电动汽车机器人自动换电装置

黄 坤

(安川首钢机器人有限公司, 北京，100176)

电动汽车机器人自动换电装置

黄 坤

(安川首钢机器人有限公司, 北京，100176)

本文介绍一种应用于新能源电池的电动汽车机器人自动换电装置。其中，机器人抓手采用内置滚珠直线运动结构及视觉装置，利用视觉传感器检测位置误差进行动作补偿、反馈控制机器人抓手的动作，具有精度高、控制方便的特点；外置行走机构采取水平结构并且沉于地下，利用机器人外部轴控制机器人的位置，从而使机器人抓取电池及装卸电池更加精确，拓展了作业空间；转运平台作为换电装置内外结合的关键点，实现了双手交叉作业模式，提高了作业效率；码垛装置利用伺服驱动，可以方便、快捷地取放电池。整套换电装置工作方式新颖，降低了劳动强度，提高了工作效率。

机器人，新能源，自动换电，视觉

0 引言

随着环境的变化，人们对各类生产、消费的节能减排要求越来越高，绿色能源的开发成为动力发展的主旋律。电动车辆使用电动机作为原动机，具有零排放、噪声小、舒适干净、易于操纵和维护的特点，作为清洁、低碳、绿色环保的代步工具，其能源问题受到世界各国的极大关注。电池作为电动车辆最为核心的部件，需要经常进行充电或者更换电池，以保证电动车的续航能力。因此，电池的换电方式直接影响电动车辆使用的方便性。

目前市面上更换电池设备通常采用半自动和人工方式进行，虽然人工参与加大了电池更换的灵活性，但这种方式效率低下,成为制约人们使用电动汽车和产业发展的一大屏障。为解决这一难题，安川首钢机器人有限公司于2012年开发出应用于电动汽车的机器人自动换电装置，

1 换电装置系统布局

装置三维总体布置图见图1所示。

图1 总体布置图

整个装置采用双工位布置，分别应用于电动车两侧的电池更换，通过抓手视觉装置测试计算出电池端面到抓手端面的距离，然后由机器人自动调整抓手姿态进行解锁、取出电池。机器人换电装置负责将电池在电动车和转运机构之间进行转移，码垛装置负责将电池在转运机构和充电架之间进行转移。整个装置大大提高了电池更换效率，具有结构简单、效率高的特点。

图2 装置布置图

本装置主要由2台MOTOMAN-UP350D-600机器人、2套行走机构、2套车体定位机构、2套电池抓手、2套转运机构、2套码垛装置、2套充电仓架、2台工控机及1套电控装置构成。

UP350D-600机器人是日本MOTOMAN最新研制的特别适合于搬运的新型机器人（见图3）。它的动作速度、精度及可靠性具有国际先进水平。该机器人配合以MOTOMAN在2010年推出的DX100新型机器人控制柜，可实现很快的动作，大大降低了各种应用的生产周期，提高了生产率。同时，其超大的工作半径（2542mm）也保证了电动车在不同位置上，机器人均有最佳的搬运姿态。

需要强调的是，在实际现场中，电动车的停车位置不是精确固定的，每次停车的位置大约在中心位置的5°范围内，这时需要通过机器人抓手的视觉检测装置进行识别，从而实现自动定位、抓取电池并且实现快速更换。

系统对机器人、控制柜及移动部分安装了安全防护装置，使整个装置处于安全的操作环境中，提高了装置的安全性。

整个装置具有特点如下：

1）机器人与伺服抓具的系统结构，具有牢固、空间布局合理、操作方便的特点。

2）人机交互界面与机器人结合，便于用户操作，符合人体工学原理，并具有一定的防护等级，充分保证用户人身的安全。

3） 整体结构为模块化设计，兼容性强，可根据用户需要配置换电单元数量。

4） 充分利用环卫车的统一接口，可以将电动汽车换电系统更为普遍地进行推广，满足充电站快速网络化布局的需要，实现资源的重新整合，给车辆快速进行能量补给，有着广阔的市场应用前景。

图3 UP350D-600

2 电池抓手

电池抓手的设计如图4所示。

图4 电池抓手

整体抓手装置由1个伺服行走、2个气动解锁机构组成，可使机器人对电池的抓取姿态进行实时控制。

电池抓手特点如下：

1）内置行走机构由机器人外部轴电机驱动，定位精度高，满足机器人协调动作需要。

2）铝型材框架设计减轻了重量，有利于装置运行的稳定性。

3）视觉安装便于维护。

4）可以实现多种端面相同、长度不同的电池类型的抓取。

3 行走机构

本装置采用了水平行走机构，整个行走机构沉降到地下，这种布置可以方便机器人现场维护，为人工应急提供有效的操作空间。

由于采用了机器人外部轴伺服驱动，可以精确控制电池抓手的位置，便于精确定位电池抓手与电动车及转运机构的接触位置。

考虑到现场处于双向通风的特殊环境，电动车可能因为天气等因素给现场带来雨水积雪等，这会对换电设备造成危害，所以，整个系统为行走机构的滑块和导轨安装了防护装置，避免雨雪等落在导轨面上，减少了滑块损坏的几率。

4 转运机构

由于转运机构是处于机器人和码垛装置之间的关键传输工具，因此，转运机构被分为A工位和B工位，以适应机器人和码垛机双手交叉的作业模式。

当电动车就位后，机器人通过电池抓手将电动车上的电池取下来。接着，机器人将取下来的电池放置到转运机构B工位上，同时将已经放置到转运机构A工位上的充好电的新电池取出，转移到电动车上，从而实现对电动车的电池更换。

每当有电动车就位并得到启动换电信号后，机器人自动将旧电池放置到转运机构B工位上，同时码垛装置自动将换下的旧电池从转运机构B工位上取下并转运到充电仓架上，再将充电仓架上已经充好电的新电池转运到转运机构A工位上，以备下次更换时使用。

码垛装置和机器人采用双手交叉作业模式，这有效地提高了工作效率，降低了劳动强度。

5 码垛装置

由于码垛装置的两侧取放位置是固定的，所以采用XYZ伺服运动方式，与电动车位的机器人形成左右手模式。

该装置由3个伺服电机、齿轮齿条机构、位置检测机构、双向电池仓及外围框架构成，配合充电仓架，形成了一套简单而实用的电池取放系统，为快速提供充满电量的电池出入库提供了必要条件。

6 结论

本文介绍了一种用于新能源的机器人自动换电装置，着重对装置的布置形式、结构特点、可靠性进行了说明。该装置解决了电动汽车充电等候、电池不合理保温充电等问题，鉴于原有的电池标准不统一和电池仓的结构不统一，机器人自动换电装置统一了设计标准，已经应用于环卫电动车车型，可以使快速换电站能够深入到城市的各个电动车集中地带，解决了电动车快速便捷的换电需求。

图5 机器人自动换电实景

此装置在国内率先开辟了机器人在电动车自动换电领域的应用，标志着新能源换电自动化、管理精细化上迈出了新的步伐，同时又是电网资源的合理利用，是电网企业优质服务、绿色环保服务的进一步延伸，对提高换电效率、降低原材料消耗和职工劳动强度等方面具有重要意义。