专利名称：一种电动公交车电池快换系统及其换电方法
技术领域：
本发明涉及一种电池更换系统，尤其是一种电动公交车电池快换系统及其换电方法。
背景技术：
随着资源与环境双重压力的持续增大，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工业发展的方向。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一百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，快速充电则会对电池的寿命产生影响。就电动公交车而言，一方面它需要较大的电池容量，另一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，每次要更换六到八块，如用人工更换，至少要一到二小时，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，中国专利 201020561469. X提出了一种利用换电机构旋转180°的方式，以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；中国专利200820078476. 7“一种用于车载电池更换系统的定位装置”、中国专利200410090796. O “一种电动公交车系统”等，所描述的装置应用也存在着诸多问题，如更换电池过程需要多次定位，更换动力电池时间较长；换电设备的可扩展性较差，不同车辆的电池箱不能应用同一种换电设备；相关换电设备的高度受限， 不能满足大规模集中式换电站的需求；中国专利201110138576. O换电步骤繁琐，换电效率较低。现有技术之所以出现上述问题，主要是受到电池更换常规思路的限制，即现有的电池更换方式都是采用“转身”方式完成电池更换，它们普遍将电池放在机器人的后方，在更换时机器人通过“转身”动作完成电池的更换。由于前面所述的目前电池存在的状态，这种更换方式必然将导致整个换电系统的占地面积过大，整个执行机构的动作需要复杂的结构配合才能完成，因此故障率和维护成本很高，不利于电动汽车的推广。
发明内容
本发明的目的就是为解决目前电动汽车电池更换系统在电池更换方式上囿于旋转式更换方式，使得整个结构复杂，占地面积大等问题，提供了一种采用竖直方向进行电池更换的电动公交车电池快换系统及其换电方法，它将传统的置于换电机器人身后的电池改为了置于换电机器人上方，从而使得机器人不再需要转身动作即可从上方获得充好电的电池，然后通过换电机器人在机器人的同侧即可完成电池更换操作，不仅节省了电池占用的空间，还减少了换电机器人的转身机构，简化了设备结构，更进一步提高了设备的可靠性和更换效率。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种电动公交车电池快换系统，它包括充电电池置于上部的充电货架单兀，与充电货架单元同侧相配合的设有至少一个升降式换电机器人，同时升降式换电机器人沿充电货架单元长度方向运动；升降式换电机器人从电动公交车取下需更换的电池，举升到充电货架单元上部的存放电池处，将待需更换电池换下，将已充电电池取上后下降到电池更换位置完成电动公交车的电池更换。所述升降式换电机器人包括机器人本体和主控台，其中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分别在X、Y、Z三个直角坐标方向运动的水平移动单元、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，所述载物平台单元设置在所述承重单元上；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，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；所述主控台通过其设有的无线通信模块II与无线通信模块I建立无线通讯，根据数据采集装置的信息控制动力驱动机构完成所需的动作。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单元上的天轨；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，以及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， 所述电机减速机设置承重单元的下横梁上并与水平运动伺服电机连接。载物平台单元包括载物台以及其上设有的电池驱动机构，所述电池驱动机构设有电池推送机构所述载物台下部是电池推送机构，电池推送机构下部是水平旋转机构，载物台侧面设有倾斜夹角调节机构，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。所述电池推送机构上设有支撑横梁，支撑横梁与电池托盘连接；电池推送机构还包括导向轨道、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电池推送机构上表面；所述导向轨道与电池内箱相匹配，所述电池内箱为将电池成组放置的箱体；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，与之配合连接的倾斜驱动电机，所述倾斜夹角调节机构还设有倾斜旋转轴，倾斜旋转轴安装在水平旋转机构的旋转底板I上，倾斜驱动电机驱动载物台绕倾斜旋转轴进行倾斜操作；所述水平旋转机构包括旋转底板I、底板II，旋转底板I通过连杆与丝杠螺母连接，丝杠螺母安装在丝杠上，丝杠与水平驱动电机连接，水平驱动电机通过推动连杆带动旋转底板I绕水平旋转轴水平转动。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；所述数据采集装置包括超声波传感器、光电传感器、色标传感器、DMP位置传感器； 所述超声波传感器、色标传感器、DMP位置传感器安装在电磁推手上；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、水平旋转机构，倾斜夹角调节机构，解锁装置中的相应伺服电机连接，所述的各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；同时在水平移动单元，载物平台单元和承重单元中工作零点定位处设有限位开关， 限位开关与PLC控制器连接。所述主控台包括柜体，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通过网口相连，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。所述主控计算机系统还与机器人无线遥控装置通信。一种采用电动公交车电池快换系统换电方法，包括以下步骤I)初始化系统上电后，通过主控计算机系统或主控台或无线遥控装置下发复位指令，升降式换电机器人的各个轴触发限位开关后寻零，回到原点位置；2)卸电池车辆安全停靠指定换电区域后，升降式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水平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，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换电机器人上升， 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，准确的将电池送入充电舱; 然后PLC控制器根据存储的坐标点和光电传感器控制换电机器人，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，将另一充电舱中充满的电池取下来；4)安装电池PLC控制器控制升降式换电机器人下降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，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，升降式换电机器人回到原点待机。
本发明利用升降式换电机器人使动力电池在充电货架单元和电动公交车之间交换，使其完成快速更换动力电池工作。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力电池同时更换。本发明的有益效果是本发明充电电池单元与车体为垂直方向布置，避免了电池旋转的繁琐动作，结构简洁；升降式换电机器人的应用，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力电池的快速更换。
图I为本发明结构示意图；图2为本发明电池换电机器人示意图；图3为本发明的换电机器人载物平台单元后视结构示意图；图4为本发明载物平台单元倾斜夹角调节机构前视示意图；图5A为本发明载物平台单元水平旋转机构示意图；图5B为本发明载物平台单元水平旋转机构A-A示意图；图6为本发明换电机器人控制系统示意图；图7为本发明的充电货架单元结构示意图。其中I、升降式换电机器人，2、充电货架单元，3、控制台，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.解锁机构，113.电磁吸盘，114.横向导向轮，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.电池推送机构驱动伺服电机，210.水平旋转机构，211.支撑横梁，301倾斜转轴，302.弧形齿条，303.倾斜驱动伺服电机，401.旋转底板 1,402.底板ΙΙ，403·水平旋转轴，404.水平驱动伺服电机，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1,508.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 ;601、动力电池602、充电舱，603充电框架；
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。如图I所示,它包括充电电池置于上部的充电货架单元2,与充电货架单元2同侧相配合的设有至少一个升降式换电机器人1，同时升降式换电机器人I沿充电货架单元2长度方向运动；升降式换电机器人I从电动公交车取下需更换的电池，举升到充电货架单元上部的存放电池处，将待需更换电池换下，将已充电电池取上后下降到电池更换位置完成电动公交车的电池更换。图2、图3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，所述电机减速机设置承重单元的下横梁104上并与水平运动伺服电机连接。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， 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114，所述两组横向导向轮114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103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；图3中，所述电池驱动机构109包括与载物台108连接的水平旋转机构210，载物台108侧面设有倾斜夹角调节机构206，下面设有电池推送机构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、电池推送机构驱动伺服电机208以及电磁推手Iio ;电池推送机构驱动伺服电机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113，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112。所述电池内箱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112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211两端各设有一个超声波测距传感器205和一个压力传感器202，分别设在支撑横梁211两端的压力传感器202位于超声波测距传感器205的内侧。图4中，本发明载物平台单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302，倾斜驱动伺服电机303带动齿轮旋转，齿轮弧形齿条啮合传动，弧形齿条302带动载物台108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5A，图5B中，水平旋转机构210包括水平驱动伺服电机404，它带动丝杠405 转动，丝杠405带动丝杠螺母406水平直线运动，丝杠螺母406与连杆407铰接，连杆407 与旋转底板I 401铰接，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6中，电气系统包括主控计算机系统501、PLC控制器502、限位开关503、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系列工控机，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，通过工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用于每个运动轴的参考机械零点。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，运动控制系统能够对故障状态自主的进行判断处理，并将故障内容上报上位机监控系统。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112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502根据存储的坐标点和X、Z轴方向上的光电传感器510信号，控制升降式换电机器人I上升到充电货架单元2的相应位置，将乏电池对准充电货架单元2中的空充电舱602，电池托盘伸出，将取下的需要充电的乏电池放入充电舱602中，电磁吸盘断电，收回电池托盘。PLC控制器502根据存储的坐标点和X、Z轴方向上的光电传感器510信号,控制升降式换电机器人I水平移动对准充电货架单兀的充电舱602中的充满电的电池，准确的将电池托盘伸到与充电舱602平齐的位置，同时倾斜夹角调节机构206和水平旋转机构210的旋转角度位置信号送至PLC控制器502存储，解锁机构112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113产生电磁吸力，将满电池从充电货架单元2的充电舱602中取出。PLC控制器502控制升降式换电机器人I下降并运动到车体电池仓的位置，根据存储的倾斜夹角调节机构206和水平旋转机构210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，最终将电池安装到车辆电池仓中，解锁机构112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502控制电磁吸盘113失电，电磁吸盘113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113、解锁机构112、将电池利用导向轨道204托住，同时,利用电磁吸盘113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结构类似；2个超声波测距传感器 205 (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倉泛。所述限位开关与PLC控制器502连接，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，且与对应的各伺服电机接触连接。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11513，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II513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；柜体背面设有柜体门，柜体门上设有防雨锁；工控机通过VGA接口与电阻式触摸屏相连接；无线通信模块II513通过网口与工控机II通信；无线通信模块II513以及无线通信模块1512采用WiFi的IEEE 802. 11标准的无线网络或⑶MA模块或EDGE模块。主控计算机系统501还包括无线遥控装置，所述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、两个二维摇杆、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；所述主控板将二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；所述上位机设有无线通讯模块I，所述无线通讯模块I与控制后台无线通信模块II以及遥控装置无线通信模块 III514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I)初始化系统上电后，通过主控计算机系统501或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，升降式换电机器人I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511、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502存储，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，利用载物平台单元中的电磁吸盘113将电池从车体的电池仓中取出；3)取放电池PLC控制器502根据存储的坐标点和X、Z轴方向上的光电传感器510 信号，控制升降式换电机器人I上升到充电货架单元2的相应位置，将乏电池对准充电货架单元2中的空充电舱602，电池托盘伸出，将取下的需要充电的乏电池放入充电舱602中， PLC控制器502控制电磁吸盘113失电，电磁吸盘113与电池脱离，电磁推手110沿载物台缩回固定；PLC控制器502根据存储的坐标点和X、Z轴方向上的光电传感器510信号，控制升降式换电机器人I对准充电货架单元2的充电舱602中的充满电的电池，准确的将电池托盘伸到与充电舱602平齐的位置，同时倾斜夹角调节机构206和水平旋转机构210的旋转角度位置信号送至PLC控制器502存储，解锁机构112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113的电磁推手110上电， 电磁吸盘113产生电磁吸力，将满电池从充电货架单元2的充电舱602中取出。4)安装电池PLC控制器502控制升降式换电机器人I下降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502控制电磁吸盘113失电，电磁吸盘113与电池脱离，电磁推手110 沿载物台108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。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
1.一种电动公交车电池快换系统，其特征是，它包括充电电池置于上部的充电货架单元(2)，与充电货架单元(2)同侧相配合的设有至少一个升降式换电机器人(I)，同时升降式换电机器人(I)沿充电货架单元(2)长度方向运动；升降式换电机器人(I)从电动公交车取下需更换的电池，举升到充电货架单元上部的存放电池处，将待需更换电池换下，将已充电电池取上后下降到电池更换位置完成电动公交车的电池更换。
2.如权利要求I所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述升降式换电机器人(I)包括机器人本体和主控台(3)，其中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分别在X、Y、Z三个直角坐标方向运动的水平移动单元(107)、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(107)上，所述载物平台单元设置在所述承重单元上；所述的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，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(107)、承重单元和载物平台单元中的传动装置连接；所述主控台(3)通过其设有的无线通信模块II (513)与无线通信模块I (512)建立无线通讯，根据数据采集装置的信息控制动力驱动机构完成所需的动作。
3.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述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(114)，所述两组横向导向轮(114)之间夹持有安装在充电货架单元(2)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)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(103)上设有竖直方向寻址的纵向认址片。
4.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述的水平移动单元(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)，以及地轨(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， 所述电机减速机设置承重单元的下横梁(104)上并与水平运动伺服电机连接。
5.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，载物平台单元包括载物台(108)以及其上设有的电池驱动机构(109)，所述电池驱动机构(109)设有电池推送机构(207)所述载物台(108)下部是电池推送机构(207)，电池推送机构(207)下部是水平旋转机构(210)，载物台(108)侧面设有倾斜夹角调节机构(206)，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。
6.如权利要求5所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述电池推送机构(207) 上设有支撑横梁(211)，支撑横梁(211)与电池托盘连接；电池推送机构(207)还包括导向轨道(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(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；所述导向轨道设置(204)在电池推送机构(207)上表面；所述导向轨道(204)与电池内箱相匹配，所述电池内箱为将电池成组放置的箱体；所述支撑横梁(211) 两端各设有至少一个超声波测距传感器(205)和至少一个压力传感器(202)，所述压力传感器(202)位于超声波测距传感器(205)内侧；所述倾斜夹角调节机构包括安装在载物台(108) —端的齿轮弧形齿条(302)，与之配合连接的倾斜驱动电机(303)，所述倾斜夹角调节机构还设有倾斜旋转轴(301)，倾斜旋转轴(301)安装在水平旋转机构的旋转底板1(401)上，倾斜驱动电机(303)驱动载物台(108)绕倾斜旋转轴(301)进行倾斜操作；所述水平旋转机构包括旋转底板I (401)、底板II (402)，旋转底板I (401)通过连杆 (405)与丝杠螺母(406)连接，丝杠螺母(406)安装在丝杠(405)上，丝杠(405)与水平驱动电机(404)连接，水平驱动电机(404)通过推动连杆(405)带动旋转底板I (401)绕水平旋转轴(403)水平转动。
7.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述主控计算机系统 (501)为工控机I以及PLC控制器(502)，所述PLC控制器(502)与工控机I通过工业以太网通信连接；所述数据采集装置包括超声波传感器(508)、光电传感器(510)、色标传感器(509)、 DMP位置传感器(511);所述超声波传感器(508)、色标传感器(510)、DMP位置传感器(511) 安装在电磁推手(110)上；所述光电传感器(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；所述动力驱动机构包括6个伺服驱动器(505)，所述6个电机的伺服驱动器(505)分别与水平移动单元(107)，载物平台单元和承重单元、水平旋转机构(210)，倾斜夹角调节机构(206)，解锁装置(112)中的相应伺服电机连接，所述的各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；同时在水平移动单元，载物平台单元和承重单元中工作零点定位处设有限位开关，限位开关与PLC控制器连接。
8.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述主控台(3)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 (513)，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 (513)与工控机II通过网口相连，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。
9.如权利要求2所述的电动公交车电池快换系统，其特征是，所述主控计算机系统(501)还与机器人无线遥控装置通信。
10.一种采用权利要求I所述的电动公交车电池快换系统换电方法，其特征是，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)或主控台(503)或无线遥控装置下发复位指令，升降式换电机器人(I)的各个轴触发限位开关后寻零，回到原点位置；2)卸电池车辆安全停靠指定换电区域后，升降式换电机器人(I)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(503)或无线遥控装置水平移动到指定的作业点，依据DMP位置传感器(511)、超声波传感器I (508)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(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(502)存储，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，利用载物平台单元中电磁推手(HO)上的电磁吸盘(113)将电池从车体的电池仓中取出；3)取放电池PLC控制器(502)根据存储的坐标点和光电传感器(510)控制换电机器人(I)上升，依据DMP位置传感器(511)、超声波传感器I (508)信号调整电池托盘姿态， 准确的将电池送入充电舱￠02);然后PLC控制器(502)根据存储的坐标点和光电传感器 (510)控制换电机器人(I)，依据DMP位置传感器(511)、超声波传感器I (508)信号调整电池托盘姿态，将另一充电舱中充满的电池取下来；4)安装电池PLC控制器(502)控制升降式换电机器人(I)下降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，依据色标传感器检测信号判断并确认锁止完成，PLC控制器(502)控制电磁吸盘(113)失电，电磁吸盘(113)与电池脱离，电磁推手(110)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，升降式换电机器人(I)回到原点待机。
全文摘要
本发明公开一种电动公交车电池快换系统及其换电方法，它将电池改为了置于换电机器人上方，从而使得机器人不再需要转身动作即可从上方获得充好电的电池，然后通过换电机器人在机器人的同侧即可完成电池更换操作，不仅节省了电池占用的空间，还减少了换电机器人的转身机构，简化了设备结构，更进一步提高了设备的可靠性和更换效率。它包括充电电池置于上部的充电货架单元，与充电货架单元同侧相配合的设有至少一个升降式换电机器人，同时升降式换电机器人沿充电货架单元长度方向运动；升降式换电机器人从电动公交车取下需更换的电池，举升到充电货架单元上部的存放电池处，更换电池后，下降到电池更换位置完成电动公交车的电池更换。
文档编号B60S5/06GK102602372SQ20121007451
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者卢剑峰, 厉秉强, 姜志鹏, 王同斌, 赵金龙 申请人:山东鲁能智能技术有限公司