瑞萨丨适用于人形机器人的Ki无线对接与充电

　　面向人形机器人的对接式充电模型

　　随着人形机器人从研究实验室走向实际部署，系统设计人员在各种环境中都面临着一系列新的期望。这些机器人正越来越多地被考虑用于家庭、工业设施以及餐厅、医院和仓库等商业场所。在其中每一种应用场景中，人形机器人都必须能够在人群周围安全运行，自然融入现有空间，并在尽可能少的用户干预下自主工作。

　　要实现真正的人形机器人自主性，最根本的挑战之一是如何在无人监督的情况下进行可靠、安全且可重复的充电。依赖裸露连接器和电缆的传统充电方法可能带来不便，容易发生机械磨损，且在灰尘、污垢或频繁人机交互的环境中难以得到有效的保护。对于可能需要无人值守定期充电的人形机器人而言，裸露的线缆还会引发安全和维护方面的隐患。

　　配备无线功率传输的固定式对接站，是一种可替代插拔式充电的可行方案。当人形机器人完成任务或电量不足时，它可以返回指定位置，自行对准，并在空闲期间开始充电。这种方法在固定对接点集中进行功率传输，无需再使用裸露在外的电缆。此方案还支持密封的机械设计，并能在消费级和工业级环境中实现更可预测且可重复的充电行为。

　　为何选择Ki®无线供电技术

　　用于人形机器人对接充电?

　　Ki无线供电技术由无线充电联盟(WPC)开发，旨在实现比传统低功率消费级充电更高功率的无线功率传输。Ki将感应式无线功率传输与近场通信(NFC)相结合，使发射器和接收器能够安全、动态地协调功率传输。

　　对于人形机器人对接站而言，这种方法具有以下优势：

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　　可扩展的功率传输：瑞萨电子Ki无线供电架构支持广泛的无线功率传输范围，可从约20W扩展至2.2kW。许多人形机器人平台采用高电压电池系统(通常在24V至48V范围内)，其电池容量能够充分满足充电能量需求。在这种情况下，2.2kW指的是可供充电和对接操作使用的充电站功率，通过在固定站点实现常规的自主充电，有助于减少对频繁更换电池组的依赖。由于Ki支持如此宽广的功率范围，通过按需降低功率输出，基于Ki的同一对接方案也可应用于更小型的机器人，例如割草机器人或医疗保健领域的辅助机器人。

　　接收端控制充电：功率传输由机器人端控制，使人形机器人能够仅请求获得所需的功率，并根据运行条件的变化调整充电行为。

　　集成识别与控制：NFC通信在大功率传输开始之前提供识别、验证、控制及安全门控功能。

　　由于以上这些特性，Ki无线供电技术非常适合基于对接技术的人形机器人充电。

　　系统级对接架构

　　基于Ki的人形机器人对接系统围绕两个协同工作的组件构建：

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　　集成于对接站内的无线功率收发器

　　嵌入人形机器人内部的无线功率接收器

　　这些组件组合起来，可实现自主对接功能、受控功率传输功能以及密封充电接口，支持约20W至2.2kW的可用无线功率水平。

　　在此架构中，NFC通信会在任何功率传输开始前，建立对接站与人形机器人之间的识别与协调。一旦建立协调并完成对准，无线功率传输即开始。这种方法将功率转换和电池管理保留在机器人内部，从而实现了一个密封、无电缆的接口，同时不影响可用功率水平。

　　人形机器人对接站

　　该架构可通过我们的Ki无线功率收发器系统(Tx)和Ki无线功率接收器系统(Rx)设计来实现。这些解决方案能够将架构直接映射到完整的Ki无线对接系统上，使系统架构师能够集成无线充电功能，而无需从头设计电源、控制和通信协议栈。

　　Ki无线功率收发器系统(Tx)实现了对接站端的功能，并可充当Ki系统的固定基础设施端。该系统提供从已知物理位置传输能量所需的无线功率发射器和NFC通信。由于发射器固定在已知位置，人形机器人能够始终如一地自动对准，实现可重复的无线耦合。

　　此外，Ki无线功率收发器系统(Tx)还提供更多功能丰富的版本，支持高级交互和系统集成。这些功能更丰富的版本集成了带电容式触摸的图形用户界面，可直观显示充电状态、传输功率及系统状态。采用蓝牙®低功耗(LE)或Wi-Fi的集成式无线连接功能，支持远程监控、配置以及与更高层级控制系统的集成。

　　简化版去除了用户界面和无线连接功能，以支持完全隐藏的安装方式，使充电过程透明化，从而使同一发射器架构在不同充电站设计中得以重复使用。

　　Ki无线功率收发器系统

　　Ki无线功率接收器系统(Rx)在人形机器人内部实现了Ki系统的接收端。系统接收来自对接站的无线能量，调节输出的功率，并直接与机器人的内部电源及电池管理系统连接。

　　功能更丰富的版本具备本地图形界面和可选的无线连接功能，可进一步扩展这一能力。内置显示屏使人形机器人能够直接在机体上显示充电状态、功率流和诊断信息，而蓝牙低功耗技术或Wi-Fi连接则支持与外部监控工具或队列管理系统的集成。这种增强的可视性在开发、调试和维护期间非常有用，在需要了解机器人状态的部署环境中同样重要。

　　简化版去除了用户界面和无线连接功能，以支持需要最少交互的紧凑型、全密封设计，从而使相同的接收器架构能够适配不同的人形机器人平台。

　　Ki无线功率接收器系统

　　Ki无线功率收发器系统(Tx)与Ki无线功率接收器系统(Rx)共同构成了一套协调的Ki无线人形机器人对接系统。

　　通过利用这些优越的组合方案，系统设计人员可以基于经过验证的Ki无线供电实现方案展开工作。因为该方案已涵盖可扩展的功率传输、协调配合和安全要求，且关键的系统行为可通过软件配置，而非重新设计硬件。

　　这种方法

　　· 减少了开发工作量

　　· 简化了系统集成

　　· 使架构师能够专注于更高层次的机器人行为

　　随着人形机器人平台的发展，对接站和机器人端均提供多种可选版本，这也为系统升级提供了清晰的路径，无需对系统架构进行根本性更改。

　　除了硬件版本差异外，Ki架构内的软件配置还可实现功率调节、身份验证和协调等关键系统行为，而无需更改底层硬件。

　　人形机器人对接技术的关键工程考量

　　人形机器人旨在与人类协同工作，穿行于为人类设计的空间，并将自主充电作为日常运作的一部分。它们可能每天多次进行对接充电，通常无需人工监督，且所处的环境不允许出现硬件外露、长时间停机或不安全行为。对系统设计人员而言，这意味着对接和充电系统必须每次都能可靠运行，同时不增加机器人操作或维护的复杂性。可靠的对准能力使机器人能够自主完成对接;充电效率影响其恢复工作的速度;而在人员和日常物品附近进行大功率充电时，安全性至关重要。固定式对接站结合Ki无线供电技术，能够以实用且可扩展的方式满足这些需求。

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　　对准：可靠的对准能力对人形机器人的自主对接至关重要，因为高效的无线功率传输依赖于发射器与接收器位置的一致性。与手动充电不同，对接是人形机器人在其整个生命周期中必须自主执行的重复性行为。固定式对接站提供了一个已知的物理目标，使机器人能够以可重复的方式接近、对准并完成对接。这种方式提高了耦合的一致性，降低了对位置偏差的敏感度，并使整个机器人队列的充电性能具有可预测性。

　　效率：虽然有线连接能提供更高的绝对效率，但Ki无线系统在效率与易用性、安全性和机械密封性之间实现了平衡。在实际对接条件下，只要对准得当，Ki系统就能在保持密封、无电缆接口的同时，实现约90%的无线功率传输效率。相比有线充电，绝对效率上的这点微小差异是值得的。

　　安全性：人形机器人在人类、工具和日常物品附近运行，因此安全性是基本的设计要求。Ki内置了异物检测(FOD)等安全机制，有助于防止线圈之间存在异物时发生意外的功率传输，从而确保在人群周围更安全地运行。Ki NFC通信还支持身份验证，使充电站能够在启用功率传输之前验证受信任的接收器。这有助于确保仅授权的机器人能获得充电或供电，这一点在共享或公共环境中尤为重要。

　　实现自主对接与充电

　　对于在人类共享环境中运行的人形机器人而言，最佳的充电体验是用户几乎察觉不到充电过程。支持Ki技术的对接站使人形机器人能够自主管理其能源需求，同时保持密封、无连接器的充电接口。

　　通过采用基于Ki无线供电技术的固定式对接站架构，系统设计人员无需从头设计充电系统，即可实现可靠的自主充电。经过验证的构建模块，例如Ki无线功率收发器系统(Tx)和Ki无线功率接收器系统(Rx)，为对接接口的两端提供了现成的设计起点，涵盖从紧凑、隐藏的设计到具备可视性和连接性等更丰富功能的设计等多种版本。