智慧加油機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王順江,閆德林,唐 泓,王任翔,郭子瑄,劉嘉宇

(中國石化銷售股份有限公司北京石油分公司,北京 102413)

0 前言

隨著科技的迅速發(fā)展,以人為主導(dǎo)的傳統(tǒng)加油站正在逐步向智慧化、自動化轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)加油站有兩種加油模式:專職加油員加油和自助加油。我國加油站大量采用專職加油員加油模式,這種模式下,加油站人力成本高,加油員勞動強度大,易受揮發(fā)性有機油料的侵害,嚴(yán)冬酷暑時工作環(huán)境惡劣;自助加油將加油員的工作轉(zhuǎn)嫁給駕駛員,多在國外應(yīng)用。為減少人的參與,智慧油站逐步投入使用,利用先進的信息技術(shù)和設(shè)備,實現(xiàn)自動化加油及智能化管理。

隨著自動化、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷突破,智慧加油機器人的落地成為推動加油站智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。它們能自動識別車輛、定位油箱口、完成加油過程,在該過程中還可以與駕駛員進行交互,使駕駛員無需下車即可順利完成下單、加油、付款的全流程。智慧加油機器人的應(yīng)用可以提高加油的準(zhǔn)確性和便捷性,同時極大地減輕加油員的勞動強度,并優(yōu)化駕駛員的加油體驗,將成為未來加油站的發(fā)展趨勢。

1 加油機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外加油機器人發(fā)展現(xiàn)狀

國外早在20世紀(jì)60年代已開始研究加油機器人,最早的自動加油機誕生于1963年[1],該系統(tǒng)通過地面凹槽控制車輛停放位置,而后移動定位板直至觸碰到汽車前輪,此時油槍與油口對齊即可開始加油,但該系統(tǒng)依賴專用油箱口,只能完成對特定車輛的加油。1968年,Amoco公司[2]獲取了機器人構(gòu)型的專利,其采用龍門式結(jié)構(gòu)引導(dǎo)車輛到固定位置,加油機構(gòu)按設(shè)定流程進行加油。1972年該公司又設(shè)計了一種立柱式結(jié)構(gòu)的加油機器人,便于在地面安裝[3]。1995年Reis公司和Fraunhofer IPA[4]研制的機器人應(yīng)用了傳感器以提高定位精度。該機器人使用激光傳感器探測汽車的位置并監(jiān)控加油進程;通過車輛上的信號發(fā)生器獲取車型、油口位置、油品等信息;機械臂按照規(guī)劃軌跡伸出,通過其上安置的攝像機識別油箱口上的反射標(biāo)記,進而打開油箱口并進行加油。在整個加油過程中,有3個紅外傳感器檢測末端執(zhí)行器的位置。該機器人需要對汽車進行改造且控制精度不高,因此未能大規(guī)模推廣。2008年,荷蘭Rotec Engineering公司[5]推出的Tankpit-stop加油機器人支持在汽車不做改造的條件下,使用傳統(tǒng)油槍完成自動加油。該機器人利用手爪及吸盤打開油箱蓋,并插入油槍進行加油,整體流程與人操作無異。這種機器人不需要改造,但難以覆蓋不同車型且運動規(guī)劃控制較為復(fù)雜,也無法廣泛推廣。2013年,美國Husky與Fuelmatics 兩家公司[6]推出了采用云臺式結(jié)構(gòu)的加油機器人,其使用專用油槍及專用無蓋油口,加油時間比人工時間縮短30%,證明了推廣加油機器人的可行性。

1.2 國內(nèi)加油機器人發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對加油機器人的研究起步較晚,目前較多停留在理論研究階段,投入使用的較少。2004年,劉玉芝,等[7]設(shè)計了四自由度的加油機器人,并進行了運動學(xué)求解,就此開啟了國內(nèi)對加油機器人的研究。閻思達,等[8]設(shè)計了一種六自由度懸臂式加油機器人,其油管和電纜從中空的手臂和手腕中通過,解決了防爆的問題。劉慶明,等[9]設(shè)計了采用防爆伺服電機驅(qū)動并且油路內(nèi)置的機器人,解決了機器人關(guān)節(jié)受阻和油管腐蝕的問題。石文凱,等[10]通過車型數(shù)據(jù)設(shè)計了加油機器人的安裝布局,并研究了機械臂的幾何參數(shù),為機器人投入使用打下了基礎(chǔ)。

除了對機器人整體設(shè)計的研究外,還有學(xué)者對末端執(zhí)行器進行了研究。董志強[11]設(shè)計了一款自動加油槍,其改造了油氣回收結(jié)構(gòu)以適用機器人操作空間并設(shè)計了油路切換機構(gòu)滿足一把油槍加不同油品的需求。張雅麗,等[12]設(shè)計了一款復(fù)合式末端執(zhí)行器,該機械結(jié)構(gòu)運動靈活,抓取、吸附、旋轉(zhuǎn)等運動功能良好,能夠自主開關(guān)油箱口及內(nèi)蓋,并手持油槍加油。馬智[13]則把研究重點放在了汽車油箱蓋的位姿識別上,他提出了基于雙目視覺的無人加油機器人方案,能夠完成油箱內(nèi)外蓋的識別,避免激光雷達和深度攝像頭的使用,可以降低設(shè)備成本。

阿里巴巴于2018年在杭州推出智能加油站,該加油站支持車牌識別、機器人加油、支付寶付款等功能。2021年中國石化推出了一款智慧加油機器人。車主在APP 內(nèi)下單,機器人識別油箱蓋,然后使用機械臂打開油箱蓋自動進行加油,加油完成后,機器人會自動蓋好油箱蓋。同年,中國石油開發(fā)的加油機器人也在鄭州投入使用,該機器人國產(chǎn)化率達到了93%[14]。

2 智慧加油機器人的關(guān)鍵技術(shù)

在智慧加油機器人實際應(yīng)用過程中,面臨著機械結(jié)構(gòu)、安全防護、加注接口、識別定位等技術(shù)難點,隨著科技的發(fā)展,已經(jīng)逐步解決。機器人的加油流程如圖1所示,上述技術(shù)問題與每一步操作都息息相關(guān)。

圖1 智慧加油機器人操作流程

2.1 機械結(jié)構(gòu)

機械臂是加油機器人的核心部件,可以實現(xiàn)油槍的精準(zhǔn)移動、定位和加油作業(yè)。常見的結(jié)構(gòu)有龍門式、地面導(dǎo)軌式、關(guān)節(jié)型以及對其優(yōu)化得到的非正交姿態(tài)型[15],其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的加油機器人結(jié)構(gòu)示意

龍門式和地面導(dǎo)軌式機器人的前3個關(guān)節(jié)軸線像直角坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸一樣互相垂直,又稱為直角坐標(biāo)型機器人。前者懸掛于高架上,工作范圍較大,能夠覆蓋到不同位置的汽車油箱口,但作業(yè)速度慢、效率低;后者對其進行了優(yōu)化,安裝于地面導(dǎo)軌上,減小了尺寸并提高了工作效率,但相應(yīng)帶來的問題是工作空間較小,只能為單側(cè)油箱蓋加油。相較于直角坐標(biāo)型機器人,關(guān)節(jié)型加油機人采用多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),靈活度大大提升,而且體積較小;為進一步減小尺寸,Becchi,等[16]設(shè)計了非正交姿態(tài)型機器人,但帶來了末端存在不可達盲區(qū)的問題。

根據(jù)蔡紅璞和楊國永的研究[17],目前推薦加油機器人工作半徑要達到1～1.5 m,有效工作載荷大于10 kg,重復(fù)性誤差小于±1 mm,關(guān)節(jié)活動范圍達到±360°,移動速度達到 1 m/s 以上。以上幾種不同結(jié)構(gòu)的機器人設(shè)計為部署到不同加油站提供了可能。

2.2 安全防護

加油機器人除了要考慮機械結(jié)構(gòu)的靈活性、便利性外,安全性也是一個重點研究方向,主要包括環(huán)境安全及人員安全。

從機器人自身角度而言,為了在室外環(huán)境正常工作,需要做到防爆、防塵、防水?？紤]到加油站作業(yè)區(qū)易燃易爆的特殊性,防爆是投入使用前必須達到的標(biāo)準(zhǔn)。針對加油時有限的操作空間,在加油機器人的控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置多重安全保護,以避免機器人自身以及與汽車的碰撞損傷。傳感器是其中不可或缺的部分,通過實時監(jiān)測加油過程中的油量、與車身接觸的壓力等,從而實現(xiàn)自動化控制、智能化監(jiān)測等功能。

人員安全主要是保證無人靠近機器人,通常可在機器人工作范圍設(shè)立圍擋,確保沒有無關(guān)人員進入場地,但加油時駕駛員和工作人員均頻繁穿梭其中,該方案無法實施。因此需要考慮加強機器人的安全系統(tǒng)以及在油站現(xiàn)場設(shè)置安全防護措施。對機器人而言,主要有被動安全和主動安全兩種系統(tǒng)。前者不主動檢測工作范圍內(nèi)障礙,直到發(fā)生碰撞時主動停止工作;后者主動檢測工作范圍內(nèi)的障礙,主要策略有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)傳感器和機器人本身的傳感器檢測反饋,工業(yè)傳感器如以光幕警示替代傳統(tǒng)的物理圍擋,機器人自身傳感器如電容式機器人皮膚,識別機器人周圍小范圍(0～20 cm)內(nèi)的電場變化以檢測人的存在[18]。

此外,在加油站內(nèi)也需要設(shè)置相應(yīng)的安全設(shè)施,例如實時監(jiān)控系統(tǒng)、急停按鈕、火焰探測報警設(shè)備、自動滅火系統(tǒng)等,以應(yīng)對突發(fā)情況降低損失。

2.3 加注接口

加注接口是加油機器人和汽車相互作用的部分,包括汽車上的油箱內(nèi)外蓋和油箱口及連接加油機的加油槍和輸油管。加注接口分為傳統(tǒng)加注接口及機器人專用加注接口。

使用傳統(tǒng)加注接口加油,即無需對加油站及待加油車輛進行改造,直接將機器人安裝于加油機旁,使用油站已有設(shè)備對車輛加油。由于車輛油箱設(shè)計不同,采用這種方式需要兼容不同車型,既要準(zhǔn)確識別并規(guī)劃運動路徑,又要有靈活的機械結(jié)構(gòu)并能夠精準(zhǔn)執(zhí)行。張雅麗,等[12]設(shè)計的復(fù)合式末端應(yīng)用于此類場景,其使用了吸盤和夾爪用于開關(guān)汽車油箱,手型結(jié)構(gòu)用于操作油槍,包括固定油槍及扣動扳手。

使用專用加注接口需要對車輛及加油站進行改造,改造成本較高,但可以適配不同的車型,統(tǒng)一交互接口也有助于提升機器人的工作效率。Becchi,等[16]設(shè)計的油箱口使用彈簧裝置,依靠油槍打開,當(dāng)油槍拔出時即自動關(guān)閉,可以省去開關(guān)油箱蓋的動作,降低運動控制難度并提高工作效率。董志強[11]分別設(shè)計了油槍及油箱內(nèi)蓋,油槍使用單向閥利用壓力差切換不同油路,避免了切換不同油品時機器人主動更換油槍的操作,其使用的油氣分離機構(gòu)保證了正常跳槍,并將目前的手動開關(guān)進行改造,使用氣動推動實現(xiàn)加油;油箱內(nèi)蓋包括密封殼、密封圈、下連接殼、內(nèi)側(cè)密封蓋、外部密封蓋、識別標(biāo)志點等,依靠外力壓縮彈簧控制油箱開關(guān),標(biāo)志點用于油箱口的識別定位[19]。

2.4 識別定位

加油機器人需要定位車輛位置并精確識別油箱的位姿以便后續(xù)操作,識別的精確程度直接決定了能否順利完成加油流程。

早期加油機器人多使用機械裝置限定汽車停放位置,從而按照既定流程進行加油作業(yè);后續(xù)使用了RFID(無線射頻識別,Radio Frequency Identification)技術(shù)與距離傳感器配合定位,RFID提供油箱口相對位置、車輛類型等數(shù)據(jù),距離傳感器探測車輛位置,從而計算出油箱位置完成加油流程,但該方法要求車輛安裝RFID標(biāo)簽,通用性較差。

目前多使用機器人視覺獲取圖像計算位姿,從而實現(xiàn)機器人控制。Farag,等[20]構(gòu)建了一種基于單目視覺的定位識別系統(tǒng),其使用一臺CCD相機拍攝油箱蓋上安裝的圓形標(biāo)記物完成識別與定位。董霞,等[21]提出了采集圖像與模板匹配計算加油口位姿的方法,該方法可以快速準(zhǔn)確識別,但需要依賴制定好的模板。馬智[13]使用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Faster-RCNN模型完成油箱外蓋識別,又根據(jù)油箱外蓋的特征提出了一套基于橢圓檢測的油箱蓋圓心確定方案,此外還利用雙目視覺 SGBM 及 AD-Census 立體匹配算法算出油箱蓋的位姿,其一系列研究已可以支撐起完整的加油流程。

3 智慧加油機器人的未來展望

基于以上研究,智慧加油機器人的實現(xiàn)已逐步成為可能,但距離其投入實際使用,仍有較多細(xì)節(jié)問題需進一步研究。

a) 在已有條件下,加油機器人車型適配度不夠完善,難以支持對所有車輛完成加油。國內(nèi)車輛品牌、車型較多,車輛油箱蓋位置及開蓋方式不統(tǒng)一,機器人需要有不同車型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的策略,才能達到真正不需要人工輔助的目標(biāo)。在具體應(yīng)用上,對汽車油箱蓋不同的情況,需要提高智能化識別與定位精度,并從軟硬件兩方面解決不同光線下識別定位不準(zhǔn)確的問題;針對車輛油箱蓋開蓋方式多樣的問題,未來要自主研發(fā)多功能執(zhí)行單元,適應(yīng)不用車型的加油需求;針對油箱蓋與車身之間有連接繩的問題,機器人自動加油時需解決擰開油箱蓋和拾取油槍動作之間的矛盾。

b) 安全問題,既包括了機器人工作安全,也包括平臺軟件數(shù)據(jù)安全。加油站環(huán)境下,需要機器人達到防爆標(biāo)準(zhǔn)。在達到防爆標(biāo)準(zhǔn)條件下,如何降低機器人重量、提高機器人靈活性、穩(wěn)定性是未來仍需解決的問題。除此之外,在人員往來頻繁的加油站,機器人要避免與人碰撞,應(yīng)針對材料選用、柔順機構(gòu)設(shè)計、無碰撞軌跡規(guī)劃、柔順控制、觸覺傳感器和智能視覺監(jiān)控等理論和技術(shù)進行研究。就平臺而言,控制機器人的APP和機器人本身,都可能成為被攻擊的點。其使用的互聯(lián)網(wǎng)公開平臺,存在客戶私人信息、后臺數(shù)據(jù)庫信息泄漏風(fēng)險。更有甚者,若油站管理后臺連接無線網(wǎng)絡(luò),對于加油站內(nèi)的油機、油罐等設(shè)備設(shè)施來說也會增加潛在風(fēng)險。未來正式投入應(yīng)用后,應(yīng)定期對加油站進行風(fēng)險評估和安全測試。