陳勃言，謝中祥，顧 峰，張傳榮，趙 佳，2

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

1 自動充電機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

充電安全、充電時間及充電便捷性是影響充電體驗的三大要素。隨著電動汽車滲透率的逐年提升，消費者對充電體驗愈發(fā)關注。近幾年，充電安全和充電時間雖然發(fā)展較快，甚至取得了一些技術突破，但仍然無法超越加油體驗。與傳統(tǒng)汽車能源補給只能去加油站不同的是，電動汽車可以選擇在公共停車場、小區(qū)停車庫等場所進行即時補能。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景正逐漸從科幻走進現(xiàn)實。自動充電機器人技術可將人力從電動汽車的充電過程中解放出來，通過智能化設備實現(xiàn)充電線纜的自動插接，成為了繼自動駕駛技術之后的電動汽車超越燃油汽車使用體驗的第2條絕佳賽道。因此，特斯拉、大眾等國際知名汽車公司正積極布局相關技術。

特斯拉公司在2015年推出了一款蛇形自動充電樁，如圖1所示。當汽車?？吭谏咝螜C械臂附近時，系統(tǒng)接收充電信號，蛇形機械臂通過攝像頭定位到充電口的位置后引導蛇形機械臂運動到充電口位置處，并進行準確地自動插接充電。

圖1 特斯拉自動充電機器人

大眾汽車于2015年宣布名為E-Smart Connect的項目計劃，該項目至今已聯(lián)合頂級機器人公司KUKA共同開發(fā)出了多款不同形式的自動充電機器人，如圖2所示。

圖2 大眾自動充電機器人

2020年底，大眾汽車發(fā)布了移動充電概念機器人——Mobiler Laderoboter。整套自動充電方案含一個自動運行的機器人以及靈活的能量存儲設備（也可稱之為電池車，見圖3）。每個電池車都內(nèi)置容量為25kWh的電池組，每個充電機器人可以同時攜帶數(shù)輛電池車行進。當使用APP或V2X通信調(diào)用時，它能自動將儲能設備帶到電動車旁，并將兩者連接起來。儲能裝置集成有充電設備，可為車輛提供50kW的直流快速充電。

圖3 大眾MobilerLaderoboter自動充電方案

國內(nèi)方面，愛馳汽車在2020年發(fā)布了CARL自動移動充電機器人，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 愛馳汽車自動充電方案

除主機廠外，國內(nèi)許多高校、科研院所也在孵化相關技術及產(chǎn)品，可提供電動汽車自動充電整體解決方案。

2 工作原理及需要突破的關鍵問題

自動充電機器人技術的工作原理并不復雜，一套基本的自動充電機器人主要由機械運動機構及運動控制算法、充電口感知系統(tǒng)及定位算法、充電槍及傳導充電線束3部分組成。當車輛泊車后，充電機器人通過感知系統(tǒng)自動定位充電口的空間位姿，機械運動機構根據(jù)充電口的空間位姿坐標自動將充電槍頭對準充電口并實施插入動作，直至充電槍插接到位。在充電過程中，機械運動機構一直保持充電槍的可靠連接狀態(tài)，充滿電后，運動機構自動進行拔槍操作，自動充電過程結束。移動式自動充電機器人在基礎機構上增加了帶有儲能裝置的AGV小車，從而實現(xiàn)移動充電功能。

工作原理雖然簡單，但在考慮到實際應用場景之后，自動充電機器人想要大規(guī)模普及必須要突破兩大關鍵技術問題。

1）復雜環(huán)境下充電口的精確識別與定位問題。電動汽車?？康沫h(huán)境往往呈現(xiàn)光線不足、光照不均、背景錯綜復雜等情況，這為基于機器視覺的充電口識別與定位帶來了挑戰(zhàn)，先進的圖像識別與定位算法可以幫助充電機器人更快更準確地找到充電座。

2）機械臂運動與插拔過程中的柔順性控制問題。柔順作業(yè)包含兩部分內(nèi)容：運動過程柔順與插拔柔順。運動過程柔順是指機械臂在工作空間內(nèi)進行作業(yè)時避免運動軌跡的波動；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（進行插拔作業(yè)）避免出現(xiàn)力的波動。電動汽車充電插座的安裝位置和角度各不相同，工作過程如果控制不當，很容易造成碰撞或者充電座及充電槍非正常磨損等問題。因此，機械運動機構的柔順性控制技術十分關鍵，既要快速調(diào)整好姿態(tài)，又要避免運動過程出現(xiàn)波動。

除了技術問題之外，自動充電機器人的成本及可靠性問題同樣十分關鍵。畢竟對于大眾化的產(chǎn)品而言，普通消費者關注的還是性價比。

3 技術路線及對比分析

針對上述兩項亟需突破的關鍵技術問題，不同的技術路線給出了差異化的解決方案，優(yōu)劣勢對比分析分別如表1和表2所示。

表1 充電口識別與定位技術路線分析

表2 插拔過程柔順性控制技術路線分析

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

4 發(fā)展趨勢

機器人代替人為電動汽車充電是已經(jīng)可以看得到摸得著的趨勢。雖然目前還沒有普及，但自動充電的需求隨著電動汽車的普及及消費者對充電體驗的提升正在慢慢發(fā)酵?，F(xiàn)階段，電動汽車車身充電口的設計方案還沒有擺脫加油口的思維邏輯，仍然通過機械操作打開。未來的充電口也將實現(xiàn)智能化，可以實現(xiàn)與充電機器人的信息交互，自動將充電口的坐標信息發(fā)送給充電機器人。通過合作特征的加入，可以大幅度降低充電口及充電座的識別定位門檻，提升識別速度和準確度，為自動充電機器人的普及鋪平道路。自動充電機器人通過提升充電體驗，未來將與電動汽車產(chǎn)業(yè)形成戰(zhàn)略互補力，有效促進中國新能源汽車又好又快發(fā)展。