電動(dòng)汽車自動(dòng)充電連接器柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

摘要： 為在低精度條件下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)器人連接器對(duì)接，設(shè)計(jì)了具有4自由度的連接器柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)。通過公差分析，確定了該柔性機(jī)構(gòu)滿足定位偏差為10 mm，角度偏差為5°時(shí)應(yīng)達(dá)到的活動(dòng)范圍的要求。通過受力分析，明確了減小插拔力的設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整方向。通過對(duì)接仿真分析和實(shí)際插拔力測(cè)試，證明其插拔力滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于140 N的要求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 自動(dòng)充電 柔性機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240211

Research on Flexible Jointing Mechanism Design of Electric Vehicle Auto Charging Connector

Liu Weiqiang， Hu Xiaokang， Xu Lixiong， Cai Xianyi

（Guochuang Mobile Energy Innovation Center （Jiangsu） Co.， Ltd.， Changzhou 213167）

Abstract： In order to achieve the connectors docking of automatic charging robots for elevtric vehicles under Low-precision conditions， a connector flexible docking mechanism with 4 degrees of freedom has been designed. Through tolerance analysis， the flexible mechanism can satisfy the requirement of operation range when the positioning deviation is 10 mm and angle deviation is 5°. Force analysis determines the adjustement of design parameters to reduce insertion and extraction force. Simulation analysis and actual experiment prove that the insertion and extraction force is under 140 N which satisfies the requirement specified by standard.

Key words： Electric vehicle， Auto charging， Flexible mechanism

1 前言

電動(dòng)汽車自動(dòng)充電相較于人工充電有較大優(yōu)勢(shì)：在舒適性方面，由于槍線較重，自動(dòng)充電機(jī)器人減輕了人在充電過程中的費(fèi)力動(dòng)作；在安全方面，自動(dòng)充電機(jī)器人將人與高壓大電流設(shè)備完全隔離；在自動(dòng)駕駛方面，自動(dòng)充電機(jī)器人使自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)完整閉環(huán)?，F(xiàn)有的充電機(jī)器人通常采用高精度的視覺定位系統(tǒng)[1-4]，搭配高精度的協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電，但成本較高。另一種技術(shù)路線采用低成本、低精度的定位系統(tǒng)[5-7]，如采用超聲波定位系統(tǒng)，搭配連接器柔性機(jī)構(gòu)[8]實(shí)現(xiàn)對(duì)接，但在充電對(duì)接過程中，難以補(bǔ)償該類型定位系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

機(jī)械臂剛度較高，采用視覺等高精度定位方案也會(huì)存在輕微定位偏移，對(duì)接動(dòng)作往往會(huì)帶來(lái)連接器的非正常磨損。通過柔性機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，可減輕連接器的磨損，大幅提高自動(dòng)充電的可靠性。現(xiàn)有的柔性機(jī)構(gòu)主要以力及力矩反饋的方式實(shí)現(xiàn)[3，8-9]，通過安裝在連接器后的六維力傳感器推斷連接器間碰撞的狀態(tài)，通過反饋控制，對(duì)機(jī)械臂發(fā)送指令，控制機(jī)械臂避開碰撞位姿實(shí)現(xiàn)最終對(duì)接。此類方案的缺點(diǎn)是傳感器價(jià)格昂貴、控制方法復(fù)雜、開發(fā)困難、整體成本較高。

為解決上述問題，提出了被動(dòng)式柔性機(jī)構(gòu)方案，依靠柔性機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償功能，補(bǔ)償超聲波等低精度定位系統(tǒng)引入的誤差，從而在降低自動(dòng)充電方案成本的同時(shí)，降低硬插拔對(duì)車輛充電口的磨損。

本文通過分析機(jī)構(gòu)的尺寸鏈，設(shè)計(jì)滿足容差范圍要求的柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)，通過剛體受力分析獲得減小對(duì)接插拔力的方法，通過Solidworks Motion進(jìn)行受力和活動(dòng)范圍的仿真驗(yàn)證，并制作樣件開展活動(dòng)范圍及插拔力的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 連接器柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)方式及其對(duì)應(yīng)要求

本文提出的自動(dòng)充電柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)依靠帶導(dǎo)向的連接器與柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)配合完成柔性對(duì)接。如圖1所示，設(shè)計(jì)了專用的帶導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的連接器，以引導(dǎo)連接器逐漸進(jìn)入正確的姿態(tài)，從而完成最終對(duì)接。導(dǎo)向斜面可設(shè)計(jì)為分段斜面，更方便實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)接。

在連接器公頭后方，安裝如圖2所示的柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)。

本文的柔性機(jī)構(gòu)主要由水平移動(dòng)滑臺(tái)、豎直移動(dòng)滑臺(tái)、萬(wàn)向節(jié)組成：水平移動(dòng)滑臺(tái)安裝在機(jī)械臂上；豎直移動(dòng)滑臺(tái)安裝在水平移動(dòng)滑臺(tái)上，可相對(duì)于水平移動(dòng)滑臺(tái)作水平移動(dòng)；萬(wàn)向節(jié)安裝在豎直移動(dòng)滑臺(tái)上，可相對(duì)于豎直移動(dòng)滑臺(tái)作豎直移動(dòng)。連接器公頭安裝在萬(wàn)向節(jié)另一端，可沿偏航角（圖2中沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向）和俯仰角（圖2中沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向）方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所有移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副均通過彈簧來(lái)保證對(duì)中，具體結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)[10]。連接器公頭可通過柔性機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)械臂產(chǎn)生錯(cuò)位，最終適應(yīng)充電座實(shí)際位置，完成對(duì)接。

萬(wàn)向節(jié)、水平移動(dòng)滑臺(tái)和豎直移動(dòng)滑臺(tái)均采用中空式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使連接器的導(dǎo)線可以從柔性機(jī)構(gòu)的背部穿出。

現(xiàn)有低精度定位技術(shù)對(duì)充電口的定位精度一般為±10 mm[11-16]。根據(jù)GB/T 20234.1—2023《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分：通用要求》規(guī)定，直流充電連接器最大插拔力為140 N。

根據(jù)相關(guān)汽車停車位置模擬，車輛停車偏航角度誤差一般為±5°。同時(shí)，不同車型充電口俯仰角度大多分布在±5°的區(qū)間內(nèi)。綜合考慮，將容許的柔性機(jī)構(gòu)補(bǔ)償角度設(shè)為偏航角±5°、俯仰角±5°。

2.2 柔性機(jī)構(gòu)尺寸鏈分析

機(jī)構(gòu)需要補(bǔ)償定位帶來(lái)的偏差、機(jī)械臂定位誤差、柔性機(jī)構(gòu)自身制造誤差等，因此，需建立尺寸鏈進(jìn)行分析，以確定該機(jī)構(gòu)水平滑動(dòng)及豎直滑動(dòng)需滿足的距離要求。最終建立如圖3所示的尺寸鏈，該尺寸鏈建立于機(jī)械臂處于預(yù)對(duì)接姿態(tài)時(shí)的狀態(tài)。

圖3中：A為萬(wàn)向節(jié)目標(biāo)位置，位于機(jī)械臂通過定位系統(tǒng)測(cè)得的槍座開口位置的正前方，即最終對(duì)接前機(jī)械臂需使萬(wàn)向節(jié)移動(dòng)到的位置；B為超聲波探頭測(cè)得的充電座中心；C為實(shí)際車端充電座中心；D為機(jī)械臂坐標(biāo)中心；E為柔性機(jī)構(gòu)底座中心；F為柔性機(jī)構(gòu)萬(wàn)向節(jié)中心實(shí)際位置。

根據(jù)定位測(cè)量誤差、機(jī)加工精度和機(jī)械臂精度等，得到各尺寸的公差值，如表1所示。

尺寸AB的最大偏差ΔAB由超聲波角度測(cè)量誤差引起，計(jì)算如下：

式中：ΔAB為萬(wàn)向節(jié)目標(biāo)位置到測(cè)量的充電座中心的最大偏差，ΔBC為測(cè)量的充電座中心到實(shí)際車端充電座中心的最大偏差，ΔCD為實(shí)際充電座中心到機(jī)械臂坐標(biāo)中心的最大偏差，ΔDE為機(jī)械臂坐標(biāo)中心到柔性底座中心的最大偏差，ΔEF為柔性底座中心到萬(wàn)向節(jié)實(shí)際位置的最大偏差，ΔAF為極值法計(jì)算出的柔性機(jī)構(gòu)需補(bǔ)償?shù)钠揭普`差絕對(duì)值，ΔAF'為統(tǒng)計(jì)法計(jì)算出的柔性機(jī)構(gòu)需補(bǔ)償?shù)钠揭普`差絕對(duì)值。

為達(dá)到最好的使用效果，本方案中的水平或豎直滑動(dòng)距離以極值法計(jì)算的結(jié)果ΔAF為準(zhǔn)，滑動(dòng)距離設(shè)定為±19.5 mm。

3 受力模型建立

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，直流充電連接器插拔力需小于140 N，為此，建立該機(jī)構(gòu)受力模型，主要分析存在水平位置偏差及偏航角的情況下的連接器及柔性機(jī)構(gòu)受力，以分析影響受力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，豎直方向同理。

由于本結(jié)構(gòu)方案涉及靜力及摩擦，存在接觸面多次變換、材料屬性各不一致和最大接觸力發(fā)生時(shí)連接器相對(duì)狀態(tài)難以確定的問題，因此，上述理論計(jì)算作為設(shè)計(jì)參考，難以定量計(jì)算。為獲取較為準(zhǔn)確的結(jié)果，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需進(jìn)行仿真計(jì)算。

4 仿真分析

采用Solidworks Motion對(duì)柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析，主要分析連接器在對(duì)接前存在偏航角、俯仰角以及上、下、左、右偏位的情況下，插拔力是否超過標(biāo)準(zhǔn)容許值、機(jī)構(gòu)活動(dòng)范圍是否超過最大容許活動(dòng)量。另外，根據(jù)仿真情況，優(yōu)化連接器導(dǎo)向口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等參數(shù)，以盡量減少柔性對(duì)接帶來(lái)的額外插拔力。需優(yōu)化的參數(shù)包括導(dǎo)向斜面角度、導(dǎo)向口分段數(shù)、連接器前端圓角，以及柔性機(jī)構(gòu)水平方向、豎直方向和萬(wàn)向節(jié)處的支撐彈簧彈性系數(shù)等，模型如圖7所示。

該仿真模型在對(duì)應(yīng)接觸面設(shè)置接觸對(duì)，設(shè)置摩擦因數(shù)為0.25、槍頭運(yùn)動(dòng)速度為10 mm/s。

經(jīng)過多輪優(yōu)化，選取了合適的導(dǎo)向口引導(dǎo)角度及分段數(shù)等，最終仿真結(jié)果顯示，在圖2所示的坐標(biāo)系下，充電座在水平方向偏差為+10 mm、充電口偏航角為-5°的情況下，即圖3中萬(wàn)向節(jié)目標(biāo)位置A到實(shí)際車端充電座中心C的偏差在水平方向上最大時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)對(duì)接。對(duì)接后狀態(tài)如圖8所示。

在如圖8所示的仿真工況下，柔性機(jī)構(gòu)水平方向彈簧變形量及峰值推力如圖9所示。由圖9可知，豎直滑臺(tái)基座相對(duì)于水平滑臺(tái)的最大移動(dòng)量為15.36 mm，機(jī)構(gòu)允許的位移量為19.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，軸向推力峰值為93 N，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對(duì)接力的要求。

豎直方向充電座偏差+10 mm、俯仰角偏差+5°的情況下，即圖3中A萬(wàn)向節(jié)目標(biāo)位置到C實(shí)際車端充電座中心位置偏差在豎直方向上最大時(shí)，連接器同樣可順利對(duì)接，如圖10所示。

為盡量覆蓋極端工況，對(duì)插拔力的仿真設(shè)置了相應(yīng)的對(duì)照組。超聲波定位誤差在圖2所示的XOY平面上呈近似圓形分布，為軸對(duì)稱區(qū)域，可認(rèn)為其受力工況也呈對(duì)稱分布。假設(shè)O為充電座中心位置，可截取其槍頭相對(duì)于充電座處于XOY平面第一象限時(shí)的對(duì)接受力工況，代替整個(gè)圓形誤差范圍內(nèi)的受力工況。

分析可知，圖3中萬(wàn)向節(jié)目標(biāo)位置A與實(shí)際車端充電座中心C偏差越大，則槍座與槍頭位置偏差越大，更容易卡死。由于超聲波測(cè)量誤差在XOY平面上近似圓形分布，呈中心對(duì)稱狀態(tài)，因此，可認(rèn)為位置A和位置C沿坐標(biāo)軸存在最大偏差的工況為惡劣工況。比如，工況1，槍頭在水平方向（y方向）偏移+10 mm、偏航-5°（Rx方向），或工況2，槍頭在豎直方向（x方向）偏移+10 mm、俯仰+5°（Ry方向），機(jī)構(gòu)處于惡劣工況。更極端地，在工況1下槍頭俯仰+5°，或在工況2下增加偏航角-5°，使機(jī)構(gòu)處于更惡劣工況。最極端地，水平、豎直方向均偏移+10 mm、俯仰+5°、偏航-5°，達(dá)到最極端的工況。

最終整理的插拔力仿真分析結(jié)果如表2所示。

從以上仿真結(jié)果可以看出，插拔力隨槍頭與槍座間偏距和偏角的增大有增大的趨勢(shì)，但并未呈嚴(yán)格的比例關(guān)系。推測(cè)原因?yàn)闃岊^與槍座對(duì)接過程中，接觸面、接觸角度、受力角度多次變換，各工況均不同。機(jī)構(gòu)水平及豎直方向上容許的位移量在存在10 mm定位偏差、5°角度偏差時(shí)仍滿足對(duì)接范圍的要求，同時(shí)其插拔力均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中小于140 N的要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)能否真正實(shí)現(xiàn)對(duì)接，搭建了柔性機(jī)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)，如圖12所示。

測(cè)試平臺(tái)主要分為連接器公端和母端。公端可沿直線前后移動(dòng)。母端相對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)底部可調(diào)整水平位置、上下位置、偏航角及俯仰角。在公端移動(dòng)部分尾端裝有拉壓力傳感器，用于測(cè)量插拔力。

試驗(yàn)采用多次測(cè)量求平均值的方式，每個(gè)位姿測(cè)10次取平均值。試驗(yàn)組的偏角及偏距的設(shè)置與仿真分析的偏角偏距一致，以便比較兩者結(jié)果的差異，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表2與表3的結(jié)果顯示，剛體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.1—2023關(guān)于直流充電連接器插拔力不大于140 N的要求，兩者之間存在一些誤差，在偏航+5°，且左、右偏距+10 mm工況下差異為34.8%，在俯仰+5°，且上、下偏距+10 mm工況下差異為33.9%。造成差異的原因主要有連接器制造誤差、摩擦因數(shù)、彈性塑性接觸材料設(shè)置與實(shí)際的差異等。偏距、偏角增大的情況下，整體插拔力增大，但不嚴(yán)格按比例增加，與仿真結(jié)果相似。

試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，槍頭與槍座存在各種位置角度偏差時(shí)，機(jī)構(gòu)允許的槍頭最大位移量滿足使用工況要求，未出現(xiàn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部干涉現(xiàn)象。

該柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)存在尺寸過大，甚至遠(yuǎn)大于槍頭的缺點(diǎn)，因此，有待進(jìn)一步改進(jìn)。后續(xù)可考慮將對(duì)應(yīng)滑塊兩端的彈簧相互錯(cuò)開不共軸，使彈簧行程部分重疊，從而縮小機(jī)構(gòu)尺寸，或采用拉繩和滑輪轉(zhuǎn)變彈簧拉動(dòng)方向的方式縮小機(jī)構(gòu)尺寸。

6 結(jié)束語(yǔ)

為使低精度定位方式在自動(dòng)充電上獲得應(yīng)用，降低自動(dòng)充電的成本，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)器人連接器上的柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)。通過公差分析，確定了在滿足定位偏差±10 mm、角度偏差±5°的情況下，柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)自身的活動(dòng)范圍。通過受力分析，明確了設(shè)計(jì)過程中降低插拔力的參數(shù)改進(jìn)方向。仿真計(jì)算及實(shí)際插拔力測(cè)試結(jié)果證明，其插拔力滿足標(biāo)準(zhǔn)中小于140 N的要求，且機(jī)構(gòu)活動(dòng)范圍滿足定位誤差±10 mm、角度偏差±5°時(shí)仍實(shí)現(xiàn)對(duì)接的要求，同時(shí)大幅降低自動(dòng)充電設(shè)備的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 殷凱. 電動(dòng)汽車充電口位姿視覺定位技術(shù)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2020.

[2] 徐煜. 電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2020.

[3] 陳勃言， 謝中祥， 顧峰， 等. 自動(dòng)充電機(jī)器人技術(shù)路線及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 汽車電器， 2022（10）： 4-6.

[4] 孫成. 復(fù)雜環(huán)境下電動(dòng)汽車充電口識(shí)別與定位方法研究[D]. 蘇州： 蘇州大學(xué)， 2019.

[5] 王曉安. 電動(dòng)汽車充電口位姿超聲定位技術(shù)的研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2019.

[6] 馬立焱. 基于超聲波的電動(dòng)汽車充電口定位技術(shù)[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2018.

[7] 韓軍， 常瑞麗. 智能移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)距定位系統(tǒng)的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2010（1）： 164-166.

[8] 李星輝. 自動(dòng)充電機(jī)器人插拔過程軌跡規(guī)劃和柔順控制技術(shù)[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2020.

[9] 劉彬. 基于視覺與力覺的自動(dòng)充電機(jī)器人[D]. 武漢： 武漢科技大學(xué)， 2022.

[10] 國(guó)創(chuàng)移動(dòng)能源創(chuàng)新中心（江蘇）有限公司. 一種柔性對(duì)接機(jī)構(gòu)： CN202123317481.3[P]. 2022-06-24.

[11] RIVARD F， BISSON J， MICHAUD F， et al. Ultrasonic Relative Positioning for Multi-Robot Systems[C]// 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation， 2008： 323-328.

[12] KARABUTOV A A， PODYMOVA N B. Quantitative Analysis of the Influence of Voids and Delaminations on Acoustic Attenuation in CFRP Composites by the Laser-Ultrasonic Spectroscopy Method[J]. Composites Part B： Engineering， 2014， 56： 238-244.

[13] HAZAS M， HOPPER A. Hopper. Broadband Ultrasonic Location Systems for Improved Indoor Positioning[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2006， 5（5）： 536-547.

[14] 韓新立. 三維超聲定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2013.

[15] PRIETO J C， JIMéNEZ A， GUEVARA J， et al. Subcentimeter-Accuracy Localization through Broadband Acoustic Transducers[C]// 2007 IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing， 2007： 1-6.

[16] 張珂， 俞國(guó)華， 劉鋼海. 超聲波測(cè)距回波信號(hào)處理方法的研究[J]. 測(cè)控技術(shù)， 2008（1）： 48-50.