一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人及其工作方法

本发明提出了一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人及其工作方法，涉及新能源汽车自动充电和机器人插接机构。

背景技术：

1、随着新能源汽车保有量不断增加，充电便利性和充电自动化水平成为影响新能源汽车使用体验的重要因素。现有充电方式多依赖人工完成充电枪的取放和插接，在无人值守停车场、自动泊车场景以及智能充电站中，人工插接方式难以满足自动化和连续化使用需求。因此，能够替代人工完成充电枪对准和插接的自动充电机器人具有较高的应用价值。

2、现有自动充电装置通常采用固定式插接机构、直线推进机构或者多关节机器人机构。固定式插接机构结构简单，但对车辆停放位置和充电口姿态要求较高，难以适应不同车型的充电口高度差、水平位置偏差和角度偏差。多关节机器人虽然自由度较多、适应性较强，但整机成本高、控制复杂、占用空间较大，对于仅需要完成充电枪对准和插接的应用场景而言，存在一定冗余。

3、新能源汽车充电口在实际使用中可能存在高度差、水平位置差、左右偏转角度差以及俯仰角度差。若仅采用单一方向的直线插接机构，充电枪在接近充电口时容易出现偏斜、卡滞或插接失败等问题。若采用刚性插接方式，在末端插入过程中还可能因小角度误差导致充电枪端部与充电口发生干涉。

4、因此，需要设计一种结构相对简单、成本较低、控制难度较小，并且能够同时完成高度补偿、水平位置补偿、姿态补偿和末端柔性补偿的新能源汽车自动充电机器人。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了弥补现有技术的空白和不足，本发明提出了一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人及其工作方法，以解决现有自动充电装置中存在的结构成本高、控制复杂、姿态补偿不足以及末端插接可靠性较差的问题。

2、本发明提出一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人及其工作方法，包括以下内容：

3、根据本发明的第一方面，本发明提出一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，包括以下内容：

4、z轴升降模块，用于调节充电枪组件的高度；

5、scara平面定位模块，设置于所述z轴升降模块上，用于带动所述充电枪组件在水平平面内移动；

6、偏转模块，设置于所述scara平面定位模块的末端，用于调节所述充电枪组件在水平方向上的偏转角度；

7、俯仰模块，设置于所述偏转模块与所述充电枪组件之间，用于调节所述充电枪组件相对于车辆充电口轴线的俯仰角度；

8、直线进给模块，与所述充电枪组件连接，用于驱动所述充电枪组件沿插接方向作直线进给运动；

9、被动柔性补偿模块，设置于所述直线进给模块与所述充电枪组件之间，用于在所述充电枪组件插入车辆充电口的过程中补偿角度偏差；

10、其中，所述z轴升降模块、scara平面定位模块、偏转模块、俯仰模块、直线进给模块和被动柔性补偿模块依次配合，以实现所述充电枪组件相对于车辆充电口的高度补偿、水平位置补偿、水平偏转角度补偿、俯仰角度补偿、插接进给和末端柔性补偿。

11、进一步地，所述z轴升降模块包括底座、丝杆、直线导轨、滑块和升降驱动电机，所述升降驱动电机用于驱动所述丝杆转动，所述滑块在所述丝杆和所述直线导轨的作用下沿竖直方向移动。

12、进一步地，所述scara平面定位模块包括scara底座、第一主动臂、第二主动臂、从动臂、scara驱动电机和联轴器，所述scara驱动电机通过所述联轴器驱动所述第一主动臂和所述第二主动臂转动，以带动所述从动臂在水平平面内运动。

13、进一步地，所述偏转模块包括转接盘、偏转驱动电机、偏转同步带、偏转带轮、转盘、上盖、下底盖和零位传感器，所述偏转驱动电机通过所述偏转同步带带动所述偏转带轮转动，所述偏转带轮带动所述转盘转动，以带动所述充电枪组件进行左右偏转，所述零位传感器用于检测所述偏转模块的初始位置。

14、进一步地，所述俯仰模块包括俯仰驱动电机、俯仰同步带、俯仰带轮、转轴、轴承、支架和摆架，所述俯仰驱动电机通过所述俯仰同步带带动所述俯仰带轮转动，所述俯仰带轮带动所述转轴转动，使连接于所述摆架上的充电枪组件绕水平轴线进行俯仰运动。

15、进一步地，所述直线进给模块包括电动推杆、外方管和内方管，所述电动推杆用于推动所述内方管相对于所述外方管沿插接方向伸出或缩回，所述充电枪组件固定于所述内方管的前端。

16、进一步地，所述被动柔性补偿模块包括弹簧和万向节，所述弹簧用于提供轴向缓冲，所述万向节用于允许所述充电枪组件在插接过程中产生小角度摆动。

17、进一步地，所述z轴升降模块采用带抱闸的闭环步进电机作为升降驱动件，所述scara平面定位模块采用闭环步进电机作为平面定位驱动件，所述偏转模块和所述俯仰模块采用闭环步进电机作为姿态调节驱动件。

18、进一步地，所述z轴升降模块的升降行程为0至400 mm；所述第一主动臂的长度为200 mm，所述第二主动臂的长度为300 mm；所述偏转模块的偏转角度范围为±15°；所述俯仰模块的俯仰角度范围为0°至-30°；所述直线进给模块的进给行程为100 mm。

19、根据本发明的第二方面，本发明提出一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人的工作方法，应用在如本发明任一项所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人中，其特征在于，包括以下内容：

20、先通过z轴升降模块调节充电枪组件高度，使充电枪组件移动至与车辆充电口对应的高度；

21、再通过scara平面定位模块完成水平平面定位，使所述充电枪组件移动至车辆充电口前方；

22、然后通过偏转模块和俯仰模块分别调节充电枪组件的水平偏转角度和俯仰角度，使所述充电枪组件的俯仰角度与车辆充电口轴线相匹配；

23、最后通过直线进给模块推动充电枪组件插入车辆充电口，并在所述充电枪组件插入车辆充电口的过程中，通过被动柔性补偿模块补偿所述充电枪组件与车辆充电口之间的小角度偏差；其中在驱动直线进给模块前，先通过z轴升降模块、scara平面定位模块、偏转模块和俯仰模块完成粗定位和姿态调整，再通过直线进给模块完成末端插接。

24、本发明具有以下优点：

25、1. 本发明采用z轴升降模块与scara平面定位模块配合，能够适应不同车型充电口高度和水平位置差异；

26、2. 本发明通过偏转模块和俯仰模块分别补偿充电口的左右角度偏差和俯仰角度偏差，提高了充电枪组件与车辆充电口之间的姿态匹配能力；

27、3. 本发明通过直线进给模块完成末端插入动作，插接路径明确，结构简单；

28、4. 本发明通过被动柔性补偿模块补偿插接过程中的小角度偏差，能够降低卡滞和刚性干涉风险；

29、5. 相比六轴机械臂，本发明采用z轴升降、scara平面定位、姿态补偿和直线进给的组合机构，结构紧凑、成本较低、控制相对简单，适合新能源汽车自动充电场景。

1.一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，包括以下内容：

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述z轴升降模块包括底座、丝杆、直线导轨、滑块和升降驱动电机，所述升降驱动电机用于驱动所述丝杆转动，所述滑块在所述丝杆和所述直线导轨的作用下沿竖直方向移动。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述scara平面定位模块包括scara底座、第一主动臂、第二主动臂、从动臂、scara驱动电机和联轴器，所述scara驱动电机通过所述联轴器驱动所述第一主动臂和所述第二主动臂转动，以带动所述从动臂在水平平面内运动。

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述偏转模块包括转接盘、偏转驱动电机、偏转同步带、偏转带轮、转盘、上盖、下底盖和零位传感器，所述偏转驱动电机通过所述偏转同步带带动所述偏转带轮转动，所述偏转带轮带动所述转盘转动，以带动所述充电枪组件进行左右偏转，所述零位传感器用于检测所述偏转模块的初始位置。

5.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述俯仰模块包括俯仰驱动电机、俯仰同步带、俯仰带轮、转轴、轴承、支架和摆架，所述俯仰驱动电机通过所述俯仰同步带带动所述俯仰带轮转动，所述俯仰带轮带动所述转轴转动，使连接于所述摆架上的充电枪组件绕水平轴线进行俯仰运动。

6.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述直线进给模块包括电动推杆、外方管和内方管，所述电动推杆用于推动所述内方管相对于所述外方管沿插接方向伸出或缩回，所述充电枪组件固定于所述内方管的前端。

7.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述被动柔性补偿模块包括弹簧和万向节，所述弹簧用于提供轴向缓冲，所述万向节用于允许所述充电枪组件在插接过程中产生小角度摆动。

8.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述z轴升降模块采用带抱闸的闭环步进电机作为升降驱动件，所述scara平面定位模块采用闭环步进电机作为平面定位驱动件，所述偏转模块和所述俯仰模块采用闭环步进电机作为姿态调节驱动件。

9.根据权利要求1所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人，其特征在于，所述z轴升降模块的升降行程为0至400 mm；所述第一主动臂的长度为200 mm，所述第二主动臂的长度为300 mm；所述偏转模块的偏转角度范围为±15°；所述俯仰模块的俯仰角度范围为0°至-30°；所述直线进给模块的进给行程为100 mm。

10.一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人的工作方法，应用在如权利要求1至9任一项所述的一种新能源汽车自动充电用多自由度对准插接机器人中，其特征在于，包括以下内容：