自動(dòng)充電機(jī)器人技術(shù)路線及發(fā)展趨勢(shì)分析

陳勃言，謝中祥，顧 峰，張傳榮，趙 佳，2

（1.寧波吉利汽車研究開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 寧波 315000；2.清華大學(xué)，北京 100084）

1 自動(dòng)充電機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

充電安全、充電時(shí)間及充電便捷性是影響充電體驗(yàn)的三大要素。隨著電動(dòng)汽車滲透率的逐年提升，消費(fèi)者對(duì)充電體驗(yàn)愈發(fā)關(guān)注。近幾年，充電安全和充電時(shí)間雖然發(fā)展較快，甚至取得了一些技術(shù)突破，但仍然無(wú)法超越加油體驗(yàn)。與傳統(tǒng)汽車能源補(bǔ)給只能去加油站不同的是，電動(dòng)汽車可以選擇在公共停車場(chǎng)、小區(qū)停車庫(kù)等場(chǎng)所進(jìn)行即時(shí)補(bǔ)能。隨著充電樁布局速度的加快，停車即可充電，甚至不停車也可充電的場(chǎng)景正逐漸從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。自動(dòng)充電機(jī)器人技術(shù)可將人力從電動(dòng)汽車的充電過(guò)程中解放出來(lái)，通過(guò)智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)充電線纜的自動(dòng)插接，成為了繼自動(dòng)駕駛技術(shù)之后的電動(dòng)汽車超越燃油汽車使用體驗(yàn)的第2條絕佳賽道。因此，特斯拉、大眾等國(guó)際知名汽車公司正積極布局相關(guān)技術(shù)。

特斯拉公司在2015年推出了一款蛇形自動(dòng)充電樁，如圖1所示。當(dāng)汽車?？吭谏咝螜C(jī)械臂附近時(shí)，系統(tǒng)接收充電信號(hào)，蛇形機(jī)械臂通過(guò)攝像頭定位到充電口的位置后引導(dǎo)蛇形機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到充電口位置處，并進(jìn)行準(zhǔn)確地自動(dòng)插接充電。

圖1 特斯拉自動(dòng)充電機(jī)器人

大眾汽車于2015年宣布名為E-Smart Connect的項(xiàng)目計(jì)劃，該項(xiàng)目至今已聯(lián)合頂級(jí)機(jī)器人公司KUKA共同開(kāi)發(fā)出了多款不同形式的自動(dòng)充電機(jī)器人，如圖2所示。

圖2 大眾自動(dòng)充電機(jī)器人

2020年底，大眾汽車發(fā)布了移動(dòng)充電概念機(jī)器人——Mobiler Laderoboter。整套自動(dòng)充電方案含一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行的機(jī)器人以及靈活的能量存儲(chǔ)設(shè)備（也可稱之為電池車，見(jiàn)圖3）。每個(gè)電池車都內(nèi)置容量為25kWh的電池組，每個(gè)充電機(jī)器人可以同時(shí)攜帶數(shù)輛電池車行進(jìn)。當(dāng)使用APP或V2X通信調(diào)用時(shí)，它能自動(dòng)將儲(chǔ)能設(shè)備帶到電動(dòng)車旁，并將兩者連接起來(lái)。儲(chǔ)能裝置集成有充電設(shè)備，可為車輛提供50kW的直流快速充電。

圖3 大眾MobilerLaderoboter自動(dòng)充電方案

國(guó)內(nèi)方面，愛(ài)馳汽車在2020年發(fā)布了CARL自動(dòng)移動(dòng)充電機(jī)器人，如圖4所示。目前提供20kWh、40kWh、60kWh這3種容量版本，可滿足不同車型充電需求。

圖4 愛(ài)馳汽車自動(dòng)充電方案

除主機(jī)廠外，國(guó)內(nèi)許多高校、科研院所也在孵化相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品，可提供電動(dòng)汽車自動(dòng)充電整體解決方案。

2 工作原理及需要突破的關(guān)鍵問(wèn)題

自動(dòng)充電機(jī)器人技術(shù)的工作原理并不復(fù)雜，一套基本的自動(dòng)充電機(jī)器人主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制算法、充電口感知系統(tǒng)及定位算法、充電槍及傳導(dǎo)充電線束3部分組成。當(dāng)車輛泊車后，充電機(jī)器人通過(guò)感知系統(tǒng)自動(dòng)定位充電口的空間位姿，機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)充電口的空間位姿坐標(biāo)自動(dòng)將充電槍頭對(duì)準(zhǔn)充電口并實(shí)施插入動(dòng)作，直至充電槍插接到位。在充電過(guò)程中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一直保持充電槍的可靠連接狀態(tài)，充滿電后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行拔槍操作，自動(dòng)充電過(guò)程結(jié)束。移動(dòng)式自動(dòng)充電機(jī)器人在基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)上增加了帶有儲(chǔ)能裝置的AGV小車，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)充電功能。

工作原理雖然簡(jiǎn)單，但在考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景之后，自動(dòng)充電機(jī)器人想要大規(guī)模普及必須要突破兩大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1）復(fù)雜環(huán)境下充電口的精確識(shí)別與定位問(wèn)題。電動(dòng)汽車?？康沫h(huán)境往往呈現(xiàn)光線不足、光照不均、背景錯(cuò)綜復(fù)雜等情況，這為基于機(jī)器視覺(jué)的充電口識(shí)別與定位帶來(lái)了挑戰(zhàn)，先進(jìn)的圖像識(shí)別與定位算法可以幫助充電機(jī)器人更快更準(zhǔn)確地找到充電座。

2）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)與插拔過(guò)程中的柔順性控制問(wèn)題。柔順作業(yè)包含兩部分內(nèi)容：運(yùn)動(dòng)過(guò)程柔順與插拔柔順。運(yùn)動(dòng)過(guò)程柔順是指機(jī)械臂在工作空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)避免運(yùn)動(dòng)軌跡的波動(dòng)；插拔柔順是指在末端執(zhí)行器與工作環(huán)境發(fā)生接觸時(shí)（進(jìn)行插拔作業(yè)）避免出現(xiàn)力的波動(dòng)。電動(dòng)汽車充電插座的安裝位置和角度各不相同，工作過(guò)程如果控制不當(dāng)，很容易造成碰撞或者充電座及充電槍非正常磨損等問(wèn)題。因此，機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順性控制技術(shù)十分關(guān)鍵，既要快速調(diào)整好姿態(tài)，又要避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)波動(dòng)。

除了技術(shù)問(wèn)題之外，自動(dòng)充電機(jī)器人的成本及可靠性問(wèn)題同樣十分關(guān)鍵。畢竟對(duì)于大眾化的產(chǎn)品而言，普通消費(fèi)者關(guān)注的還是性價(jià)比。

3 技術(shù)路線及對(duì)比分析

針對(duì)上述兩項(xiàng)亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，不同的技術(shù)路線給出了差異化的解決方案，優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析分別如表1和表2所示。

表1 充電口識(shí)別與定位技術(shù)路線分析

表2 插拔過(guò)程柔順性控制技術(shù)路線分析

根據(jù)技術(shù)黑箱理論，核心技術(shù)的發(fā)展總是從功能性技術(shù)到性能性技術(shù)再到可靠性技術(shù)。目前的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)充電的功能，許多性能性技術(shù)尚需要深入挖掘，然后突破自動(dòng)充電機(jī)器人的可靠性技術(shù)，最終形成成熟的產(chǎn)品。隨著研究的不斷深入，現(xiàn)有問(wèn)題的解決方案必將催生新的技術(shù)路線。

4 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人代替人為電動(dòng)汽車充電是已經(jīng)可以看得到摸得著的趨勢(shì)。雖然目前還沒(méi)有普及，但自動(dòng)充電的需求隨著電動(dòng)汽車的普及及消費(fèi)者對(duì)充電體驗(yàn)的提升正在慢慢發(fā)酵?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車車身充電口的設(shè)計(jì)方案還沒(méi)有擺脫加油口的思維邏輯，仍然通過(guò)機(jī)械操作打開(kāi)。未來(lái)的充電口也將實(shí)現(xiàn)智能化，可以實(shí)現(xiàn)與充電機(jī)器人的信息交互，自動(dòng)將充電口的坐標(biāo)信息發(fā)送給充電機(jī)器人。通過(guò)合作特征的加入，可以大幅度降低充電口及充電座的識(shí)別定位門檻，提升識(shí)別速度和準(zhǔn)確度，為自動(dòng)充電機(jī)器人的普及鋪平道路。自動(dòng)充電機(jī)器人通過(guò)提升充電體驗(yàn)，未來(lái)將與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)形成戰(zhàn)略互補(bǔ)力，有效促進(jìn)中國(guó)新能源汽車又好又快發(fā)展。