仿生蛇形新能源汽車自動(dòng)充電裝置研制

裘應(yīng)馳

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與軌道交通學(xué)院，浙江寧波，315000）

0 引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》指出，倡導(dǎo)簡(jiǎn)約適度、綠色低碳、文明健康的生活方式，營(yíng)造綠色低碳社會(huì)風(fēng)尚[1]。隨著能源技術(shù)的發(fā)展與環(huán)境問題的挑戰(zhàn)加之國(guó)家政策的支持[2]，新能源汽車已經(jīng)逐漸進(jìn)入了人們的視野并受到了極大的關(guān)注，成為了未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

目前新能源電動(dòng)汽車的充電方式主要采用手動(dòng)充電、換電等方式，在無人自動(dòng)駕駛飛速發(fā)展的今日，新能源電動(dòng)車自動(dòng)充電過程并沒有很好的做到無人化[3]。而在現(xiàn)在科技發(fā)展的今天，無人化的推進(jìn)在社會(huì)進(jìn)步中是大勢(shì)所趨，同時(shí)新能源電動(dòng)汽車自動(dòng)充電更加能夠解放車主，能夠做到即停即充，滿電自動(dòng)復(fù)位給車主以最佳的體驗(yàn)[4]。

1 系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)的仿生蛇形機(jī)械臂將仿生特點(diǎn)、安全性、實(shí)用性、便捷性、創(chuàng)新性、時(shí)尚性相結(jié)合。該機(jī)械臂主要包括四個(gè)部分，即包括身體執(zhí)行端與擴(kuò)展部分、驅(qū)動(dòng)拉線裝置、繩索引導(dǎo)框架與控制裝置。

1.1 身體執(zhí)行端

仿生蛇形新能源汽車自動(dòng)充電裝置，通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。在試驗(yàn)階段使用Simplify3D 打印對(duì)活動(dòng)關(guān)節(jié)模型進(jìn)行制作，使用生物降解PLA 材料及50%的填充率，既保證了支撐結(jié)構(gòu)的剛性強(qiáng)度，也遵從了可持續(xù)發(fā)展的理念。樣機(jī)的底座采用了玻纖材料，保證了基座的結(jié)構(gòu)鋼性，加工方式采用激光雕刻。

底座如圖1(a)所示，通孔皆為引導(dǎo)牽引線的路徑，每段關(guān)節(jié)對(duì)齊的通孔使關(guān)節(jié)的彎曲形狀更趨于等曲率圓弧。

圖1 充電裝置身體執(zhí)行端構(gòu)成

每個(gè)關(guān)節(jié)的支撐平臺(tái)直徑為80mm，間隔120°的三個(gè)臺(tái)柱用以固定每個(gè)關(guān)節(jié)的合金絲，每個(gè)支撐平臺(tái)如圖1(b)所示，該片關(guān)節(jié)面既作為下一節(jié)身體的向?qū)?，又作為上一?jié)身體的基座。

由于蛇彎曲前進(jìn)時(shí)并不能做到每節(jié)脊骨都能有很大的形變，一般25～35 節(jié)脊骨為一組組為一個(gè)彎曲組；故在設(shè)計(jì)本裝置時(shí)也同樣采取段中多節(jié)的形式，使得將整段120°的彎曲分散在3 個(gè)段中，其運(yùn)動(dòng)形式更貼近于蛇形，其擴(kuò)展段如圖1(c)所示。

三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)中每個(gè)關(guān)節(jié)段最大俯仰角θ 為0～120，周向角φ為0～360，徑向運(yùn)動(dòng)距離0～30mm 其運(yùn)動(dòng)范圍足以滿足電動(dòng)車充電需求。圖2 展示了充電裝置的兩個(gè)仿真充電位置。

圖2 兩充電位三維仿真圖

1.2 驅(qū)動(dòng)拉線裝置

該部分由9 個(gè)M2006 p36 無刷減速電機(jī)、電機(jī)支架、導(dǎo)輪、引導(dǎo)機(jī)構(gòu)、玻纖板（基底）、長(zhǎng)包角和金屬方柱等組成。電機(jī)出軸端使用了直徑40mm 的金屬圓帶輪，槽底直徑35mm，為了使合金絲能夠更準(zhǔn)確的卷入纏繞輪，在設(shè)計(jì)中采用特殊的理線機(jī)構(gòu)在引導(dǎo)合金絲的同時(shí)可以使其不容易離槽，設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。由于該裝置結(jié)構(gòu)較為緊湊，動(dòng)力源使用三層布局，故在其中加入了引線裝置，保證牽引合金繩索不會(huì)出現(xiàn)擠壓變形，扭轉(zhuǎn)等情況。

圖3 支撐及驅(qū)動(dòng)單元整體結(jié)構(gòu)

該裝置由連續(xù)體本體和驅(qū)動(dòng)模塊組成。充電裝置本體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由9 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行間接控制，該裝置的多自由度運(yùn)動(dòng)是在多組引導(dǎo)索聯(lián)動(dòng)下完成的。

可實(shí)現(xiàn)當(dāng)車輛位姿發(fā)生變化時(shí)，機(jī)械臂能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)這種變化作出調(diào)節(jié)，防止蛇形臂和充電座受到過大的外力，延長(zhǎng)蛇形臂的維護(hù)間隔和使用壽命。

2 運(yùn)動(dòng)求解

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

柔性支撐骨架采用彈簧材料，具有較高的抗拉壓和扭轉(zhuǎn)剛度。牽引驅(qū)動(dòng)繩索為9 根鈦鎳合金絲，繩的連接點(diǎn)均勻分布在蛇形身、底座和電機(jī)導(dǎo)輪上，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引鈦鎳合金絲，可實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過模型的簡(jiǎn)化，將每個(gè)單獨(dú)關(guān)節(jié)的曲率設(shè)為恒定值，此時(shí)定義關(guān)節(jié)中的三個(gè)變量，分別為單關(guān)節(jié)長(zhǎng)度L，圓弧的圓心角θ 和底座平面OO′O"和前視截面平面XOZ的旋轉(zhuǎn)角度φ。模塊的多自由度彎曲運(yùn)動(dòng)。充電裝置中單節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖4 所示。

圖4 繩驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型

通過本文裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)不難得出，計(jì)算過程中使用一個(gè)4×4 的矩陣來表示其單關(guān)節(jié)首端坐標(biāo)系到末端坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，即：

所有關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)都是等曲率的圓弧模型，經(jīng)過推導(dǎo)可得第n 關(guān)節(jié)段坐標(biāo)系{n}到第1 關(guān)節(jié)段坐標(biāo)系{l}之間的齊次變換矩陣為：

2.2 空間量轉(zhuǎn)換

本文中蛇形充電裝置每個(gè)關(guān)節(jié)姿態(tài)的變化都由穿過關(guān)節(jié)的繩索長(zhǎng)度決定，計(jì)算過程中建立了從關(guān)節(jié)空間與繩索長(zhǎng)度的映射關(guān)系。

每段關(guān)節(jié)兩關(guān)節(jié)基座之間距離長(zhǎng)度為h，該成都不會(huì)隨著裝置整體運(yùn)動(dòng)而改變長(zhǎng)度；處于兩個(gè)導(dǎo)線圓盤之間的部分鋼絲索長(zhǎng)度分別為 0l、1l和l2。假設(shè)連續(xù)型機(jī)器人有n個(gè)關(guān)節(jié)，則其直立狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)線長(zhǎng)度為：

在實(shí)際中本文以逆時(shí)針方向?qū)A盤導(dǎo)線孔進(jìn)行編號(hào)，每?jī)蓚€(gè)到線孔之間的夾角為α=120°。在充電裝置彎曲時(shí)，設(shè)第i關(guān)節(jié)段的關(guān)節(jié)變量為(θi,φi)，由幾何法分析可得到第i關(guān)節(jié)，第j個(gè)孔的驅(qū)動(dòng)線長(zhǎng)度為：

由于所有穿過裝置底座的驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)都會(huì)隨裝置運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。上位機(jī)會(huì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)線整體變化量的計(jì)算，第j導(dǎo)線孔驅(qū)動(dòng)線總線長(zhǎng)Δlj變化量為：

3 控制方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蛇形機(jī)器人通過其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的協(xié)同工作?？刂葡到y(tǒng)的主要組成部分包括：上位機(jī)，主控制器，電機(jī)控制器等。

其中，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)建模和求解，任務(wù)軌跡生成，控制指令的發(fā)送等工作。主控制器主要用于機(jī)械臂的基本邏輯控制，多個(gè)電機(jī)的協(xié)同，指令下發(fā)等工作。電機(jī)控制器主要用于電機(jī)的位置，速度和力矩的控制。

控制系統(tǒng)的原理如圖5 所示，上位機(jī)與主控制器采用串口通信的方式，將控制指令發(fā)送到主控制器。主控制器根據(jù)上位機(jī)指令完成所有電機(jī)的位移、速度或電流的解算，將結(jié)果發(fā)送到電機(jī)控制器的第兩路CAN 總線。同時(shí)，電機(jī)控制器也通過CAN 總線接收無刷電機(jī)調(diào)速器反饋的電機(jī)編碼器信息。

圖5 主控系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分，即初始化、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和輸出控制部分。蛇形充電樁總控制流程如圖6 所示。

圖6 控制流程

初始化部分會(huì)在每次充電操作執(zhí)行前運(yùn)行，9 個(gè)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行至所設(shè)原點(diǎn)。外部傳感器獲取汽車充電口坐標(biāo)，送入上位機(jī)中的逆解程序部分，經(jīng)過牛頓-拉夫森迭代法進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算計(jì)算出9 根牽引繩索的絕對(duì)長(zhǎng)度和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角，通過特定協(xié)議傳送給下位控制板，控制電機(jī)運(yùn)行。

4 組裝及調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，將整個(gè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配；根據(jù)電氣原理圖將各個(gè)電氣元件合理排布，安裝；完成蛇形充電裝置的平臺(tái)搭建。其中繞線機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電調(diào)和主控板等部件置于底部箱體中，主控與計(jì)算機(jī)的連接通過USB 線完成。

蛇形機(jī)械臂的位姿規(guī)劃對(duì)機(jī)械臂完成任務(wù)要求極其重要。其位姿規(guī)劃數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 充電裝置位姿規(guī)劃數(shù)據(jù)

當(dāng)裝置運(yùn)行到充電位時(shí)其各電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2 所示。裝置運(yùn)行實(shí)物圖7 所示。

表2 充電裝置運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

圖7 充電位實(shí)物圖

5 結(jié)語

隨著新能源電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，充電設(shè)備逐漸走進(jìn)每家每戶。通過智能的自動(dòng)充電設(shè)備，能夠很好的改善目前新能源汽車充步驟繁瑣的問題；同時(shí)在商業(yè)領(lǐng)域，該充電樁裝置的研發(fā)，在提高充電站的無人化管理程度的同時(shí)，能夠有效的降低管理經(jīng)營(yíng)成本。

仿生蛇形新能源汽車自動(dòng)充電裝置的研制可極大地提高用戶的使用體驗(yàn)，提高新能源汽車充電的便利性和操作安全性；有利于未來自動(dòng)化駕駛，自動(dòng)泊車等自動(dòng)化體系的發(fā)展。