新能源汽車移動儲能充電機器人防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：移動儲能充電機器人使充電過程實現(xiàn)了“電找車”，方便用戶充電。現(xiàn)有的移動儲能充電機器人雖然有避障設(shè)計但外部不具有防撞組，在道路上、充電場所車輛來往較密，移動儲能充電機器人受到撞擊容易導(dǎo)致其內(nèi)部儲能電池機構(gòu)損壞，造成極大損失。本文設(shè)計了一種移動機器人及其防護裝置，就其結(jié)構(gòu)及防護原理、應(yīng)用進行了詳細(xì)分析，解決了現(xiàn)有的移動儲能充電機器人防護的問題，也可以實現(xiàn)對移動儲能充電機器人的內(nèi)部儲能機構(gòu)進行保護。

關(guān)鍵詞：移動儲能充電機器人；防護；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

當(dāng)前的充電設(shè)備，無論是有線傳導(dǎo)充電還是無線充電、換電模式等都是“車找電”。當(dāng)充電樁、換電站數(shù)量不多，不夠密集時難免會產(chǎn)生充電困難，用戶會產(chǎn)生焦慮，充電不自由依然是消費者的心結(jié)。尤其是一些老舊小區(qū)，無私家車位用戶[1]。于是為新能源汽車進行充電的充電機器人應(yīng)運而生。

近年來，國內(nèi)電動汽車充電機器人研發(fā)正處于高速發(fā)展階段。國內(nèi)及國外的企業(yè)都紛紛加入了充電機器人的研發(fā)行列，分別推出了自己的移動充電機器人，比如：福特公司建立了機器人充電示范站；EV Safe Charge 公司推出了電動汽車充電機器人Ziggy ；2022 年，紅旗研究院也推出了首款移動充電機器人等[2]。

移動充電機器人的出現(xiàn)，給擴充充電車位提供了新的解決方式。現(xiàn)有移動式電動汽車充電機器人分為帶儲能單元和不帶儲能單元兩種類型，不帶儲能單元的機器人本身沒有儲能單元，只是移動至目標(biāo)車輛，代替人工完成“摘下充電槍－將充電槍插入車輛插座－等待充電完成－拔出充電槍并將充電槍歸位”的操作步驟，可以解決充電電纜和充電槍的重量使插拔操作對力量小的人士不友好這一問題，還可以將人從繁瑣的充電操作和等待充電完成的過程中解放出來[3]。而帶儲能單元的機器人攜帶儲能單元，移動至電動汽車充電位置，直接為電動汽車充電，用戶充電不再是“車找電”，而是“電找車”。移動充電機器人是儲充一體化的“移動充電寶”，不僅可以更靈活地把電充給新能源汽車，還可以降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的難度。移動充電站和移動充電機器人體積緊湊，幾乎可以安置在任何需要的地方。

通過充電樁與充電機器人的配合，充電樁可采用相對少量的專屬車位布局，解決需要快速和大量補能車主需求，其余車輛可停放在公共車位，充電機器人主動去尋找車輛，更好利用到充電資源與車位資源，解決了用戶充電的焦慮。

1 移動充電機器人安全研究現(xiàn)狀

為了更好地服務(wù)用戶，移動機器人自身的安全也是非常重要的。安全防撞是移動機器人的重要功能之一。從現(xiàn)有的研究來看，移動充電機器人的研究主要集中在以下幾個方面。

（1）通過機械設(shè)計，提升機器人的通過性及安全性。宛俊發(fā)表的機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用模塊化的思想，設(shè)計可變彈簧用作減振功能，提升驅(qū)動輪的穩(wěn)定性和越障功能。在底盤上增加了激光和超聲波等多種傳感器，以達到導(dǎo)航和避障的功能[4]。

（2）對移動充電機器人充電、回充路徑、效率和可靠性進行研究。劉永成等的研究介紹了目前室內(nèi)移動機器人充電技術(shù)情況，重點研究了固定式充電技術(shù)、非接觸式感應(yīng)充電技術(shù)和有線取電技術(shù)，分析了應(yīng)用于機器人的充電方法及充電流程；分析了滑觸線取電、電纜卷盤取電和拖鏈線纜取電三種有線取電方式，為移動機器人智能取電設(shè)計提供了參考依據(jù)[5]。

張延年等針對移動機器人的路徑規(guī)劃問題，提出基于任務(wù)點全覆蓋的能效路徑規(guī)劃算法（FCPP 算法）。該算法兼顧了移動機器人的路徑長度和續(xù)航距離，依據(jù)任務(wù)點所在的位置，利用區(qū)域覆蓋算法構(gòu)建移動機器人的服務(wù)點，并確保每個任務(wù)點均被覆蓋；再依據(jù)這些服務(wù)點和移動機器人的始點位置，優(yōu)化移動機器人的路徑，縮短完成任務(wù)時間。仿真結(jié)果表明，執(zhí)行1 000 個任務(wù)點時，F(xiàn)CPP 算法只需5.33 s，有效地提升了執(zhí)行任務(wù)的效率[6]。

劉尚俊等針對移動充電機器人復(fù)雜路徑環(huán)境應(yīng)對進行了研究，改進灰狼算法的移動充電機器人路徑規(guī)劃。針對停車場內(nèi)復(fù)雜與隨機的障礙物環(huán)境對其路徑規(guī)劃與避障功能的更高要求，通過對傳統(tǒng)灰狼算法的改進，對停車場內(nèi)的電動汽車移動充電機器人的路徑規(guī)劃問題進行了仿真與分析[7]。

從現(xiàn)有的研究來看，對于移動機器人充電過程的安全方面研究還較少，移動機器人的安全防護按探測形式可分為非接觸式和接觸式兩種[8]。現(xiàn)有的移動儲能充電機器人通常采用環(huán)境掃描自動駕駛的非接觸方式控制移動，在研究方面主要集中在主動非接觸式安全防護的研究。雖然有避障設(shè)計，然而在道路上、充電場所車輛來往較密，并且移動儲能充電機器人造價高昂其內(nèi)部儲能電池塊造價極其昂貴，所以接觸式防護裝置也不可或缺，它不會被環(huán)境等因素干擾，當(dāng)非接觸式傳感器失靈，他會保證移動機器人不會產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞，這是保護的最后一道防線。因此，設(shè)計具有外部碰撞防護功能的移動機器人，能更有效保護充電機器人及其內(nèi)部儲能機構(gòu)的安全。

2 移動充電機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對移動充電機器人的防護問題，本文設(shè)計了一款具有防護裝置的移動充電機器人。本移動充電機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以作為現(xiàn)有的移動儲能充電機器人防護的有效補充，實現(xiàn)對移動儲能充電機器人的內(nèi)部儲能機構(gòu)進行保護。

該移動機器人即移動儲能機構(gòu)，包括充電機器人本體。在充電機器人本體的外表面開設(shè)安裝卡槽，安裝卡槽的內(nèi)部插接有安裝卡塊；安裝卡塊的表面固定連接防護板的內(nèi)表面，防護板的外表面設(shè)置有塑料板。安裝卡槽呈“凸”字形設(shè)置，安裝卡槽的表面活動連接安裝卡塊的表面，且安裝卡槽不完全貫穿于充電機器人本體（圖1）。

防護板的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，表面開設(shè)矩形凹口，矩形凹口的表面卡接夾持框的內(nèi)部，夾持框的表面開設(shè)T 型卡槽，T 型卡槽的表面卡接有T 型卡塊，T 型卡塊的表面固定連接安裝板的內(nèi)表面，安裝板的外表面設(shè)置有塑料板。

安裝板的表面固定連接彈簧安裝盒的內(nèi)表面，彈簧安裝盒的表面活動連接收縮槽的內(nèi)部，收縮槽設(shè)置在壓縮塊的內(nèi)部，彈簧安裝盒和壓縮塊之間設(shè)置有強力彈簧，壓縮塊的表面開設(shè)有插接口，插接口的表面插接有限位插接塊，限位插接塊的表面固定連接塑料板的內(nèi)表面。

夾持框的截面呈“匚”字形設(shè)置，夾持框的設(shè)置數(shù)量為兩個，且兩個夾持框沿防護板的中心點對稱設(shè)置。防護板的設(shè)置數(shù)量也為兩個，且兩個防護板沿充電機器人本體的中心點對稱設(shè)置。

3 移動充電機器人防護原理

通過在充電機器人本體的外表面開設(shè)安裝卡槽，將安裝卡塊的表面插接至安裝卡槽的內(nèi)部，從而使得防護板穩(wěn)固安裝在充電機器人本體的表面。當(dāng)向上提拉防護板時可以將其從充電機器人本體的表面拆卸下來，通過在防護板的表面設(shè)置塑料板。因此，當(dāng)充電機器人本體的表面受到碰撞時從而通過防護板和塑料板對其起到防護作用，因此對充電機器人本體內(nèi)部儲能機構(gòu)的電池塊起到保護作用。不僅解決了現(xiàn)有的移動儲能充電機器人防護的問題，也可以實現(xiàn)對移動儲能充電機器人的內(nèi)部儲能機構(gòu)進行保護。

當(dāng)充電機器人本體的表面受到碰撞時從而通過防護板和塑料板對其起到防護作用，因此對充電機器人本體內(nèi)部儲能機構(gòu)的電池塊起到保護作用。

為了實現(xiàn)可以將安裝板從充電機器人本體的表面拆卸下來，對塑料板的設(shè)計進行了修改（圖3）。

防護板的表面開設(shè)矩形凹口，矩形凹口的表面卡接夾持框的內(nèi)部，夾持框的表面開設(shè)T 型卡槽，T 型卡槽的表面卡接有T 型卡塊，T 型卡塊的表面固定連接安裝板的內(nèi)表面，安裝板的外表面設(shè)置有塑料板。當(dāng)充電機器人本體的表面遭受碰撞，導(dǎo)致塑料板損壞時，可以將安裝板8 從充電機器人本體的表面拆卸下來，對塑料板進行更換。

為了實現(xiàn)減小充電機器人本體外部受到碰撞的沖擊力，安裝板的表面固定連接彈簧安裝盒的內(nèi)表面；彈簧安裝盒的表面活動連接收縮槽的內(nèi)部；收縮槽設(shè)置在壓縮塊的內(nèi)部；彈簧安裝盒和壓縮塊之間設(shè)置有強力彈簧；壓縮塊的表面還設(shè)有插接口；插接口的表面插接有限位插接塊；限位插接塊的表面固定連接塑料板的內(nèi)表面。

通過將塑料板的內(nèi)表面固定連接限位插接塊的表面，然后將限位插接塊插接至收縮槽的表面，從而使得塑料板可以穩(wěn)固安裝在安裝板的表面；將彈簧安裝盒的表面活動連接收縮槽的內(nèi)部，然后在彈簧安裝盒和壓縮塊之間設(shè)置強力彈簧；當(dāng)塑料板的表面受到撞擊后，通過強力彈簧的彈力起到緩沖作用，從而減小充電機器人本體外部受到碰撞的沖擊力。

4 移動充電機器人防護裝置應(yīng)用

實際使用時，通過在充電機器人本體的外表面開設(shè)安裝卡槽，將安裝卡塊的表面插接至安裝卡槽的內(nèi)部，從而使得防護板穩(wěn)固安裝在充電機器人本體的表面，當(dāng)向上提拉防護板時，可以將其從充電機器人本體的表面拆卸下來。通過在防護板的表面設(shè)置圖中的塑料板，當(dāng)充電機器人本體的表面受到碰撞時，通過防護板和塑料板對其起到防護作用，同時也保護了充電機器人本體內(nèi)部儲能機構(gòu)的電池。

通過將夾持框的內(nèi)表面卡接矩形凹口的表面，然后將T 型卡塊的表面固定連接安裝板的內(nèi)壁，當(dāng)T 型卡塊插接至T 型卡槽的表面時，使夾持框穩(wěn)固夾持安裝在防護板的表面。通過在安裝板的表面設(shè)置塑料板，當(dāng)充電機器人本體的表面遭受碰撞，導(dǎo)致塑料板損壞時，可以將安裝板從充電機器人本體的表面拆卸下來對塑料板進行更換。通過將塑料板的內(nèi)表面固定連接限位插接塊的表面，然后將限位插接塊插接至收縮槽的表面，從而使得塑料板可以穩(wěn)固安裝在安裝板的表面，將彈簧安裝盒的表面連接到收縮槽的內(nèi)部，然后在彈簧安裝盒和壓縮塊之間設(shè)置強力彈簧，當(dāng)塑料板的表面受到撞擊后從而通過強力彈簧的彈力起到緩沖作用，從而減小充電機器人本體外部受到碰撞的沖擊力。

5 結(jié)束語

總的來說，通過在儲能電機器人主體上特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，加裝防護板、塑料板及強力彈簧等，使充電機器人在受到碰撞時能夠?qū)C器人主體及內(nèi)部電池塊起到保護作用，當(dāng)防護塑料板受損時可以通過可拆卸安裝板隨時進行替換。同時，通過強力彈簧布置可以減小碰撞時的沖擊力，對充電機器人起到很好的保護作用。

電動汽車充電機器人作為充電服務(wù)領(lǐng)域當(dāng)前研究應(yīng)用的熱點之一，推動了電動汽車充電方式向自動化、無人化、智能化方向發(fā)展，為充電難題的破解提供了新的解決方案。作為非接觸式安全防護的外部防撞裝置的補充，設(shè)計合理的外部防撞裝置對充電機器人的防護和安全有著非常重要的意義。

備注：本文系廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點委托專項課題《智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車研究中心》（項目編號：2022-PTW-01）；廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023 年校級科研項目《面向無人駕駛的新能源汽車充電技術(shù)研究》（項目編號：2023-ZKJ-10）。

【參考文獻】

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[8] 侯霄. 移動機器人安全防撞技術(shù)探討[J]. 電子信息，2018.12.

作者簡介：

解夢秋，碩士，講師，研究方向為新能源汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車。