智慧加油机器人技术发展现状与展望

王顺江,闫德林,唐 泓,王任翔,郭子瑄,刘嘉宇

(中国石化销售股份有限公司北京石油分公司,北京 102413)

0 前言

随着科技的迅速发展,以人为主导的传统加油站正在逐步向智慧化、自动化转变。传统加油站有两种加油模式:专职加油员加油和自助加油。我国加油站大量采用专职加油员加油模式,这种模式下,加油站人力成本高,加油员劳动强度大,易受挥发性有机油料的侵害,严冬酷暑时工作环境恶劣;自助加油将加油员的工作转嫁给驾驶员,多在国外应用。为减少人的参与,智慧油站逐步投入使用,利用先进的信息技术和设备,实现自动化加油及智能化管理。

随着自动化、人工智能、物联网等技术的不断突破,智慧加油机器人的落地成为推动加油站智能化转型的关键。它们能自动识别车辆、定位油箱口、完成加油过程,在该过程中还可以与驾驶员进行交互,使驾驶员无需下车即可顺利完成下单、加油、付款的全流程。智慧加油机器人的应用可以提高加油的准确性和便捷性,同时极大地减轻加油员的劳动强度,并优化驾驶员的加油体验,将成为未来加油站的发展趋势。

1 加油机器人技术发展现状

1.1 国外加油机器人发展现状

国外早在20世纪60年代已开始研究加油机器人,最早的自动加油机诞生于1963年[1],该系统通过地面凹槽控制车辆停放位置,而后移动定位板直至触碰到汽车前轮,此时油枪与油口对齐即可开始加油,但该系统依赖专用油箱口,只能完成对特定车辆的加油。1968年,Amoco公司[2]获取了机器人构型的专利,其采用龙门式结构引导车辆到固定位置,加油机构按设定流程进行加油。1972年该公司又设计了一种立柱式结构的加油机器人,便于在地面安装[3]。1995年Reis公司和Fraunhofer IPA[4]研制的机器人应用了传感器以提高定位精度。该机器人使用激光传感器探测汽车的位置并监控加油进程;通过车辆上的信号发生器获取车型、油口位置、油品等信息;机械臂按照规划轨迹伸出,通过其上安置的摄像机识别油箱口上的反射标记,进而打开油箱口并进行加油。在整个加油过程中,有3个红外传感器检测末端执行器的位置。该机器人需要对汽车进行改造且控制精度不高,因此未能大规模推广。2008年,荷兰Rotec Engineering公司[5]推出的Tankpit-stop加油机器人支持在汽车不做改造的条件下,使用传统油枪完成自动加油。该机器人利用手爪及吸盘打开油箱盖,并插入油枪进行加油,整体流程与人操作无异。这种机器人不需要改造,但难以覆盖不同车型且运动规划控制较为复杂,也无法广泛推广。2013年,美国Husky与Fuelmatics 两家公司[6]推出了采用云台式结构的加油机器人,其使用专用油枪及专用无盖油口,加油时间比人工时间缩短30%,证明了推广加油机器人的可行性。

1.2 国内加油机器人发展现状

国内对加油机器人的研究起步较晚,目前较多停留在理论研究阶段,投入使用的较少。2004年,刘玉芝,等[7]设计了四自由度的加油机器人,并进行了运动学求解,就此开启了国内对加油机器人的研究。阎思达,等[8]设计了一种六自由度悬臂式加油机器人,其油管和电缆从中空的手臂和手腕中通过,解决了防爆的问题。刘庆明,等[9]设计了采用防爆伺服电机驱动并且油路内置的机器人,解决了机器人关节受阻和油管腐蚀的问题。石文凯,等[10]通过车型数据设计了加油机器人的安装布局,并研究了机械臂的几何参数,为机器人投入使用打下了基础。

除了对机器人整体设计的研究外,还有学者对末端执行器进行了研究。董志强[11]设计了一款自动加油枪,其改造了油气回收结构以适用机器人操作空间并设计了油路切换机构满足一把油枪加不同油品的需求。张雅丽,等[12]设计了一款复合式末端执行器,该机械结构运动灵活,抓取、吸附、旋转等运动功能良好,能够自主开关油箱口及内盖,并手持油枪加油。马智[13]则把研究重点放在了汽车油箱盖的位姿识别上,他提出了基于双目视觉的无人加油机器人方案,能够完成油箱内外盖的识别,避免激光雷达和深度摄像头的使用,可以降低设备成本。

阿里巴巴于2018年在杭州推出智能加油站,该加油站支持车牌识别、机器人加油、支付宝付款等功能。2021年中国石化推出了一款智慧加油机器人。车主在APP 内下单,机器人识别油箱盖,然后使用机械臂打开油箱盖自动进行加油,加油完成后,机器人会自动盖好油箱盖。同年,中国石油开发的加油机器人也在郑州投入使用,该机器人国产化率达到了93%[14]。

2 智慧加油机器人的关键技术

在智慧加油机器人实际应用过程中,面临着机械结构、安全防护、加注接口、识别定位等技术难点,随着科技的发展,已经逐步解决。机器人的加油流程如图1所示,上述技术问题与每一步操作都息息相关。

图1 智慧加油机器人操作流程

2.1 机械结构

机械臂是加油机器人的核心部件,可以实现油枪的精准移动、定位和加油作业。常见的结构有龙门式、地面导轨式、关节型以及对其优化得到的非正交姿态型[15],其结构如图2 所示。

图2 不同结构的加油机器人结构示意

龙门式和地面导轨式机器人的前3个关节轴线像直角坐标系3个坐标轴一样互相垂直,又称为直角坐标型机器人。前者悬挂于高架上,工作范围较大,能够覆盖到不同位置的汽车油箱口,但作业速度慢、效率低;后者对其进行了优化,安装于地面导轨上,减小了尺寸并提高了工作效率,但相应带来的问题是工作空间较小,只能为单侧油箱盖加油。相较于直角坐标型机器人,关节型加油机人采用多个旋转关节,灵活度大大提升,而且体积较小;为进一步减小尺寸,Becchi,等[16]设计了非正交姿态型机器人,但带来了末端存在不可达盲区的问题。

根据蔡红璞和杨国永的研究[17],目前推荐加油机器人工作半径要达到1～1.5 m,有效工作载荷大于10 kg,重复性误差小于±1 mm,关节活动范围达到±360°,移动速度达到 1 m/s 以上。以上几种不同结构的机器人设计为部署到不同加油站提供了可能。

2.2 安全防护

加油机器人除了要考虑机械结构的灵活性、便利性外,安全性也是一个重点研究方向,主要包括环境安全及人员安全。

从机器人自身角度而言,为了在室外环境正常工作,需要做到防爆、防尘、防水。考虑到加油站作业区易燃易爆的特殊性,防爆是投入使用前必须达到的标准。针对加油时有限的操作空间,在加油机器人的控制系统中应设置多重安全保护,以避免机器人自身以及与汽车的碰撞损伤。传感器是其中不可或缺的部分,通过实时监测加油过程中的油量、与车身接触的压力等,从而实现自动化控制、智能化监测等功能。

人员安全主要是保证无人靠近机器人,通常可在机器人工作范围设立围挡,确保没有无关人员进入场地,但加油时驾驶员和工作人员均频繁穿梭其中,该方案无法实施。因此需要考虑加强机器人的安全系统以及在油站现场设置安全防护措施。对机器人而言,主要有被动安全和主动安全两种系统。前者不主动检测工作范围内障碍,直到发生碰撞时主动停止工作;后者主动检测工作范围内的障碍,主要策略有标准工业传感器和机器人本身的传感器检测反馈,工业传感器如以光幕警示替代传统的物理围挡,机器人自身传感器如电容式机器人皮肤,识别机器人周围小范围(0～20 cm)内的电场变化以检测人的存在[18]。

此外,在加油站内也需要设置相应的安全设施,例如实时监控系统、急停按钮、火焰探测报警设备、自动灭火系统等,以应对突发情况降低损失。

2.3 加注接口

加注接口是加油机器人和汽车相互作用的部分,包括汽车上的油箱内外盖和油箱口及连接加油机的加油枪和输油管。加注接口分为传统加注接口及机器人专用加注接口。

使用传统加注接口加油,即无需对加油站及待加油车辆进行改造,直接将机器人安装于加油机旁,使用油站已有设备对车辆加油。由于车辆油箱设计不同,采用这种方式需要兼容不同车型,既要准确识别并规划运动路径,又要有灵活的机械结构并能够精准执行。张雅丽,等[12]设计的复合式末端应用于此类场景,其使用了吸盘和夹爪用于开关汽车油箱,手型结构用于操作油枪,包括固定油枪及扣动扳手。

使用专用加注接口需要对车辆及加油站进行改造,改造成本较高,但可以适配不同的车型,统一交互接口也有助于提升机器人的工作效率。Becchi,等[16]设计的油箱口使用弹簧装置,依靠油枪打开,当油枪拔出时即自动关闭,可以省去开关油箱盖的动作,降低运动控制难度并提高工作效率。董志强[11]分别设计了油枪及油箱内盖,油枪使用单向阀利用压力差切换不同油路,避免了切换不同油品时机器人主动更换油枪的操作,其使用的油气分离机构保证了正常跳枪,并将目前的手动开关进行改造,使用气动推动实现加油;油箱内盖包括密封壳、密封圈、下连接壳、内侧密封盖、外部密封盖、识别标志点等,依靠外力压缩弹簧控制油箱开关,标志点用于油箱口的识别定位[19]。

2.4 识别定位

加油机器人需要定位车辆位置并精确识别油箱的位姿以便后续操作,识别的精确程度直接决定了能否顺利完成加油流程。

早期加油机器人多使用机械装置限定汽车停放位置,从而按照既定流程进行加油作业;后续使用了RFID(无线射频识别,Radio Frequency Identification)技术与距离传感器配合定位,RFID提供油箱口相对位置、车辆类型等数据,距离传感器探测车辆位置,从而计算出油箱位置完成加油流程,但该方法要求车辆安装RFID标签,通用性较差。

目前多使用机器人视觉获取图像计算位姿,从而实现机器人控制。Farag,等[20]构建了一种基于单目视觉的定位识别系统,其使用一台CCD相机拍摄油箱盖上安装的圆形标记物完成识别与定位。董霞,等[21]提出了采集图像与模板匹配计算加油口位姿的方法,该方法可以快速准确识别,但需要依赖制定好的模板。马智[13]使用深度学习神经网络Faster-RCNN模型完成油箱外盖识别,又根据油箱外盖的特征提出了一套基于椭圆检测的油箱盖圆心确定方案,此外还利用双目视觉 SGBM 及 AD-Census 立体匹配算法算出油箱盖的位姿,其一系列研究已可以支撑起完整的加油流程。

3 智慧加油机器人的未来展望

基于以上研究,智慧加油机器人的实现已逐步成为可能,但距离其投入实际使用,仍有较多细节问题需进一步研究。

a) 在已有条件下,加油机器人车型适配度不够完善,难以支持对所有车辆完成加油。国内车辆品牌、车型较多,车辆油箱盖位置及开盖方式不统一,机器人需要有不同车型的基础数据以及对应的策略,才能达到真正不需要人工辅助的目标。在具体应用上,对汽车油箱盖不同的情况,需要提高智能化识别与定位精度,并从软硬件两方面解决不同光线下识别定位不准确的问题;针对车辆油箱盖开盖方式多样的问题,未来要自主研发多功能执行单元,适应不用车型的加油需求;针对油箱盖与车身之间有连接绳的问题,机器人自动加油时需解决拧开油箱盖和拾取油枪动作之间的矛盾。

b) 安全问题,既包括了机器人工作安全,也包括平台软件数据安全。加油站环境下,需要机器人达到防爆标准。在达到防爆标准条件下,如何降低机器人重量、提高机器人灵活性、稳定性是未来仍需解决的问题。除此之外,在人员往来频繁的加油站,机器人要避免与人碰撞,应针对材料选用、柔顺机构设计、无碰撞轨迹规划、柔顺控制、触觉传感器和智能视觉监控等理论和技术进行研究。就平台而言,控制机器人的APP和机器人本身,都可能成为被攻击的点。其使用的互联网公开平台,存在客户私人信息、后台数据库信息泄漏风险。更有甚者,若油站管理后台连接无线网络,对于加油站内的油机、油罐等设备设施来说也会增加潜在风险。未来正式投入应用后,应定期对加油站进行风险评估和安全测试。