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技术领域

本发明涉及一种电动汽车自动充电的技术领域，尤其是涉及一种车载自动充 电机械臂及载有该机械臂的电动汽车。

背景技术

随着电动汽车的逐渐推广和使用，电动汽车充电的安全性和便捷性成为电动汽 车推广过程中必须重视的问题，尤其是对于租赁或其他专用的电动汽车，在无人值 守的还车网点，需要用户停车后自己动手操作，一方面人工操作存在安全隐患，另 一方面，许多用户还没有养成随手充电的习惯或不懂如何插拔充电插头。并且现有 充电设施存在体积过大，缺乏统一管理，并且依赖人工操作的问题。

因此，对于电动汽车而言，保证用户还车或停车后车辆能安全、及时的补充电 量，是一个重要的问题；另外，充电设施也应尽可能节省空间，减少占地面积。

中国专利公开号CN104795868A公开了一种电动汽车自动充电系统，通过独 立移动式的充电插头自动插拔装置实现将电动汽车充电插头插入或拔出充电插座 中，解决了手动方式插拔充电插头进行电动汽车充电作业存在的安全隐患，上述安 装于停车位上的自动充电装置必须解决防水、防盗等问题，也不便于维护。有文献 公开了电动汽车自动充电装置，但都是结合现有充电桩进行设计，充电装置体积较 大，占地面积也较大，对空间的利用不够充分，并且充电装置的灵活性和实用性不 高，未能充分实现电动汽车充电的智能化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现自动充 电、充电设施体积小、使用方便的车载自动充电机械臂及载有该机械臂的电动汽车， 对于推动电动汽车技术发展具有重要意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车载自动充电机械臂，其特征在于，该机械臂设置在电动汽车底部，通过 自动插入插座实现电动汽车的自动充电，所述的机械臂包括：

摆臂固定板：一端固定在电动汽车底部；

第一关节：一端与所述的摆臂固定板另一端连接；

平行关节单元：一端与第一关节另一端连接，不充电时，该平行关节单元与汽 车底盘平行设置，充电时，平行关节单元向下移动；

插头：安装于平行关节单元的末端；

摄像头：安装在插头的一侧面。

所述的摆臂固定板一端嵌入在电动汽车的底盘上，另一端与第一关节连接。

所述的第一关节包括机械臂连接板、第一关节轴承架、第一关节滚动轴承、第 一舵机，所述的第一舵机一端直接与摆臂固定板连接、另一端通过第一关节滚动轴 承与机械臂连接板连接，所述的第一关节滚动轴承设在第一关节轴承架上，所述的 机械臂连接板与平行关节单元连接。

所述的平行关节单元包括依次顺序连接的至少两个平行关节，每个平行关节包 括关节电机支撑板、关节左端盖、关节轴承架、关节滚动轴承、舵机、关节右端盖， 所述的关节电机支撑板与舵机连接，舵机左侧连接关节左端盖，右侧设置转动轴并 通过关节滚动轴承连接关节右端盖，所述的关节左端盖和关节右端盖分别连接在所 述的电机支撑板两侧。

所述的平行关节单元包括依次顺序连接的七个平行关节。

所述的插头包括插头支架、插头底座、插头隔板和插针，所述的插头支架与平 行关节单元的末端相连；所述的插头底座和插头隔板同心安装在插头支架上；所述 的插针安装在插头底座内。

所述的插针分布在插头底座的圆心以及八个同心圆上，其中，圆心的插针为1 根，8个同心圆上按照直径从小到大分别设置的插针数为3根、3根、3根、6根、 6根、6根、24根和24根，插针的材料为银铜合金。

还包括与所述的插头对应的插座，该插座包括插座壳体和位于插座壳体上的插 孔，所述的插孔包括8个同心圆环状插孔和1个圆心处的圆形插孔，插孔底部导电 材料为铜片，与插针接触后形成通路，这种圆环形的设置，保证插针无论位于平面 内的哪个方位均可正确对接，大大提高对接速度和准确性。该插座通过电缆与后台 管理总控中心连接，可提供的电压为交流220V、交流380V和/或直流380V，插座 通过与充电插头对接为电动汽车充电，通过后台管理中心的统一调控，充分减小了 占地面积，且管理更加智能化，插座带有防水装置并可在准备充电时和充电完毕后 自动打开和关闭。

一种载有所述车载自动充电机械臂的电动汽车，其特征在于，该电动气车包括 车体和机械臂，机械臂嵌在所述车体的底盘上，不充电时，驱动机械臂收回至底盘 下。

该电动气车包括控制装置，该控制装置由ARM集成控制器控制，与摄像头及 机械臂内的各舵机通过CAN总线连接；

当所述电动汽车电量不足时，摄像头识别插座的位置，控制装置运算后控制各 舵机运动，驱动插头插入插座，充电开始；充电结束后，控制装置控制各舵机运动， 驱动插头拔出插座，并驱动机械臂收回至底盘下。

该电动汽车的工作原理如下：

(1)电动汽车停在指定停车位上；

(2)电动汽车检测内部电量，电量不足，通过车辆向车载机械臂控制器发送指 令进行动作，同时与地面插座通讯，插座盖板打开；

(3)车载机械臂通过插头一侧安装的摄像头，识别定位插座所在位置并传送到 控制器，控制器运算后向各个关节伺服舵机发送指令动作，驱动插头插进插座，插 座供电部分通电，充电开始；

(4)电动汽车检测内部电量充足，向控制器发送指令，各关节伺服舵机驱动机 械臂拔出插头，充电完毕并驱动机械臂收回至底盘下。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出了车载式电动汽车自动充电机械臂，实现了电动汽车的自动充 电和自动断电。将自动充电机械臂安装汽车上，通过管理中心的控制，机械臂能自 动寻找停车位的插座，为该电动汽车充电；充电完成后自动断开电源，返回至原位。 整个过程无需人工操作，便捷安全：一方面避免了人工充电可能存在的安全隐患和 错误操作；另一方面保障了电动汽车的充电需求，不会因为用户遗忘充电而导致电 动汽车续航里程不足；

(2)本发明提出的车载式自动充电机械臂是具有六自由度的八关节机械臂， 活动灵活，可通过控制准确寻找地面的插座并对接。

(3)本发明的自动充电机械臂嵌入在汽车底盘上，非工作状态时，机械臂可收 缩至扁平状态，空间位置较小，重量轻，既保障了充电机械臂的安全，极大程度上 避免了非车载式充电机器人存在被盗窃、损坏的问题，又不影响车辆的行进，对车 辆本身的性能几乎没有影响。

附图说明

图1为本发明机械臂的结构示意图；

图2为本发明机械臂的装配爆炸图；

图3为本发明地面插座的主视图；

图4为本发明地面插座A-A面的的剖视图；

图5为本发明载有机械臂的电动汽车非工作状态的示意图；

图6为本发明载有机械臂的电动汽车工作状态的机械臂插头与地面插座配合 示意图。

图7为两种机械臂安装位置示意图；

图8为图7中方案①的安装空间简图；

图9为图7中方案②的安装空间简图；

其中1、摆臂固定板，2、机械臂连接板，3、第二关节支撑板，4、第二舵机， 5、第二关节左端盖，6、第三舵机，7、第三关节左端盖，8、第四舵机，9、第四 关节左端盖，10、第五关节电机支撑板，11、第五舵机，12、第五关节左端盖，13、 第六舵机，14、第六关节左端盖，15、第七舵机，16、第七关节左端盖，17、第八 关节电机支撑板，18、第八舵机，19、第八关节左端盖，20、插头底座，21、第一 舵机，22、第一关节轴承架，23、第二关节轴承架，24、第二关节右端盖，25、第 三关节电机支撑板，26、第三关节轴承架，27、第三关节右端盖，28、第四关节电 机支撑板，29、第四关节轴承架，30、第四关节右端盖，31、第五关节轴承架，32、 第五关节右端盖，33、第六关节电机支撑板，34、第六关节轴承架，35、第六关节 右端盖，36、第七关节电机支撑板，37、第七关节轴承架，38、第七关节右端盖， 39、第八关节轴承架，40、第八关节右端盖，41、插头支架，42、插针，43、插头 隔板，44、第一关节滚动轴承，45、第二关节滚动轴承，46、第三关节滚动轴承， 47、第四关节滚动轴承，48、第五关节滚动轴承，49、第六关节滚动轴承，50、第 七关节滚动轴承，51、第八关节滚动轴承，52、电动汽车，53、车载机械臂，54、 充电插座，55、插座壳体，56、第一插孔，57、第二插孔，58、第三插孔，59、第 四插孔，60、第五插孔，61、第六插孔，62、第七插孔，63、第八插孔，64第九 插孔，65、摄像头，A为电动汽车底盘，S为地面，Ⅰ为区域1，Ⅱ为区域2，Ⅲ 为区域3，Ⅳ为区域4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获 得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，一种车载式自动充电机械臂，该机械臂主要由机械臂本体、 驱动装置(工业级数字舵机)以及控制部分组成。该机械臂采用铝合金材料加工而 成。

机械臂的组成：

机械臂本体由摆臂固定板1、首关节、七个平行关节、末端插头和摄像头组成。

机械臂连接板2、第一关节轴承架22、第一关节滚动轴承44构成第一关节， 第一关节内安装第一舵机21，控制第一关节运动部件转动；

第二关节支撑架3、第二关节左端盖5、第二关节轴承架23、第二关节滚动轴 承45、第二关节右端盖24构成第二关节，第二关节内安装第二舵机4，控制第二 关节运动部件转动；

第三关节支撑架25、第二关节左端盖7、第三关节轴承架26、第三关节滚动 轴承46、第三关节右端盖27构成第三关节，第三关节内安装第三舵机6，控制第 三关节运动部件转动；

第四关节电机支撑板28、第四关节左端盖9、第四关节轴承架29、第四关节 滚动轴承47、第四关节右端盖30构成第四关节，第四关节内安装第四舵机8，控 制第四关节运动部件转动；

第五关节电机支撑板10、第五关节左端盖12、第五关节轴承架31、第五关节 滚动轴承48、第五关节右端盖32构成第五关节，第五关节内安装第五舵机11，控 制第五关节运动部件转动；

第六关节电机支撑板33、第六关节左端盖14、第六关节轴承架34、第六关节 滚动轴承49、第六关节右端盖35构成第六关节，第六关节内安装第六舵机13，控 制第六关节运动部件转动；

第七关节电机支撑板36、第七关节左端盖16、第七关节轴承架37、第七关节 滚动轴承50、第七关节右端盖38构成第七关节，第七关节内安装第七舵机15，控 制第七关节运动部件转动；

第八关节电机支撑板17、第八关节左端盖19、第八关节轴承架39、第八关节 滚动轴承51、第八关节右端盖40、插头支架41构成第八关节，第八关节内安装第 八舵机18，控制第八关节运动部件转动；

摄像头65安装在插头底座20的侧面。

插头部分包括绝缘的插头底座20、插头隔板41和插针42，插针42分布在圆 心以及八个同心圆上，可以设置为76根，其中，圆心的插针为1根，8个同心圆 按照直径从小到大的顺序，插针数量分别设置为3根、3根、3根、6根、6根、6 根、24根、24根，插针材料为银铜合金。

插座部分包括插座壳体55和位于壳体上供插头插入的插孔，插孔底部导电材 料为铜片，与插针接触后形成通路，所述的电源插孔分为8个同心圆环状插孔和1 个圆心处的圆形插孔，即第一插孔56，第二插孔57，第三插孔58，第四插孔59， 第五插孔60，第六插孔61，第七插孔62，第八插孔63，第九插孔64。

各部分的连接关系如下：

摆臂固定板1一端嵌入在电动汽车的底盘上，使机械臂与电动汽车连接，另一 端连接第一舵机21，而第一舵机21左侧直接与摆臂固定板连1螺纹连接，右侧转 动轴通过第一关节轴承架22和第一关节滚动轴承44与机械臂连接板2螺纹连接， 从而使得摆臂固定板1与第一关节建立连接；

第一关节通过机械臂连接板2连接第二关节支撑板3，从而与第二关节建立连 接；

第二关节内，第二关节支撑板3与第二舵机4连接，第二舵机4左侧连接第二 关节左端盖5，右侧转动轴通过第二关节轴承架23和第二关节滚动轴承45连接第 二关节右端盖24，第二关节左端盖5和第二关节右端盖24共同连接第三关节支撑 板25，从而与第三关节建立连接；

第三关节内，第三关节支撑板25与第三舵机6连接，第三舵机6左侧连接第 三关节左端盖7，右侧转动轴通过第三关节轴承架26和第三关节滚动轴承46连接 第三关节右端盖27，第三关节左端盖7和第三关节右端盖27共同连接第四关节支 撑板28，从而与第四关节建立连接；

第四关节内，第四关节支撑板28与第四舵机8连接，第四舵机8左侧连接第 四关节左端盖9，右侧转动轴通过第四关节轴承架29和第四关节滚动轴承47连接 第四关节右端盖30，第四关节左端盖9和第四关节右端盖30共同连接第五关节支 撑板10，从而与第五关节建立连接；

第五关节内，第五关节支撑板10与第五舵机11连接，第五舵机11左侧连接 第五关节左端盖12，右侧转动轴通过第五关节轴承架31和第五关节滚动轴承48 连接第五关节右端盖32，第五关节左端盖12和第五关节右端盖32共同连接第六 关节支撑板33，从而与第六关节建立连接；

第六关节内，第六关节支撑板33与第六舵机13连接，第六舵机13左侧连接 第六关节左端盖14，右侧转动轴通过第六关节轴承架34和第六关节滚动轴承49 连接第六关节右端盖35，第六关节左端盖14和第六关节右端盖35共同连接第七 关节支撑板36，从而与第七关节建立连接；

第七关节内，第七关节支撑板36连接第七舵机15，第七舵机15左侧连接第 七关节左端盖16，右侧转动轴通过第七关节轴承架37和第七关节滚动轴承50连 接第七关节右端盖38，第七关节左端盖16和第七关节右端盖38共同连接第八关 节支撑板17，从而与第八关节建立连接；

第八关节内，第八关节支撑板17连接第八舵机18，第八舵机18左侧连接第 八关节左端盖19，右侧转动轴通过第八关节轴承架39和第八关节滚动轴承51连 接第八关节右端盖40，第八关节左端盖19和第八关节右端盖40共同连接插头支 架41，插头支架41又与插头底座20连接；

从而整个机械臂连接成为一个整体。上述连接均通过在不同零件上均匀布置螺 纹孔，通过螺钉进行连接。

驱动部分由分布在八个关节上的八个数字舵机21、4、6、8、11、13、15、18 及机械臂内部线路组成。

控制部分由ARM集成控制器控制，通过CAN总线与驱动部分和摄像头连接， 用于检测机械臂的位置和动作并做出响应和实时调整。

地面的充电插座54通过电缆与后台管理中心连接，可提供的电压为交流220V、 交流380V和/或直流380V，充电插座54通过与充电插头对接为电动汽车52充电， 充电插座54带有防水装置并可在准备充电时和充电完毕后自动打开和关闭。

本发明的主要改进之处在于：

(1)机械臂安装在电动汽车地盘上，且可以收缩成扁平状，体积小，对整车的 影响小；

(2)机械臂通过八个关节的连接与配合，灵活性好，可以实现电动汽车在停车 位区域内自动充电；

(3)与机械臂插头对应的插座插孔设置为圆环型，保证插针无论位于平面内的 哪个方位均可正确对接，大大提到对接速度和准确性。

(4)地面只需安装插座，通过后台管理中心的统一调控，充分减小了占地面积， 且管理更加智能化。

本发明的工作原理如下：

本发明设计了一种车载自动充电机械臂，自动充电机械臂53安装在电动汽车 底盘下端。自动充电机械臂53一端固定，另一端活动。固定端通过摆臂固定板1 连接安装在电动汽车52底盘下方。另一端为充电插头，自主定位地面插座54位置。

除第一关节以外，其他所有关节的轴线彼此平行，并与第一转动关节的轴线垂 直，每个关节上各安装有一个数字舵机，驱动各关节运动部件绕轴线转动。

第一关节上的第一舵机21，通过第一关节滚动轴承44驱动第一关节运动部件 ——机械臂连接板2绕第一关节轴线转动及其之后的关节绕其轴线转动；

第二关节上的第二舵机4，通过第二关节滚动轴承45驱动第二关节运动部件 ——第二关节左端盖5、第二关节右端盖24及其之后的关节绕其轴线转动；

第三关节上的第三舵机6，通过第三关节滚动轴承46驱动第三关节运动部件 ——第三关节左端盖7、第三关节右端盖27及其之后的关节绕其轴线转动；

第四关节上的第四舵机8，通过第四关节滚动轴承47驱动第四关节运动部件 ——第四关节左端盖9、第四关节右端盖30及其之后的关节绕其轴线转动；

第五关节上的第五舵机11，通过第五关节滚动轴承48驱动第五关节运动部件 ——第五关节左端盖12、第五关节右端盖32及其之后的关节绕其轴线转动；

第六关节上的第六舵机13，通过第六关节滚动轴承49驱动第六关节运动部件 ——第六关节左端盖14、第六关节右端盖35及其之后的关节绕其轴线转动；

第七关节上的第七舵机16，通过第七关节滚动轴承50驱动第七关节运动部件 ——第七关节左端盖16、第七关节右端盖38及其之后的关节绕其轴线转动；

第八关节上的第八舵机18，通过第八关节滚动轴承51驱动第八关节运动部件 ——第八关节左端盖19、第八关节右端盖40、插头支架41及插头绕其轴线转动。

本发明设计了一种载有自动充电机械臂的电动汽车，自动充电机械臂嵌入在汽 车底盘上，非工作状态时，机械臂可收缩至扁平状态紧贴车身底盘。

本发明的工作步骤为：

(1)电动汽车停在指定停车位上；

(2)电动汽车检测内部电量，电量不足，通过车辆向车载机械臂控制器发送指 令进行动作，同时与地面插座通讯，插座盖板打开；

(3)车载机械臂通过插头一侧安装的摄像头，识别定位插座所在位置并传送到 控制器，控制器运算后向各个关节伺服舵机发送指令动作，驱动插头插进插座，插 座供电部分通电，充电开始；

(4)电动汽车检测内部电量充足，向控制器发送指令，各关节伺服舵机驱动机 械臂拔出插头，充电完毕并驱动机械臂收回至底盘下。

安装位置(安装于电动汽车中心轴线上偏左200mm)：

图7中，A为电动汽车底盘，①为机械臂第一种安装位置，机械臂有90°旋 转范围；②为机械臂第二种安装位置，机械臂有180°旋转范围。两种方案在机械 臂不工作时机械臂均平行于车辆行进方向，即与X轴平行。

Ⅰ为底盘正下方400mm×400mm理论设计机械臂应能抵达的区域范围；Ⅱ为 ①②两种安装方案除了底盘正下方400mm×400mm区域所能额外共同抵达的区域 范围；Ⅲ为第①种安装方案单独所能抵达的区域范围；Ⅳ为第②种安装方案单独所 能抵达的区域范围。

图8为第①种方案的安装空间简图，A为电动汽车地盘平面，S为地面，H点 为机械臂安装点在地面S上的投影，O点为底盘正下方400mm×400mm理论设计 机械臂应能抵达的区域范围的中点。

机械臂安装于电动汽车底盘中心轴线偏左或偏右400mm距离处，机械臂有旋 转90度范围，范围包括设计机械臂应能抵达的区域，扫描范围为图7中的扇形区 域，区域中包含了底盘正下方400mm×400mm理论设计机械臂应能抵达的正方形 区域范围。

图9为第②种方案的安装空间简图，A为电动汽车地盘平面，S为地面，H点为机械臂安装点在 地面S上的投影，O点为底盘正下方400mm×400mm理论设计机械臂应能抵达的 区域范围的中点。

机械臂安装与电动汽车底盘中心轴线处，机械臂有旋转180度范围，范围包括 设计机械臂应能抵达的区域，扫描范围为图9中的半圆形区域，区域中包含了底盘 正下方400mm×400mm理论设计机械臂应能抵达的正方形区域范围。

约束范围：

(1)关节数确定：

设第一关节长度为L₁，后面的平行关节长度依次为L₂、L₃…L_n。

底盘高度H₀在120mm～170mm，根据不同停车位置的差别，机械臂在XY平 面的活动范围应在400mm×400mm的正方形区域内，除去末端插头关节，考虑与 插座配合的弯曲，机械臂的平行关节总长度(L₂+L₃+…+L_n-1)大约为550mm～ 600mm。

因为底盘空间最小为120mm，机械臂需要弯折，形成两个机械臂厚度的叠加， 一方面由于机械臂的厚度越小越难实现，另一方面受底盘空间限制厚度也不宜大， 设计机械臂厚度为50mm～60mm，同样由于机械臂的弯折极限，每节机械臂的长 度应大于厚度，在50mm以上，即L_n﹥50mm，(n≥2)。

机械臂末端插头需要插进地面下的插座，插座的高度在20mm左右，插头部 分的高度大约为30mm，插头末端关节长度为50mm～60mm。因而加上末端关节， 机械臂的平行关节总长度(L₂+L₃+…+L_n)为600mm～660mm。

取平行关节的平均长度大约为80mm，总长度为600mm，600÷80≈7，因而 有7个平行关节，加上首关节共八个关节。

(2)关节尺寸范围：

根据机械臂设计考虑弯折，在插入插座的过程中，机械臂越到末端弯折程度越 大，因而末端插头处机械臂长度应最小，靠近末端的机械臂长度不得大于远离机械 臂末端的机械臂长度，即L_n+1≤L_n。

由上面的分析容易得到：

L₂≥L₃≥L₄≥L₅≥L₆≥L₇≥L₈；

且插头末端关节长度L₈为：50mm～60mm。

除去插座部分的六个平行关节，考虑机械臂长度，有：

L₂+L₃+L₄+L₅+L₆+L₇≈550mm～600mm；

考虑底盘高度H₀：

L₂sinθ₂＋L₃sinθ₃＋L₄sinθ₄＋L₅sinθ₅＋L₆sinθ₆+L₇sinθ₇≤120mm；

考虑XY平面极限位置：

L₂cosθ₂+L₃cosθ₃+L₄cosθ₄+L₅cosθ₅+L₆cosθ₆+L₇cosθ₇≥500mm；

考虑极限弯折的情况：

L₂+L₃≤L₅+L₆+L₇；

故而L₂长度范围为：90mm～120mm，L₃长度范围为：90mm～120mm，L₄长 度范围为：60mm～90mm，L₅长度范围为：60mm～90mm，L₆长度范围为：60mm～ 90mm，L₇长度范围为：60mm～90mm。

L₁的长度根据摆臂固定板和第一关节电机的活动空间和尺寸确定，大约为 60mm～70mm；

L₈前面已经确定为：50mm～60mm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的 修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的 保护范围应以权利要求的保护范围为准。