一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统及方法技术方案

一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统包括仿蛇形机械臂、充电装置、控制系统，进一步包括各种控制及执行模块，相互配合，通过车辆感应模块能自动感知是否有等待充电车辆；充电口预对位模块通过安装的传感器来识别充电口，并初步计算充电口的大致方位；配备微型计算机的主控制模块，安装在充电桩基座内，主控制模块控制机械臂夹取充电枪，朝着预对位方向运动；仿蛇头关节的精确对位模块通过相应的传感器精确确定充电口位置并给等待充电车辆充电。本发明专利技术极大地提高了新能源汽车和自动导引车的用车体验，解决了自动化场所如自动停车场车辆的自动充电需求，形成了完善的自动化停车以及自动化车间服务体系，大幅降低了人力成本且提高了运行效率。

An Automatic Charging System and Method Based on Snake-like Robot Arm

An automatic charging system based on a snake-like manipulator includes a snake-like manipulator, charging device and control system, and further includes various control and execution modules, which cooperate with each other. The vehicle induction module can automatically sense whether there is a waiting charging vehicle. The pre-alignment module of the charging port identifies the charging port through the installed sensors, and preliminarily calculates the general orientation of the charging port. The main control module equipped with microcomputers is installed in the base of charging piles. The main control module controls the manipulator to clamp the charging gun and move towards the pre-alignment direction. The accurate alignment module of the snake-head joint determines the position of the charging port accurately through the corresponding sensors and charges the waiting charging vehicle. The invention greatly improves the vehicle experience of new energy vehicles and automatic guided vehicles, solves the automatic charging demand of vehicles in automatic places such as automatic parking lots, forms a perfect automatic parking and automatic workshop service system, greatly reduces the labor cost and improves the operation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统及方法
本专利技术属于智能交通工具和机器的充电
，涉及新能源汽车、自动导引车(AGV)、自动搬运机器人、自动服务机器人、自动工业机器人等充电技术，尤其是基于单个仿蛇形机械臂控制多个充电枪，自动识别充电口选择充电枪并自动将充电枪插入充电口的自动充电系统及方法。
技术介绍
如今新能源汽车技术得到大力发展，各种品牌的新能源汽车产销量大幅度提高，我国新能源汽车的保有量激增。电动汽车的普及，充电技术是一个关键因素。另一方面，市场上自动引导车搬运车、自动搬运机器人等机器产品层出不穷，应用场景越来越广泛，比如自动物流，智慧工厂等，但随之而来的充电问题也越来越多。首先，市场上绝大多数的充电桩都是由用户手动操作，手动操作的时候由于用户的不熟悉，容易造成误操作，因此带来较多安全隐患，易造成充电装置的损坏甚至发生漏电等严重的问题；其次，现有停车场一个车位对应一个充电桩，充电的效率低下。在智能化交通的发展趋势下，自动停车场是大趋势，因此势必需要提供自动充电装置加以配套；再者，对于自动导引车(AGV)、自动搬运机器人、自动服务机器人等机器而言，绝大多数的运行环境复杂，运行的机器数量多，运转耗能大，频繁的充放电过程如果全部由人工操作会带来巨大的人力成本而导致运行效率低下。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统及方法，克服现有技术中存在的所述缺点，为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术的基于仿蛇形机械臂的自动充电系统及方法，主要包括仿蛇形机械臂，充电桩基座、控制系统三个部分。所述仿蛇形机械臂主要包括仿蛇头关节，仿蛇底座关节与若干节仿蛇躯干关节。仿蛇底座关节固连于充电桩上的旋转机构，能够360度自动旋转，底座关节与仿蛇躯干关节之间相对旋转90度首尾连接，各仿蛇躯干关节之间相对旋转90度首尾连接，仿蛇躯干关节与仿蛇头关节之间相对旋转90度首尾连接。仿蛇头关节设计有一个夹持结构，此结构能够和充电枪准确配合，其凹处布置有一个电磁铁，以保证该结构能稳定抓取充电枪。所述充电装置(充电桩)具备给一辆或者多辆车充电的功能，配备一个或者多个充电枪。充电枪通过充电电缆与充电装置内部电源相连。充电装置基座可以是固定基座或者移动平台。在充电桩四周布置有车辆检测模块，能够检测是否有待充电机器到来；同时还布置有不同型号的充电口与充电枪(枪口不同，能够适配不同机器，枪柄相同，便于机械臂抓取)，以满足不同的机器充电需求；对于每个充电枪，桩内配有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示(亮表示电流减小充电完成)，便于系统识别；在每一个充电装插口内安装有红外感知模块，能够感知充电枪是否已经拔出；在充电桩顶端有一个与仿蛇底座关节相连的旋转机构，能够带动其360度灵活旋转，其上安装有预对位模块(单目摄像头)，能够初步确定充电口方位。控制系统，主要包括感知模块、主控制模块、执行模块。感知模块，主要包括车辆检测模块、充电枪检测模块、充电电流检测与控制模块、预对位模块、精确对位模块。车辆检测模块，为激光雷达，能够检是否有待充电车辆；安装在充电桩插口内的充电枪检测模块，为红外传感器，能够检测充电枪是否拔出；对每个充电枪安有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示(亮表示电流减小充电完成)，便于系统识别；安装在旋转机构上的预对位模块，为单目摄像头，能够随着底座360度旋转，找到机器充电口的大致方位，从而实现预对位；安装于仿蛇头关节处的精确对位模块，主要为深度摄像头，能够精确识别充电口的位置，从而使得充电枪能准确插入实现充电。主控制模块带有一个微型计算机，对感知接受到的信号进行处理与判断，发出相应的控制信号给到执行模块，能够与各个模块之间进行数据交流，然后通过控制各个模块以及机械臂来实现为目标车辆(或其他机器)充电放电功能。所述的控制系统的执行模块，接收到控制模块的信号后，执行相应操作，以实现控制机械臂抓取充电枪并给机器充电的过程。主要为仿蛇形机械臂的各个关节之间的运动模块。充电装置主控制模块，可执行如下操作：1.获取充电装置基座车辆感应模块输出信号，判断是否有待充电车辆；2.获取充电装置基座充电口预对位模块单目摄像头所识别的充电口方向信息；3.控制仿蛇形机械臂仿蛇躯干关节和仿蛇头关节的相对转动，结合已知充电桩上充电枪固定位置与精确对位模块深度摄像头信息，使仿蛇头关节夹持结构准确抓取对应的充电枪；4.根据预对位方向信息(充电口相对蛇形机械臂头部关节的二维坐标)，控制与仿蛇形机械臂底座关节相连的旋转机构绕充电装置转动，同时其他关节旋转，使得仿蛇头关节对准待充电车辆的方向；5.获取仿蛇头关节的精确对位模块深度摄像头传来的的车辆充电三维精准定位信息，根据所述充电口三维空间位置控制仿蛇形机械臂仿蛇躯干关节和仿蛇头关节的相对转动，以使仿蛇头关节夹持结构抓取的充电枪不断靠近充电口三维空间位置，最终使得充电枪准确插入所述充电口；6.控制充电装置基座为所述车辆充电。7.获取充电电流检测模块输入信号，判断充电枪是否充电或者充电完成。8.根据充电电流检测模块信号，结合预对位模块单目摄像头识别到的充电枪指示灯方位，控制机械臂朝充满电可拔的充电枪方向运动，结合精度定位模块深度摄像头信息，使仿蛇头关节夹持结构准确抓取对应的充电枪并取下，放回相应充电桩上位置。9.获取充电桩充电插口内红外感应模块信号，判断充电枪是否拔出，结合车辆感应模块给与的到来车辆方位，从而决定取哪个充电枪。10.存储一定的数据信息，如预对位的信息，充电桩各充电枪原始位置，每个充电枪被插入相关机器后的位置等等。需要说明的是，所述第9、10项是补充的功能，每个充电过程都会进行的，并非要在第8项后才能执行；因存储的信息对每个流程都有用，如充电枪是否拔出及其位置对第1项有用，预定位信息，在取枪后继续有效等。充电桩形状可变(圆柱、长方体都可)，主要包括不同型号的充电口，充电枪头(以满足不同充电机器)，相同的充电枪柄(满足机械臂的抓取)等。完整的控制系统主要包括感知模块、主控制模块、执行模块。控制系统的主控制模块配备有微型计算机并且安装在充电桩基座内，所述的仿蛇形机械臂的仿蛇头关节，安装了精确对位模块，设计了夹持结构。精确对位模块的深度摄像头能够准确识别到充电枪，或待充电机器的充电口的三位空间位置。该夹持结构为适应充电枪柄的内凹结构，能够与充电枪柄准确配合，且内置电磁铁，能够稳固抓取充电枪，确保充电过程的顺利进行。所述的仿蛇形机械臂的仿蛇底座关节，其固连在充电桩上的旋转机构上，能够随之360度自动旋转，使得机械臂更加灵活。所述的仿蛇形机械臂的仿蛇躯干关节，采用模块化正交结构，每个关节模块内设有驱动系统和各自的控制模块，关节之间，关节与底座之间都可以相对90度旋转。所述蛇形机械臂的各个关节都包含控制模块、通信模块、角度传感器和伺服电机，各个蛇形机械臂关节通过以太网和主控制模块相连接实时将角度传感器信息发送给主控模块，主控模块通过计算得到位姿矩阵将相应的控制信号发送到各个关节的控制模块，各个关节的控制模块控制伺服电机旋转，并且角度传感器实时更新角度数据。所述的充电桩，四周布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统，其特征在于，包括：仿蛇形机械臂，充电装置、控制系统；所述仿蛇形机械臂包括仿蛇头关节，仿蛇底座关节与若干节仿蛇躯干关节；仿蛇底座关节固连于充电桩上的旋转机构；仿蛇头关节设有夹持结构，此结构能够和充电枪准确配合；所述充电装置具备给一辆或者多辆车充电的功能，配备一个或者多个充电枪；充电枪通过充电电缆与充电装置内部电源相连；充电装置的基座是固定基座或者移动平台；在充电桩四周布置有车辆检测模块，能够检测是否有待充电机器到来；同时还布置有不同型号的充电口与充电枪能够适配不同机器，枪柄相同，便于机械臂抓取，以满足不同的机器充电需求；对于每个充电枪，桩内配有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示充电是否完成，便于系统识别；在每一个充电装置插口内安装有红外感知模块，能够感知充电枪是否已经拔出；在充电桩顶端有一个与仿蛇底座关节相连的旋转机构，能够带动其360度灵活旋转，其上安装有预对位模块，能够初步确定充电口方位；控制系统，包括感知模块、主控制模块、执行模块；感知模块，包括车辆检测模块、充电枪检测模块、充电电流检测与控制模块、预对位模块、精确对位模块；车辆检测模块，能够检测是否有待充电车辆；安装在充电桩插口内的充电枪检测模块能够检测充电枪是否拔出；对每个充电枪安有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示充电是否完成，便于系统识别；安装在旋转机构上的预对位模块，能够随着底座360度旋转，找到机器充电口的大致方位，从而实现预对位；安装于仿蛇头关节处的精确对位模块，能够精确识别充电口的位置，从而使得充电枪能准确插入实现充电；主控制模块至少设有一个微型计算机，对感知接受到的信号进行处理与判断，发出相应的控制信号给到执行模块，能够与各个模块之间进行数据交流，然后通过控制各个模块以及机械臂来实现为目标车辆或其他机器的充电放电功能；所述的控制系统的执行模块，接收到控制模块的信号后，执行相应操作，以实现控制机械臂抓取充电枪并给机器充电的过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于仿蛇形机械臂的自动充电系统，其特征在于，包括：仿蛇形机械臂，充电装置、控制系统；所述仿蛇形机械臂包括仿蛇头关节，仿蛇底座关节与若干节仿蛇躯干关节；仿蛇底座关节固连于充电桩上的旋转机构；仿蛇头关节设有夹持结构，此结构能够和充电枪准确配合；所述充电装置具备给一辆或者多辆车充电的功能，配备一个或者多个充电枪；充电枪通过充电电缆与充电装置内部电源相连；充电装置的基座是固定基座或者移动平台；在充电桩四周布置有车辆检测模块，能够检测是否有待充电机器到来；同时还布置有不同型号的充电口与充电枪能够适配不同机器，枪柄相同，便于机械臂抓取，以满足不同的机器充电需求；对于每个充电枪，桩内配有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示充电是否完成，便于系统识别；在每一个充电装置插口内安装有红外感知模块，能够感知充电枪是否已经拔出；在充电桩顶端有一个与仿蛇底座关节相连的旋转机构，能够带动其360度灵活旋转，其上安装有预对位模块，能够初步确定充电口方位；控制系统，包括感知模块、主控制模块、执行模块；感知模块，包括车辆检测模块、充电枪检测模块、充电电流检测与控制模块、预对位模块、精确对位模块；车辆检测模块，能够检测是否有待充电车辆；安装在充电桩插口内的充电枪检测模块能够检测充电枪是否拔出；对每个充电枪安有充电电流检测与控制模块，能够控制是否充电以及检测是否充电完成，在对应枪上还安有指示灯显示充电是否完成，便于系统识别；安装在旋转机构上的预对位模块，能够随着底座360度旋转，找到机器充电口的大致方位，从而实现预对位；安装于仿蛇头关节处的精确对位模块，能够精确识别充电口的位置，从而使得充电枪能准确插入实现充电；主控制模块至少设有一个微型计算机，对感知接受到的信号进行处理与判断，发出相应的控制信号给到执行模块，能够与各个模块之间进行数据交流，然后通过控制各个模块以及机械臂来实现为目标车辆或其他机器的充电放电功能；所述的控制系统的执行模块，接收到控制模块的信号后，执行相应操作，以实现控制机械臂抓取充电枪并给机器充电的过程。2.根据权利要求1所述的基于仿蛇形机械臂的自动充电系统，其特征在于，包括：仿蛇底座关节能够360度自动旋转，底座关节与仿蛇躯干关节之间相对旋转90度首尾连接，各仿蛇躯干关节之间相对旋转90度首尾连接，仿蛇躯干关节与仿蛇头关节之间相对旋转90度首尾连接。3.根据权利要求1所述的基于仿蛇形机械臂的自动充电系统，其特征在于，包括：所述仿蛇头关节的夹持结构的凹处布置有一个电磁铁以稳定抓取充电枪。4.根据权利要求1所述的基于仿蛇形机械臂的自动充电系统，其特征在于：所述的控制系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广，杨谦益，许仲聪，陈凯，余卓平，瞿三清，卢凡，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31