步伐，同時(shí)又是電網(wǎng)資源的合理利用，是電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)質(zhì)服務(wù)、綠色環(huán)保服務(wù)的進(jìn)一步延伸，對(duì)提高換電效率、降低原材料消耗和職工勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有重要意義。