自动导引型换电机器人及充换电站的制作方法

本实用新型涉及换电领域，具体涉及一种自动导引型换电机器人及充换电站。

背景技术：

随着新能源汽车的普及，如何有效地为能量不足的汽车提供快速有效的能量补给成为车主和各大厂商非常关注的问题。以电动汽车为例，当前主流的电能补给方案包括充电方案和电池更换方案。其中电池更换方案是直接用满电电池更换电动汽车的亏电电池。相对于充电方案，电池更换方案由于可以在很短的时间完成更换且对动力电池的使用寿命没有明显的影响，因此是电能补给的主要发展方向之一。电池更换方案一般是在充换电站内完成，具体而言，充换电站内配置有充换电架和换电平台，以及在充换电架和换电平台之间的运载满电/亏电动力电池的换电机器人，如堆垛机/轨道导引车(Rail Guided Vehicle，RGV)。换电机器人通过在充换电架和换电平台之间预先铺设的轨道上往复行驶的方式，完成为停于换电平台上的电动汽车更换动力电池的动作。

但上述换电机器人存在的问题是：预设的轨道虽然能限制换电机器人在与运动方向垂直的方向上的运动，并保证在此方向上的定位精度，但是这种限制方式也使得换电机器人的运动灵活性较差。而且，上述限制方式还需要电动汽车在换电平台上进行相应地定位。也就是说，在为电动汽车换电时，需要将待换电车辆在换电平台上精确定位到与轨道对应的固定换电位置，并且在换电机器人也精确定位到该换电位置对应的投影位置后，才能够进行换电。如待换电车辆的定位通常是通过设置在换电平台上的定位机构以推动轮胎、轮毂或者车身的方式实现的，这就相应地增大了换电平台的设计复杂度，而且还可能因为定位机构推动轮胎或轮毂时产生的偏差而对车辆造成损伤。

相应地，本领域需要一种新的自动导引型换电机器人来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决电池更换方案中存在的换电机器人灵活性差、换电系统复杂程度高的问题，本实用新型提供了一种自动导引型换电机器人，该自动导引型换电机器人包括本体以及设置于所述本体的行走部和电池装卸部，所述行走部能够带动所述换电机器人在设定的范围内移动，该移动至少能够使所述换电机器人到达与待换电车辆的目标换电位置相对应的投影位置；在所述换电机器人处于所述投影位置的情形下，所述电池装卸部能够为所述待换电车辆更换电池。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述换电机器人还包括定位部，所述定位部至少能够获取所述换电机器人的当前位置与所述目标换电位置的相对位置。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述换电机器人还包括控制部，所述控制部至少能够基于所述相对位置，通过控制所述行走部工作的方式使所述换电机器人到达所述投影位置。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述定位部包括：第一定位单元，其能够使所述换电机器人大致处于所述投影位置；以及第二定位单元，在所述换电机器人大致处于所述投影位置的情形下，所述第二定位单元能够通过获取所述相对位置的方式使所述换电机器人到达所述投影位置。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述第二定位单元的定位精度不小于所述第一定位单元的定位精度。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述第一定位单元为设置于所述本体的磁条定位传感器。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述第二定位单元为视觉定位装置。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述定位部还包括第三定位单元，其能够以机械定位的方式使所述电池装卸部处于所述目标换电位置。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述第三定位单元为能够与所述待换电车辆匹配连接的定位销。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述电池装卸部包括：举升机构，其能够使所述电池到达所述目标换电位置；以及加解锁机构，其能够在所述目标换电位置使所述电池锁紧/脱开所述待换电车辆。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述行走部包括若干个能够使所述换电机器人实现全向运动的轮结构。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述轮结构为差速轮、舵轮或麦克纳姆轮。

在上述自动导引型换电机器人的优选技术方案中，所述行走部还能够通过带动所述换电机器人在设定的范围内移动的方式使所述换电机器人到达预设的应急位置。

本实用新型还提供了一种充换电站，所述充换电站包括前述任一项所述的轨道导引型换电机器人。

本领域技术人员能够理解的是，在本实用新型的优选技术方案中，自动导引型换电机器人包括本体以及设置于本体的行走部和电池装卸部。其中，行走部能够带动换电机器人在设定的范围内移动至与待换电车辆的目标换电位置对应的投影位置，电池装配部能够在换电机器人移动到投影位置的情形下，为换电机器人更换电池。通过行走部带动换电机器人在设定的范围内移动的设置方式，使得换电机器人在无需铺专用设导轨的情形下，即可完成与待换电车辆的定位，增加了换电机器人的灵活性，降低了系统复杂度。

方案1、一种自动导引型换电机器人，其特征在于，所述换电机器人包括本体以及设置于所述本体的行走部和电池装卸部，

所述行走部能够带动所述换电机器人在设定的范围内移动，该移动至少能够使所述换电机器人到达与待换电车辆的目标换电位置相对应的投影位置；

在所述换电机器人处于所述投影位置的情形下，所述电池装卸部能够为所述待换电车辆更换电池。

方案2、根据方案1所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述换电机器人还包括定位部，所述定位部至少能够获取所述换电机器人的当前位置与所述目标换电位置的相对位置。

方案3、根据方案2所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述换电机器人还包括控制部，所述控制部至少能够基于所述相对位置，通过控制所述行走部工作的方式使所述换电机器人到达所述投影位置。

方案4、根据方案3所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述定位部包括：

第一定位单元，其能够使所述换电机器人大致处于所述投影位置；以及

第二定位单元，在所述换电机器人大致处于所述投影位置的情形下，所述第二定位单元能够通过获取所述相对位置的方式使所述换电机器人到达所述投影位置。

方案5、根据方案4所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述第二定位单元的定位精度不小于所述第一定位单元的定位精度。

方案6、根据方案4所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述第一定位单元为设置于所述本体的磁条定位传感器。

方案7、根据方案4所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述第二定位单元为视觉定位装置。

方案8、根据方案4所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述定位部还包括第三定位单元，其能够以机械定位的方式使所述电池装卸部处于所述目标换电位置。

方案9、根据方案8所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述第三定位单元为能够与所述待换电车辆匹配连接的定位销。

方案10、根据方案1所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述电池装卸部包括：

举升机构，其能够使所述电池到达所述目标换电位置；以及

加解锁机构，其能够在所述目标换电位置使所述电池锁紧/脱开所述待换电车辆。

方案11、根据方案1所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述行走部包括若干个能够使所述换电机器人实现全向运动的轮结构。

方案12、根据方案11所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述轮结构为差速轮、舵轮或麦克纳姆轮。

方案13、根据方案1所述的自动导引型换电机器人，其特征在于，所述行走部还能够通过带动所述换电机器人在设定的范围内移动的方式使所述换电机器人到达预设的应急位置。

方案14、一种充换电站，其特征在于，所述充换电站包括前述方案1至13中任一项所述的轨道导引型换电机器人。

附图说明

图1是本实用新型的自动导引型换电机器人的结构示意图；

图2是本实用新型的自动导引型换电机器人的控制闭环的系统图；

图3是本实用新型的待换电的电动汽车底部的定位定位标记点的位置示意图。

附图标记列表

11、本体；12、差速轮；13、电池装卸部；131、加解锁机构；132、剪式举升机构；133、举升平台；141、视觉定位装置；142、定位销；15、控制部；2、电动汽车；3、定位标记点。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。例如，虽然附图中换电机器人的差速轮设置数量为四个，但是这种数量关系非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1、图2和图3，其中，图1是本实用新型的自动导引型换电机器人的结构示意图，图2是本实用新型的自动导引型换电机器人的控制闭环的系统图，图3是本实用新型的待换电的电动汽车底部的定位定位标记点的位置示意图。如图1所示，本实用新型的自动导引型换电机器人(此后在说明书中可以简称为换电机器人)优选地适用于底盘换电的电动汽车，该换电机器人主要包括本体11、行走部、电池装卸部13、定位部(图中未示出)、控制部15以及电源部(图中未示出)。其中，行走部可以通过自身的滚动使换电机器人在设定的范围内移动。定位部至少可以获得换电机器人的当前位置与待换电的电动汽车2的相对位置，如定位部能够获得换电机器人的当前位置与待换电的电动汽车2的目标换电位之间的相对位置。控制部15至少能够基于该相对位置控制行走部动作，使换电机器人精准地到达目标换电位置的投影位置，进而在该投影位置下，控制部15可以控制电池装卸部13到达目标换电位置并为待换电的电动汽车2进行动力电池的更换。需要说明的是，设定的范围可以是介于充换电站内的换电平台和充换电架之间的范围，在该范围内，换电机器人能够在无需铺设导轨的情形下，到达任意位置。目标换电位置可以是为电动汽车2更换动力电池的位置，如目标换电位置可以为电动汽车2的动力电池在电动汽车2车身的安装位置，并且换电机器人的电池装卸部13能够在该安装位置顺利的完成将处于亏电状态的动力从该安装位置电池卸下或将处于满电状态的动力电池固定在该安装位置的动作。

如图2所示，也就是说，在控制部15的控制下，控制部15、行走部和定位部能够形成一个控制闭环，该控制闭环使得换电机器人通过行走部的滚动每调整一次位置，定位部就能够获取一次换电机器人的当前位置与前述目标换电位置的相对位置，控制部15通过该相对位置控制行走部滚动进一步调整换电机器人的位置，直至相对位置精度处于设定好的定位精度范围内，即换电机器人精准地到达能够为待换电的电动汽车2顺利更换动力电池的位置，即上述投影位置。可以看出，通过行走部使换电机器人移动，以及行走部、控制部15和定位部构成控制闭环的设置，可以使换电机器人在脱离导轨的情形下精确地定位至目标换电位置的投影位置，实现待换电的电动汽车2的动力电池更换动作。上述方式不仅提高了换电机器人的运动灵活性，使得换电机器人可以脱离传统的双导轨移动，免去了导轨的铺设难度，还大大降低了换电平台的设计复杂度，使得电动汽车2在换电平台上无需精确定位，甚至无需定位的情形下，即可更换动力电池，进而避免了定位机构对电动汽车2可能造成的损伤。

参照图1，具体而言，自动导引型换电机器人主要包括本体11以及设置于本体11上的行走部、定位部、电池装卸部13、控制部15以及电源部。其中，电源部能够为换电机器人的提供电能，如电源部可以通过蓄电池等无供电线的供电方式为换电机器人提供电能，或通过与电网连接的线缆等有供电线的供电方式为换电机器人供电。其中，本体11可以是外形大致成矩形的钣金结构。采用这种材料设置的优点在于，本体11在工作过程中由于材料的高强度特性基本不会发生形变，可以减小在本体11上设置的其他各部分的工作误差，使换电机器人的定位和动作更加精准。当然，本体11的材料和形状并不唯一，本领域技术人员可以根据不同的应用环境对其做出灵活调整，只要该调整能够满足本体11在工作时不易产生形变的条件即可。如本体11还可以由工字钢件或不锈钢方管、角钢等材料焊接而成等。

继续参照图1，行走部包括安装于本体11下方的能够使换电机器人实现全向运动的若干个轮结构，该轮结构可以通过自身的滚动实现换电机器人的全向运动，进而增加换电机器人的运动灵活性。优选地，轮结构可以是安装在换电机器人本体11四个差速轮12。也就是说，控制部15可以通过控制四个差速轮12工作，进而使换电机器人以直线运动和原地转动的方式实现全向运动，进而精确地到达投影位置。除差速轮12外，轮结构还可以选择舵轮或麦克纳姆轮等可以实现全向运动的车轮，并且全向轮的设置数量本领域技术人员也可以基于具体应用环境进行调整。正是由于差速轮12可以实现全向运动的特点，使得换电机器人在无需铺设导轨的情况下，仍能够定位到目标换电位置，并且换电机器人的其运动灵活性大大增加。

进一步优选地，由于换电机器人的移动无需导轨的限制，还可以拓展换电机器人在换电安全方面的功能，如换电机器人还可以在行走部的带动下到达设定范围内的应急位置。也就是说，在正常换电流程的预设位置之外，设置一个在应急情况发生时动力电池的临时处理位置，用于换电机器人将处于异常状态的动力电池及时运送至该位置，以便对处于异常状态的动力电池做出及时处置。如在充换电站的某一较为安全的位置设置一个应急位置，并且该应急位置设置有用于隔离动力电池的应急沙箱，在系统或服务人员检测到某动力电池处于异常状态的情形下，换电机器人能够在控制部15或操作人员的控制下将处于异常状态的动力电池及时运送至该应急沙箱内，以隔离该处于异常状态的电池，避免为充换电站带来不可预知的后果。

参照图1和图3，定位部包括第一定位单元(图中未示出)、第二定位单元和第三定位单元。其中，第一定位单元用于换电机器人在投影位置的粗定位(即大致处于所述投影位置)，第二定位单元用于换电机器人在投影位置的精定位，第三定位单元用于辅助第二定位单元进行精定位。也就是说，定位部可以通过分步定位的方式完成换电机器人的精确定位，并且第一定位单元的定位精度小于第二定位单元的定位精度。优选地，第一定位单元可以是磁条定位传感器，即在换电机器人行走的地面上铺设磁条，并在换电机器人的本体11下表面设置磁条定位传感器，通过磁条定位传感器读取磁条的方式进行换电机器人的粗定位，使换电机器人大致处于投影位置。优选地，第二定位单元可以是视觉定位装置141，即在换电机器人本体11的上表面设置视觉定位摄像头，在电动汽车2的车身或动力电池上设置定位标记点3(参照图3)，通过视觉定位摄像头采集定位标记点3的方式获取换电机器人与目标换电位置的相对位置，进而控制部15控制行走部精确定位至投影位置。优选地，第三定位单元可以是定位销142，即在电池装卸部13上设置定位销142，并且在电动汽车2的车身上设置有与定位销142相对应的定位孔，通过定位销142与定位孔的插合连接，检验第二定位单元的定位精度，达到进一步提高定位精度的目的。进一步优选地，从利用冗余设计来提高稳定性的角度考虑，还可以在定位销142和电池装卸部13之间增加浮动装置，以配合机械定位，提高换电机器人的定位稳定性。

可以看出，通过定位部的分步定位，使得在提高换电机器人的灵活性、降低换电系统的复杂程度的前提下，换电机器人可以精确地到达投影位置。当然，上述定位部的设置方式、设置位置以及设置数量并非一成不变，如第一定位单元还可以是红外传感器或图形码识别传感器等(此时电动汽车2的车身需贴装相应的红外标记和条形码)。

继续参照图1，电池装卸部13进一步包括加解锁机构131和举升机构。其中，举升机构能够通过举升动力电池使动力电池到达目标换电位置，加解锁机构131能够在动力电池到达目标换电位置后，使动力电池锁紧/脱开电动汽车2车身。优选地，举升机构可以是包括剪式举升机构132和位于该剪式举升机构132上的举升平台133，举升平台133用于放置动力电池，剪式举升机构132则可以将举升平台133连同举升平台133上的动力电池一同举起直至到达目标换电位置。加解锁机构131则可以在动力电池到达目标换电位置的情况下，使动力电池锁紧/脱开电动汽车2车身。如前所述，举升平台133上设置有定位销142和视觉定位装置141，并且定位销142和举升平台133之间设置有浮动装置。

控制部15除可以实现对上述各部分的精确控制，使得整个换电过程定位精准，动作顺畅外，还具有基于第二定位单元获取的相对位置，控制行走部滚动以使换电机器人精准地到达投影位置的功能。也就是前述的控制部15、行走部和定位部能够形成一个控制闭环，通过此控制闭环使得换电机器人在无导轨的情形下精确到达投影位置。优选地，控制部15可以设置于本体11上，与其他各部分用数据线连接。当然，控制部15的设置位置还可以不在换电机器人上，如还可以设置在操作间，然后通过无线通信等方式控制换电机器人的各部分工作等。

控制部15、定位部和行走部之间的控制闭环可以用如下方式实现：

当换电机器人通过第一定位单元(磁条定位传感器)运行到待换电的电动汽车2的底部时，第二定位单元(视觉定位装置141)获取定位标记点3图像，并计算定位标记点3与换电机器人的相对位置，并将相对位置发送给控制部15，控制部15根据相对位置，给行走部发送运动含有运动位移控制指令，行走部基于该指令运动到位后，发送到位信号给控制部15，控制部15再给第二定位单元发送采集图像和计算指令，第二定位单元再次计算相对位置，直到相对位置在定位精度以内为止。

此外，为便于制造轨道引导型换电机器人，节省换电机器人的制造成本，本实用新型的自动导引型换电机器人可以基于现有自动导引车(Automatic Guided Vehicle，AGV)改造而成。具体地，在现有自动导引车的基础上，保留其本体11、供电部和行走部，增加定位部和电池装卸部13，并升级控制部15的功能，使其能够与行走部和定位部形成控制闭环，还能够完成对整个换电过程的自动控制，从而既节省了制造成本，又可以实现本实用新型。

进一步地，为了提高换电机器人的普适性，还可以在工作模式上对换电机器人进行分类，将换电机器人的工作模式分为自动模式、半自动模式和手动模式。其中，在自动模式下，控制部15能够与行走部和定位部形成控制闭环，控制换电机器人自动完成整个换电流程。在半自动模式下，操作人员通过确认每一步动作完成，如通过在人机交互界面上点击“下一步”按钮的方式确认上一步操作步骤无误，进而完成整个换电流程。在手动模式下，操作人员人工操作换电机器人的动作，如控制行走部工作或控制电池装卸部13举升等，进而完成整个换电流程。

当然上述实施方式中，换电机器人的各部分功能是基于换电机器人在目标换电位置定位的情况下描述的。除此以外，换电机器人与充换电站中的充换电架的定位情况与上述情况类似，在此不作赘述。

以底盘换电的换电方式为例，本实用新型的自动导引型换电机器人为待换电的电动汽车2进行换电的一次完整的过程可以是：

S1：待换电的电动汽车2停至充换电站的换电平台。

S2：换电机器人在控制部15的控制下通过控制部15、定位部和行走部之间的控制闭环，从初始位置移动至电动汽车2的目标换电位置的投影位置，并完成与投影位置的精确定位。

S3：电池装卸部13的举升机构到达目标换电位置，加解锁机构131拆下处于亏电状态的动力电池。

S4：换电机器人承载处于亏电状态的动力电池到达充换电架的取送位置并通过控制部15、定位部和行走部之间的控制闭环，完成与取送位置的精确定位。

S5：电池装卸部13将处于亏电状态的动力电池通过取送位置转运到充换电架，并确认处于亏电状态的动力电池已离开换电机器人。

S6：换电机器人接收充换电架通过取送位置运送的处于满电状态的动力电池。

S7：换电机器人承载处于满电状态的动力电池再次通过控制部15、定位部和行走部之间的控制闭环，完成与投影位置的精确定位。

S8：电池装卸部13的举升机构到达目标换电位置，加解锁机构131将处于满电状态的动力电池固定于电动汽车2的车身。

S9：换电机器人移动回初始位置。至此，换电完成。

需要说明的是，初始位置可以是充换电站中的某一固定位置，在没有换电服务的情形下，换电机器人可以停留在该固定位置。在进行换电服务的情形下，换电机器人从该固定位置出发提供换电服务。取送位置可以是充换电架与换电机器人用于交换动力电池的位置，也就是说，换电机器人可以将处于亏电状态的动力电池通过该取送位置转运给充换电架，同时充换电架可以将处于满电状态的动力电池通过该取送位置转运给换电机器人。

本实用新型还提供了一种充换电站，该充换电站至少包括前述的轨道导引型换电机器人，并且该换电机器人能够在该充换电站内按照上述轨道导引型换电机器人的换电方法完成为待换电的电动汽车更换动力电池的动作。

本实用新型的自动导引型换电机器人及充换电站中，自动导引型换电机器人包括本体11以及设置于本体11上的行走部、定位部、电池装卸部13、控制部15以及电源部。其中，行走部为四个可实现全向运动的差速轮12，定位部包括实现粗定位的磁条定位传感器、实现精定位的视觉定位装置141以及辅助实现精定位的定位销142。电池装卸部13包括可以使动力电池锁紧/脱开的加解锁机构131以及可以举升动力电池的举升机构。控制部15则除了可实现对上述部件的控制外，还能够与行走部和定位部形成控制闭环，进而实现精确定位。通过自动导引型换电机器人设置全向轮的方式，使得在换电过程中，换电机器人可以脱离导轨进行定位，灵活性增加，并且在此种情形下，电动汽车2由于无需在换电平台上进行定位而避免了定位机构对电动汽车2可能造成的损伤。通过控制部15、定位部和行走部的控制闭环的设置方式，还提高了换电机器人的定位精度。进一步地，上述设置方式，由于无需铺设换电机器人的专用导轨，还可以在充换电站内设置应急位置以增加系统安全性；由于电动汽车2无需在定位平台上定位，还带来了精简定位系统、降低维修成本等效果。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。