电动公交车换电机器人系统及方法

专利名称：电动公交车换电机器人系统及方法
技术领域：
本发明涉及ー种电动车辆与电池中转台之间电池换电系统及换电方法，尤其涉及ー种电动公交车换电机器人系统及方法。
背景技术：
随着资源与环境双重压カ的持续増大，为缓解石油资源短缺局面，降低汽车燃油对环境的污染，发展新能源汽车已成为未来汽车エ业发展的方向。目前，“低排放”汽车(主要指混合动カ汽车)已进入大規模产业化阶段，在全球的累计销量已超过100万辆，“零排放”汽车(主要指纯电动汽车)的批量生产时间已提前到2015年，比原来预计的时间提前了 10年至15年。
然而在实际应用中，由于受到当前电池能量密度的限制，电动汽车的续航里程一般在ー百公里至两百公里之间，远不如传统汽车的续航里程。因此，能否快速为汽车提供能量补给，直接影响到电动汽车的推广应用。通常情况下，对电池慢速充电需要几个小时才能完成，快速充电会对电池的寿命产生影响，而且，单箱电池比较笨重，不利于人工更换。就电动公交车而言，一方面它需要较大的电池容量，另ー方面由于受单箱电池容量的限制，往往采用多电池箱组合来供给电能，由于电池数量的增多，带来了占用空间较大；增加车自重的问题，甚至使电动公交车的电池能达到上吨的重量。根据目前的电池容量现状，一组电池最多运行4小时就要更换，毎次要更换六到八块，如用人工更换，至少要ー到ニ小时，这对运营商来讲，是不容许的。目前，国内相关企业机构对电动公交车的电池更换系统有一定的研究，中华人民共和国国家知识产权局2010年9月30日公开的公开号201881868U，申请号201020561469. X提出了一种电动商用车电池更换装置及换电系统。首先，该系统提出了一种电动公交车电池更换方案，本方案提出了ー种利用换电机构旋转180°的方式，解决电池插接件在载物台上与车体方向的一致性问题，但是，这种系统存在需要的自由度多，控制系统复杂，作业空间大，出现误差的环节较多的不足之处。此外，随着技术进歩，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。国内2005年北京电巴公司开始进行公交换电系统的研发，并实现了换电公交车大規模试点运行。在电动汽车推广运行的同吋，电动汽车能源储备及供给系统成为电动汽车产业发展的技术关键。现有的电动汽车电池快换电机械手，如专利200820078476. 7 “ー种用于车载电池更换系统的定位装置”、专利200410090796.0 “ー种电动公交车系统”等，虽然披露了以车载动カ电池为动カ电源的动カ汽车及相关技术，但是所描述的装置应用同样存在着ー些问题，如更换电池过程需要多次定位，更换动カ电池时间较长；更换设备所占空间较大，不利于场地布置；电池更换过程中，电池必须做180°旋转，増加电池更换系统工作空间等。对电动公交车而言，一方面它需要较大的电池容量，另ー方面由于受单箱电池容量的限制，往往采用多电池箱组合来供给电能，由于电池数量的增多，带来了占用空间较大，甚至使电动公交车的电池能达到上吨的重量。因此，换电机器人的体积和重量都很庞大，如此庞大的机器人运动要求大功率的驱动部件，驱动电流也相当之大，靠近非常危险。现有的机器人的主控柜跟电气控制柜多采用一体化设计，操作员直接站在电气控制柜的旁边进行操作，对操作人员的人身安全产生巨大威胁。因此，原则上，机器人的主控台应安装在其运动范围之外，同时应具备操作简单，操作人员通过简单的培训即可操作的特点。同时，目前采用的快速换电机器人的控制平台与快速换电机器人之间存在一定距离，当要求小幅度的定位移动时往往单纯采用固定的控制平台会出现存在体积大、移动速度慢，自由度范围小，换电过程要求定位精度高、相对位移量偏小、位置准确，在换电操作过程中存在控制难的问题
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供ー种电动公交车换电机器人系统及方法，它具有满足电动公交动カ电池快速更换，合理利用土地资源，降低动カ电池换电系统占用的空间，对动力电池存放区域进行密封，提高动力电池的使用寿命。还可以实现对电池状态自动定位、姿态调整，进而实现电池抓取、安装等功能的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种电动公交车换电机器人系统，它包括机器人本体和机器人主控台，所述机器人本体包括机械部分和电气控制部分，所述机械部分包括在X、Y、Z三个直角坐标方向上设有的水平移动单元、载物平台単元和承重単元；所述承重单元设置在水平移动单元上部，所述载物平台単元与所述承重单元连接，所述载物平台単元包括载物台以及载物台上设有的电池驱动机构，所述电池驱动机构上设置有电池推送机构；载物台两端设有支架，所述支架上设有多组纵向导向轮，多组纵向导向轮分别沿承重单元两根立柱排布；
所述承重単元包括由上横梁、下横梁和两根立柱组成的门式结构，所述上横梁上设有两组横向导向轮，所述两组横向导向轮之间夹持有安装在充电货架上的天轨；所述天轨上安装有用于设备取电的滑触线槽和用于水平方向エ位寻址的水平认址片；所述两根立柱上设有至少ー组电机驱动的绞盘，所述绞盘上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的下端连接于载物平台単元上；所述至少一根立柱上设有竖直方向寻址的纵向认址片；
所述的电气控制部分包括与主控计算机系统连接的数据采集装置、动カ驱动机构，I/0模块，无线通信模块I ;所述的动カ驱动机构与机械部分中的水平移动单元、承重単元和载物平台単元中的传动装置连接；
所述机器人主控台通过其设有的无线通信模块II与机器人本体无线通信模块I建立无线通讯。所述的水平移动单元包括两侧均具有轮缘的滚轮和随动滚轮，与承重単元的下横梁相连接的地轨，所述地轨端部设有限位撞块，所述滚轮和随动滚轮与电机減速机相连，所述电机減速机与承重単元的下横梁连接。所述载物平台単元以载物台为基准面从下往上顺序依次看固定在载物台上的水平旋转机构，其上依次设有倾斜夹角调节机构，电池推送机构，所述电池推送机构上设有支撑横梁；支撑横梁与设有的电池托盘连接；其中，所述的电池推送机构包括导向轨道、电池推送机构驱动电机以及电磁推手；电池推送机构驱动电机与电磁推手分别与各自设有的齿轮齿条机构连接，电磁推手的推手工作面上安有两块圆形电磁吸盘，分布于工作面两端，位置与电池内箱上两圆形铁块相对应；所述电磁推手的推手工作面还设有与电池内箱上的锁紧装置相配合的解锁机构；所述导向轨道设置在倾斜夹角调节机构，与电池内箱位置上相匹配，所述电池内箱用于将电池成组放置的箱体；所述电池内箱位于充电架或车辆上，使电池平稳取送；
所述支撑横梁两端各设有至少一个超声波测距传感器、和至少一个压力传感器，所述压力传感器位于超声波测距传感器内侧；
所述水平旋转机构包括安装在载物台上的连杆滑块机构，旋转底板I、底板II ;旋转底板I、通过垂直底板II水平旋转轴与底板II重叠安放，电池驱动机构绕旋转底板I中心进行水平旋转；
所述倾斜夹角调节机构包括安装在载物台一端的齿轮弧形齿条装置，与之配合连接的倾斜驱动电机，所述倾斜夹角调节机构设有倾斜旋转轴，倾斜旋转轴安装在旋转底板I上。 所述主控计算机系统为工控机I以及PLC控制器，所述PLC控制器与工控机I通过工业以太网通信连接，所述PLC控制器的型号为西门子PLC 300型；
所述数据采集装置包括超声波传感器I、光电传感器、色标传感器、DMP位置传感器；所述超声波传感器I、色标传感器、DMP位置传感器511安装在电磁推手上；所述光电传感器安装在上横梁和立柱上，用于对机器人X轴和Z轴方向的定位。所述动力驱动机构包括6个电机的伺服驱动器，所述6个电机的伺服驱动器分别与水平移动单元，载物平台单元和承重单元中的伺服电机以及水平旋转机构，倾斜夹角调节机构，锁紧装置中的伺服电机连接，所述的每个伺服电机的轴上设有编码器，编码器的信号输出端与PLC控制器连接。所述I/O模块包括分别与PLC控制器连接的急停开关I和限位开关，所述限位开关分别设置在水平移动单元，载物平台单元和承重单元中工作零点定位处，且与对应的伺服电机接触连接。所述机器人主控台包括柜体，所述柜体内底部装有工控机II，柜体正面上半部设有电阻式触摸屏，柜体背面安装有无线通信模块II，所述柜体上触摸屏的下方安装有运行状态指示灯和急停按钮，所述电阻式触摸屏和无线通信模块II与工控机II相连，所述运行状态指示灯和急停按钮通过电平转换电路板与工控机II的相连；
所述柜体背面设有柜体门，柜体门上设有防雨锁；
所述工控机通过VGA接口与电阻式触摸屏相连接；
所述无线通信模块II通过网口与工控机II通信；
所述无线通信模块II以及无线通信模块I采用WiFi的IEEE 802. 11标准的无线网络或CDMA模块或EDGE模块。所述机器人系统还包括机器人无线遥控装置，所述机器人无线遥控装置包括壳体，在所述的壳体上设有总开关、两个二维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服上电按钮；壳体内设有主控板和用于发射握手数据、头数据、尾数据及校正数据的无线通信模块III;所述的总开关、两个二维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服上电按钮、无线通信模块III与主控板连接；所述主控板将二维摇杆的方向信息转换成电信号，通过无线通信模块III收发指令控制换电机器人的运动；所述的壳体上设有状态指示灯，所述的状态指示灯和主控板连接；所述的壳体上设有急停按钮III，所述的急停按钮III和主控板连接；所述的壳体上设有备用按钮；所述无线通讯模块III与无线通讯模块I、无线通讯模块II无线通讯。一种电动公交车换电机器人系统的换电方法，所述的换电方法包括以下步骤
1)初始化系统上电后，通过主控计算机系统或机器人主控台或无线遥控装置下发复位指令，机器人的各个轴触发限位开关后寻零，各个轴回到原点位置；
2)卸电池车辆安全停靠指定换电区域后，换电机器人根据存储的坐标点信息通过主控计算机系统或机器人主控台或无线遥控装置移动到指定的作业点，依据DMP位置传感器、超声波传感器I信号调整电池托盘姿态，准确的将电池托盘伸到与车体电池仓平齐对接的位置，同时，将水平旋转机构、倾斜夹角调节机构的旋转角度位置信号送至PLC控制器存储，解锁电机驱动解锁机构解锁，根据色标传感器反馈信号判断并确认是否解锁完成，解锁成功之后，利用载物平台单元中电磁推手上的电磁吸盘将电池从车体的电池仓中取出；
3)取放电池PLC控制器根据存储的坐标点和光电传感器控制机器人到电池载物台指定的作业点，将取下的乏电池放在中转台上，并将另一中转台上充满的电池取下来；
4)安装电池PLC控制器控制机器人到车体电池仓的位置，根据存储的水平旋转机构、倾斜夹角调节机构的旋转角度调整电池托盘的姿态，将电池安装到电池仓中，电磁推手上的解锁电机驱动解锁机构进行电池锁止，依据色标传感器检测信号判断并确认锁止完成，PLC控制器控制电磁吸盘失电，电磁吸盘与电池脱离，电磁推手沿载物台缩回固定，单箱电池换电完成；
5)重复过程2)、3)、4)，直至更换所有乏电池，机器人回到原点待机；
6)当出现故障时，主控计算机系统对故障状态自主的进行判断处理，并将故障内容上报机器人主控台；急停开关主要是对设备运行中的紧急情况进行急停，优先级为第一位。本发明利用换电机器人使动カ电池在中转台和电动公交车间交换，使其完成快速更换动カ电池工作。本发明对称分布于待充电电动公交车两侧，适用于电动公交车两侧动カ电池同时更换。本发明的有益效果是换电机器人的应用，降低了工作区域的空间占用率，有效地提高了土地资源的利用率；换电机器人能够按动力公交车电池位置进行姿态调整，自动识别以及快速、准确、安全的对电动公交车电池进行更换，换电过程定位精度高、相对位移量小、位置准确，实现对不同种类电动公交车动カ电池的快速更换。


图I为本发明换电机器人示意 图2为本发明的换电机器人载物平台単元后视结构示意 图3为本发明载物平台単元倾斜夹角调节机构前视示意 图4A为本发明载物平台単元水平旋转机构示意 图4B为本发明载物平台単元水平旋转机构A-A示意 图5.换电机器人控制系统不意图。其中101.上横梁，102.天轨，103.立柱，104.下横梁，105.地轨，106.限位撞块，107.水平移动单元，108.载物台，109.电池驱动机构，110.电磁推手，111.纵向导向轮，112.横向导向轮，113.解锁机构，114.电磁吸盘，201.电池内箱，202.压力传感器，204.导向轨道，205.超声波测距传感器，206.倾斜夹角调节机构，207.电池推送机构，208.电池推送机构驱动电机，210.水平旋转机构，211.支撑横梁，301倾斜转轴，302.弧形齿条，303.倾斜驱动电机，401.旋转底板I，402.底板II，403.水平旋转轴，404.水平驱动电机，405.丝杠，406.丝杠螺母，407.连杆，501.主控计算机系统，502. PLC控制器，503.限位开关，504. 6自由度的直线运行单元驱动电机，505. 6个电机的伺服驱动器，506.电机编码器，507.急停开关I，508.超声波传感器I，509.色标传感器，510.光电传感器，511. DMP位置传感器，512.无线通讯模块I，513无线通讯模块II，514无线通讯模块III。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。图I、图2中表示本发明换电机器人以及载物平台单元后视结构示意图，图中该系统中的机械部分设有的水平移动单元107，载物平台单元和承重单元，这样建立起系统三 坐标主体结构，水平移动单元107包括两侧均具有轮缘的滚轮和随动滚轮，与承重单元的下横梁104相连接的地轨105，所述地轨105端部设有限位撞块106，所述滚轮和随动滚轮与电机减速机相连，所述电机减速机与承重单元的下横梁104连接。承重单元设置在水平移动单元107上部,载物平台单元与所述承重单元连接,载物平台单元上包括设有的载物台108以及其上设有的电池驱动机构109，电池驱动机构109上设置有电池推送机构207 ；
电气控制部分包括与主控计算机系统501连接的数据采集装置、动力驱动机构，I/O模块，无线通信模块I 512，动力驱动机构与机械部分中的水平移动单元107、承重单元和载物平台单元中的传动装置连接；
承重单元包括由上横梁101、下横梁104和两根立柱103组成的门式结构，所述上横梁101上设有两组横向导向轮112，所述两组横向导向轮112之间夹有安装在充电货架上的天轨102 ;所述天轨102上安装有用于设备取电的滑触线槽和用于水平方向工位寻址的水平认址片；所述两根立柱103中一侧立柱103设有一组电机驱动的绞盘，将绞盘上缠绕钢丝绳，钢丝绳的下端连接于载物平台单元上；一根立柱上设有竖直方向寻址的纵向认址片用于纵向的方向识别。载物台108两端设有支架，所述支架上设有多组纵向导向轮111，多组纵向导向轮111分别沿承重单元两根立柱103排布；
载物平台单元包括在载物台108上设有的电池驱动机构109，以载物台108为基准面从下往上顺序看
所述电池驱动机构包括固定在载物台上的水平旋转机构210，其上依次设有倾斜夹角调节机构206，电池推送机构207，所述电池推送机构207上设有支撑横梁211 ;支撑横梁211与设有的电池托盘连接。所述的电池推送机构207包括导向轨道204、电池推送机构驱动电机208以及电磁推手110 ;电池推送机构驱动电机208与电磁推手110分别与各自设有的齿轮齿条机构连接，电磁推手110的推手工作面上安有两块圆形电磁吸盘114，分布于工作面两端，位置与电池内箱上两圆形铁块相对应；所述电磁推手110的推手工作面还设有与电池内箱上的锁紧装置相配合的解锁机构113。所述电池内箱201为将电池成组放置的箱体。所述导向轨道204设置在电池推送机构207上表面；所述解锁机构113为解锁电机驱动拨叉状结构，设置分布于电磁推手110工作面两端，用与配合打开充电架或换电车上的电池内箱201上的锁紧装置；
电池推送机构207上平面上设有与电池内箱201对应的导向轨道204，电池内箱201位于充电架或车辆上，使电池平稳取送； 支撑横梁211两端各设有ー个超声波测距传感器205和一个压カ传感器202，压カ传感器202位于超声波测距传感器205的内側。图3中，本发明载物平台単元倾斜夹角调节机构前视示意图，倾斜夹角调节机构206包括安装在载物台108上左端的齿轮弧形齿条装置，倾斜驱动电机303带动齿轮旋转，齿轮弧形齿条啮合传动，弧形齿条302带动底板绕倾斜转轴301旋转实现倾斜运动；倾斜旋转轴301安装在旋转底板1401上。图4A，图4B中，水平旋转机构210包括安装在载物台108上的连杆滑块机构，通过水平驱动电机404带动丝杠405转动，丝杠405带动丝杠螺母406水平直线运动，丝杠螺母406通过铰接与连杆407相连，连杆407通过铰接与旋转底板I 401连接，旋转底板1401与安装在载物台108上底板II402通过水平旋转轴403叠放，当连杆407在丝杠螺母406的带动下移动时，连杆407带动旋转底板1401绕水平旋转轴403进行水平旋转操作；
图5中，机器人本体系统包括主控计算机系统501、PLC控制器502、限位开关503、6自由度的直线运行単元驱动电机504、6个电机的伺服驱动器505、电机编码器506、急停开关I 507、超声波传感器1508、色标传感器509、光电传感器510、DMP位置传感器511。其中主控计算机系统501包括显示器、鼠标、键盘、主机和软件系统，主机采用X86系列エ控机，windows XP操作系统，主控软件系统采用Visual C++语言编写，软件实现多线程事务处理，操作人员可以用鼠标和键盘对主控计算机进行操作；
西门子PLC 300型逻辑控制器是整个控制系统的核心部件，通过エ业以太网与主控计算机系统501进行通信，通过对超声波传感器1508、色标传感器509、光电传感器510、DMP位置传感器511信号的综合判断对相应驱动电机进行控制。 数据采集装置包括超声波传感器1508、光电传感器510、色标传感器509、DMP位置传感器511。超声波传感器1508、色标传感器509、DMP位置传感器511安装在电磁推手上，光电传感器510安装在上横梁101和立柱103上，用于对机器人X轴和Z轴方向的定位。限位开关503用于每个运动轴的參考机械零点。每个伺服驱动器505可以监控相对应的电机的运行电流、电机堵转或超过额定负载时能够向控制器报警。当系统出现故障时，主控计算机系统能够对故障状态自主的进行判断处理，并将故障内容上报机器人主控台。急停开关I 507主要是对设备运行中的紧急情况进行急停，优先级为第一位。车辆安全停靠指定的换电区域后，换电机器人根据存储的坐标点和DMP位置传感器511、超声波传感器1508的信号动态调整倾斜驱动206，准确的将电池托盘伸到与车体的电池仓平齐的位置，同时倾斜夹角调节机构和水平旋转机构的旋转角度位置信号送至PLC控制器存储，解锁电机驱动解锁机构113进行电池箱解锁，依据色标传感器509反馈信号判断并确认解锁完成，之后，Y轴方向带有电磁吸盘的电磁推手110上电，电磁吸盘产生电磁吸力，将电池从车体的电池仓中取出。PLC控制器根据存储的坐标点和X、Z轴方向上的光电传感器510信号，控制机器人到中转台，所述的中转台为换电站电池充电货架；将取下的需要充电的乏电池放在中转台上，并将另一中转台上已充满的电池取下来。PLC控制器控制机器人运动到车体电池仓的位置，根据存储的倾斜夹角调节机构和水平旋转机构的旋转角度值，调整倾斜驱动206和水平旋转机构210，进而调整电池托盘的姿态，最终将电池安装到电池仓中，解锁电机驱动解锁机构113进行电池锁止，依据色标传感器509判断并确认锁止是否完成，锁止成功，紧接PLC控制器控制电磁吸盘114失电，电磁吸盘114与电池箱脱离，Y轴方向缩回，单箱电池换电完成，重复第一箱更换过程，直至更换全部电池，机器人回到原点待机。所述滚轮和随动滚轮的两侧均具有轮缘，轮缘可抱住地轨105防止脱出，滚轮在地轨105上运动，随动滚轮沿地轨直线运行。电磁推手110安装在电池推送机构207上，电池推送机构207带动其上的电磁推手110进行动力电池伸出\缩回。同时，换电机器人上的电池驱动机构109缩回时，才允许换电机器人进行水平行走和载物台108的竖直运动，其目的在于防止由于误操而产生的碰
撞。 电池推送机构207设置于倾斜夹角调节机构206上，其包括导向轨道204、电磁吸盘114、解锁机构113、将电池利用导向轨道204托住，同时,利用电磁吸盘114吸附,并利用电池推送机构207将动力电池推送进入指定位置。压力传感器202分布设置在支撑横梁211两侧，同时，超声波测距传感器205分布设置在压力传感器202内侧，
换电机器人电池驱动机构上包括的支撑横梁211、倾斜驱动电机303、水平旋转机构210、电池推送机构207中。电池推送机构207通过电池推送机构驱动电机208来驱动。电磁推手110与电池内箱201相对应。载物台108上，安装两轴旋转机构，实现对电动公交车取送电池时的姿态调整。公交车进站换电时行进方向偏差(水平夹角)调整；车内电池与地面夹角(倾斜夹角)的自动适应。所述的电磁推手110与堆垛机上的电磁推手110结构类似；2个超声波测距传感器(测量水平夹角)；2个压力传感器202，光电传感器510配合贴在公交车内电池外箱上的反光板测量倾斜夹角，并能够实现车内取送电池过程中，跟随车身高度变化实现随动功能。换电机器人对中转台放电池，具体地说，换电机器人进行水平及竖直方向运动对准中转台中充电货位将电池推送机构207伸出，同时，带动装有动力电池的电池内箱送入中转台，解锁机构113动作，将动力电池锁在中转台上。电磁推手110脱开电池，载物台108下降到一定高度后电池推送机构207收回。完成放电池流程。换电机器人对中转台取拿动力电池包括换电机器人对准中转台上的动力电池，电池推送机构207伸出，电磁推手110上电磁吸盘114吸住电池，与此同时解锁机构113运作，解除动力电池锁，将动力电池拉出，与此同时电池推送机构207收回，完成从中转台取电池。所述I/O模块包括分别与PLC控制器连接的急停开关I和限位开关，所述限位开关分别设置在水平移动单元，载物平台单元和承重单元中工作零点定位处，且与对应的伺服电机接触连接。机器人主控台包括柜体，所述柜体内底部装有工控机II，柜体正面上半部设有电阻式触摸屏，柜体背面安装有无线通信模块II，所述柜体上触摸屏的下方安装有运行状态指示灯和急停按钮，所述电阻式触摸屏和无线通信模块II与エ控机II相连，所述运行状态指示灯和急停按钮通过电平转换电路板与エ控机II的相连；
柜体背面设有柜体门,柜体门上设有防雨锁；
エ控机通过VGA接ロ与电阻式触摸屏相连接；
无线通信模块II通过网ロ与エ控机II通信；
无线通信模块II以及无线通信模块I采用WiFi的IEEE 802. 11标准的无线网络或CDMA模块或EDGE模块。机器人系统还包括机器人无线遥控装置，所述机器人无线遥控装置包括壳体，在 所述的壳体上设有总开关、两个ニ维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服控制器上电按钮；壳体内设有主控板和无线通信模块III514 ;所述的总开关、两个ニ维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服控制器上电按钮、无线通信模块III514与主控板连接；所述主控板将ニ维摇杆的方向信息转换成电信号，通过无线通信模块III514收发指令控制换电机器人的运动；所述的壳体上设有状态指示灯，所述的状态指示灯和主控板连接；所述的壳体上设有急停按钮111514，所述的急停按钮III514和主控板连接；所述的壳体上设有备用按钮；所述无线通讯模块III514与无线通讯模块1512、无线通讯模块II513无线通讯。电动公交车换电机器人系统的换电方法，所述的换电方法包括以下步骤
1)初始化系统上电后，通过主控计算机系统501或机器人主控台或无线遥控装置下发复位指令，机器人的各个轴触发限位开关503后寻零，各个轴回到原点位置；
2)卸电池车辆安全停靠指定换电区域后，换电机器人根据存储的坐标点信息通过主控计算机系统501或机器人主控台或无线遥控装置移动到指定的作业点，依据DMP位置传感器、超声波传感器1508信号调整电池托盘姿态，准确的将电池托盘伸到与车体上电池仓平齐对接的位置，同时，将水平旋转机构210、倾斜夹角调节机构206的旋转角度位置信号送至PLC控制器存储，解锁电机驱动解锁机构解锁，根据色标传感器509反馈信号判断并确认是否解锁完成，解锁成功之后，利用载物平台単元中的电磁吸盘将电池从车体的电池仓中取出；
3)取放电池PLC控制器根据存储的坐标点和水平移动单元107，载物平台単元的光电开关信号控制机器人到电池载物台108指定的作业点，将取下的乏电池放在中转台上，并将另一中转台上充满的电池取下来；
4)安装电池PLC控制器控制机器人到车体电池仓的位置，根据存储的水平旋转机构210、倾斜夹角调节机构206的旋转角度调整电池托盘的姿态，将电池安装到电池仓中，解锁电机驱动解锁机构进行电池锁止，依据色标传感器509检测信号判断并确认锁止完成，PLC控制器控制电磁吸盘失电，电磁吸盘与电池脱离，电磁推手沿载物台缩回固定，单箱电池换电完成；
5)重复过程2)、3)、4)，直至更换所有乏电池，机器人回到原点待机；
6)当出现故障时，主控计算机系统对故障状态自主的进行判断处理，并将故障内容上报机器人主控台；急停开关主要是对设备运行中的紧急情况进行急停，优先级为第一位。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种电动公交车换电机器人系统，它包括机器人本体和机器人主控台，其特征是，所述机器人本体包括机械部分和电气控制部分，所述机械部分包括在X、Y、Z三个直角坐标方向上设有的水平移动单元、载物平台单元和承重单元；所述承重单元设置在水平移动单元上部，所述载物平台单元与所述承重单元连接，所述载物平台单元包括载物台以及载物台上设有的电池驱动机构，所述电池驱动机构上设置有电池推送机构；载物台两端设有支架，所述支架上设有多组纵向导向轮，多组纵向导向轮分别沿承重单元两根立柱排布； 所述承重单元包括由上横梁、下横梁和两根立柱组成的门式结构，所述上横梁上设有两组横向导向轮，所述两组横向导向轮之间夹持有安装在充电货架上的天轨；所述天轨上安装有用于设备取电的滑触线槽和用于水平方向工位寻址的水平认址片；所述两根立柱上设有至少一组电机驱动的绞盘，所述绞盘上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的下端连接于载物平台单元上；所述至少一根立柱上设有竖直方向寻址的纵向认址片； 所述的电气控制部分包括与主控计算机系统连接的数据采集装置、动力驱动机构，I/O模块，无线通信模块I ;所述的动力驱动机构与机械部分中的水平移动单元、承重单元和载物平台单元中的传动装置连接； 所述机器人主控台通过其设有的无线通信模块II与机器人本体无线通信模块I建立无线通讯。
2.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述的水平移动单元包括两侧均具有轮缘的滚轮和随动滚轮，与承重单元的下横梁相连接的地轨，所述地轨端部设有限位撞块，所述滚轮和随动滚轮与电机减速机相连，所述电机减速机与承重单元的下横梁连接。
3.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述载物平台单元以载物台为基准面从下往上顺序依次看固定在载物台上的水平旋转机构，其上依次设有倾斜夹角调节机构，电池推送机构，所述电池推送机构上设有支撑横梁；支撑横梁与设有的电池托盘连接； 其中，所述的电池推送机构包括导向轨道、电池推送机构驱动电机以及电磁推手；电池推送机构驱动电机与电磁推手分别与各自设有的齿轮齿条机构连接，电磁推手的推手工作面上安有两块圆形电磁吸盘，分布于工作面两端，位置与电池内箱上两圆形铁块相对应；所述电磁推手的推手工作面还设有与电池内箱上的锁紧装置相配合的解锁机构；所述导向轨道设置在倾斜夹角调节机构，与电池内箱位置上相匹配，所述电池内箱用于将电池成组放置的箱体；所述电池内箱位于充电架或车辆上，使电池平稳取送； 所述支撑横梁两端各设有至少一个超声波测距传感器、和至少一个压力传感器，所述压力传感器位于超声波测距传感器内侧； 所述水平旋转机构包括安装在载物台上的连杆滑块机构，旋转底板I、底板II ;旋转底板I、通过垂直底板II水平旋转轴与底板II重叠安放，电池驱动机构绕旋转底板I中心进行水平旋转； 所述倾斜夹角调节机构包括安装在载物台一端的齿轮弧形齿条装置，与之配合连接的倾斜驱动电机，所述倾斜夹角调节机构设有倾斜旋转轴，倾斜旋转轴安装在旋转底板I上。
4.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述主控计算机系统为工控机I以及PLC控制器，所述PLC控制器与工控机I通过工业以太网通信连接，所述PLC控制器的型号为西门子PLC 300型； 所述数据采集装置包括超声波传感器I、光电传感器、色标传感器、DMP位置传感器；所述超声波传感器I、色标传感器、DMP位置传感器511安装在电磁推手上；所述光电传感器安装在上横梁和立柱上，用于对机器人X轴和Z轴方向的定位。
5.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述动力驱动机构包括6个电机的伺服驱动器，所述6个电机的伺服驱动器分别与水平移动单元，载物平台单元和承重单元中的伺服电机以及水平旋转机构，倾斜夹角调节机构，锁紧装置中的伺服电机连接，所述的每个伺服电机的轴上设有编码器，编码器的信号输出端与PLC控制器连接。
6.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述I/O模块包括分别与PLC控制器连接的急停开关I和限位开关，所述限位开关分别设置在水平移动单元，载物平台单元和承重单元中工作零点定位处，且与对应的伺服电机接触连接。
7.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述机器人主控台包括柜体，所述柜体内底部装有工控机II，柜体正面上半部设有电阻式触摸屏，柜体背面安装有无线通信模块II，所述柜体上触摸屏的下方安装有运行状态指示灯和急停按钮，所述电阻式触摸屏和无线通信模块II与工控机II相连，所述运行状态指示灯和急停按钮通过电平转换电路板与工控机II的相连； 所述柜体背面设有柜体门，柜体门上设有防雨锁； 所述工控机通过VGA接口与电阻式触摸屏相连接； 所述无线通信模块II通过网口与工控机II通信； 所述无线通信模块II以及无线通信模块I采用WiFi的IEEE 802. 11标准的无线网络或CDMA模块或EDGE模块。
8.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统，其特征是，所述机器人系统还包括机器人无线遥控装置，所述机器人无线遥控装置包括壳体，在所述的壳体上设有总开关、两个二维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服上电按钮；壳体内设有主控板和用于发射握手数据、头数据、尾数据及校正数据的无线通信模块III ;所述的总开关、两个二维摇杆、启动按钮、停止按钮、伺服上电按钮、无线通信模块III与主控板连接；所述主控板将二维摇杆的方向信息转换成电信号，通过无线通信模块III收发指令控制换电机器人的运动；所述的壳体上设有状态指示灯，所述的状态指示灯和主控板连接；所述的壳体上设有急停按钮III，所述的急停按钮III和主控板连接；所述的壳体上设有备用按钮；所述无线通讯模块III与无线通讯模块I、无线通讯模块II无线通讯。
9.如权利要求I所述的电动公交车换电机器人系统的换电方法，其特征是，所述的换电方法包括以下步骤 1)初始化系统上电后，通过主控计算机系统或机器人主控台或无线遥控装置下发复位指令，机器人的各个轴触发限位开关后寻零，各个轴回到原点位置； 2)卸电池车辆安全停靠指定换电区域后，换电机器人根据存储的坐标点信息通过主控计算机系统或机器人主控台或无线遥控装置移动到指定的作业点，依据DMP位置传感器、超声波传感器I信号调整电池托盘姿态，准确的将电池托盘伸到与车体电池仓平齐对接的位置，同时，将水平旋转机构、倾斜夹角调节机构的旋转角度位置信号送至PLC控制器存储，解锁电机驱动解锁机构解锁，根据色标传感器反馈信号判断并确认是否解锁完成，解锁成功之后，利用载物平台单元中电磁推手上的电磁吸盘将电池从车体的电池仓中取出； 3)取放电池PLC控制器根据存储的坐标点和光电传感器控制机器人到电池载物台指定的作业点，将取下的乏电池放在中转台上，并将另一中转台上充满的电池取下来； 4)安装电池PLC控制器控制机器人到车体电池仓的位置，根据存储的水平旋转机构、倾斜夹角调节机构的旋转角度调整电池托盘的姿态，将电池安装到电池仓中，电磁推手上的解锁电机驱动解锁机构进行电池锁止，依据色标传感器检测信号判断并确认锁止完成，PLC控制器控制电磁吸盘失电，电磁吸盘与电池脱离，电磁推手沿载物台缩回固定，单箱电池换电完成； 5)重复过程2)、3)、4)，直至更换所有乏电池，机器人回到原点待机； 6)当出现故障时，主控计算机系统对故障状态自主的进行判断处理，并将故障内容上报机器人主控台；急停开关主要是对设备运行中的紧急情况进行急停，优先级为第一位。
全文摘要
本发明公开了一种电动公交车换电机器人系统及方法，它包括机器人本体和机器人主控台，机器人本体包括机械部分和电气控制部分，所述机械部分包括在X、Y、Z三个直角坐标方向上设有的水平移动单元，载物平台单元和承重单元，所述载物平台单元上包括设有的载物台以及其上设有的电池驱动机构，所述电池驱动机构上设置有电池推送机构；所述的电气控制部分包括与主控计算机系统连接的数据采集装置、动力驱动机构，I/O模块，无线通信模块I；所述无线通讯模块I与控制后台无线通讯模块II以及遥控装置中无线通讯模块III无线通讯。换电机器人的应用，换电过程定位精度高、相对位移量小、位置准确，实现对不同种类电动公交车动力电池的快速更换。
文档编号B60S5/06GK102849043SQ20121038324
公开日2013年1月2日 申请日期2012年10月10日 优先权日2011年11月18日
发明者苗培青, 厉秉强, 王同斌, 谭林, 赵金龙 申请人:山东电力研究院