BiHAND：一种双臂类人机器人系统，配备自适应磁力-振动末端执行器，用于退役电动汽车电池组的无损拆卸和回收

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：BiHAND: A Bimanual Human-like Robotic System with Adaptive Magnetic–Vibration End-Effectors for Non-Destructive Disassembly and Recycling of Retired EV Battery Packs

　　洪民吴|俊阳王|江明张|吴燕|邵华孔|汝成向|仲军何|宇江|一祥刘|光忠董|海华郭|志坚傅|旭斌林|学锋周|照阳廖|云江楼 中国广东省科学院智能制造研究所，现代控制技术广东省重点实验室，广州，510070 **摘要** 拆解退役电动汽车（EV）电池组中的复杂且异构的组件仍然高度依赖人工，且难以自动化，这成为可扩展和可持续电池回收的关键瓶颈。本文介绍了BiHAND，这是一种基于视觉引导的双臂类人机器人系统，配备了自适应磁力-振动末端执行器，用于退役EV电池组的无损拆解和回收。该系统作为整个电池组拆解的代表性平台，“类人”特性体现在三个方面：肩部安装的双臂配置可实现近距离协作操作；任务分配区分了不同角色，以同时进行紧固件拆除和组件处理；以及具有冲击感知的柔顺控制，确保安全交互。左臂通过配备自适应磁力调节的智能电动螺丝刀和双自由度平行四边形收集机构，实现自动螺栓拆除和回收，从而保证可靠的螺栓抓取和长时间稳定运行。右臂使用由径向激励器、平行夹持器和具有柔顺橡胶表面的电磁铁指尖组成的振动-磁力混合夹持器，对BMS（电池管理系统）、母线和结构组件进行无损拆解。激励器可以释放卡住的或粘附的连接，而磁力和柔顺接触则确保稳定的抓取。集成的全局-局部多模态视觉路径规划和冲击感知力反馈控制支持序列优化、语义级识别、毫米级定位以及自适应的双臂协调。在退役电池组上的大量真实机器人实验表明，BiHAND能够在最小人工干预的情况下实现高效、精确和稳健的拆解。视觉系统的识别准确率达到97.2%，z方向定位精度为0.03毫米。在一个包含94个组件的退役电池组上的整体拆解实验中，螺栓、BMS单元和结构部件的拆解成功率均为100%，铜母线的拆解成功率为84%。平均每个电池组的拆解时间为32分钟35秒（约每个组件20.6秒）。这些结果证明了BiHAND在退役EV电池组自动化和可持续回收方面的实用性和可扩展性。 **引言** 随着全球对碳中和和可持续交通的推动，电动汽车（EV）的迅速普及导致了锂离子电池组生产和随后退役的数量前所未有的增长[1]。据行业预测，未来十年内将有数百万辆EV达到使用寿命终点，产生数十万吨异构且可能具有危险性的电池废物[2][3]。每个退役的电池组通常重200公斤至1000公斤，包含多种模块、母线和结构组件，如果处理不当，将带来严重的环境和安全挑战[4]。如图1所示，退役EV电池组的拆解通常包括几个连续阶段。首先进行安全准备，包括电池放电和初步检查。随后移除保护膜和绝缘盖等外部组件，暴露内部结构。本文重点讨论的机器人操作包括紧固件、母线、结构组件和BMS单元的拆除。这些组件分离后，后续阶段包括模块拆解、手动检查、电池单元级拆解以及电解液或凝胶处理，以实现材料的有效回收。尽管二次利用和材料回收越来越受到关注，但目前的拆解过程主要依赖人工，具有高强度劳动、低效率和不一致的安全标准[5]。特别是，手动操作容易引发电气滥用（例如意外短路）和机械滥用（例如组件的意外穿透或压碎），这大大增加了拆解过程中的安全风险。这些限制凸显了迫切需要智能、自动化和无损拆解技术，以实现退役EV电池组的大规模、可持续回收。 由于当前电池设计的极端多样性和复杂性，退役EV电池组的自动化拆解仍然是一个复杂且未充分开发的领域[6]。不同制造商采用不同的设计理念，导致电池单元格式（圆柱形、棱柱形和 pouch 型）、电池组架构和电化学成分存在很大差异[7]。这些差异导致紧固方法、布线布局和封装结构各不相同[7]，使得建立通用拆解协议或标准化策略几乎不可能。目前，大多数达到使用寿命终点的电动汽车电池组都是通过人工拆解进行再利用或回收，如图2所示。由于电池具有高电压、重量大以及潜在的热或化学危害，人工拆解需要熟练的技术人员和专用工具[8]。然而，全球范围内能够安全处理报废EV电池的合格人员严重短缺。例如，在英国，只有不到2%的汽车技术人员具备服务电动汽车的资质，这一缺口在电池拆解操作中尤为明显。这种劳动力短缺不仅增加了操作风险，还限制了回收过程的可扩展性。此外，在劳动力成本较高的地区，人工拆解在经济上效率低下，往往超过所提取组件的材料回收价值。汽车制造商在设计过程中必须平衡结构刚性、碰撞安全性和空间利用，这常常牺牲了组件的可服务和可回收性。 因此，电池组通常使用粘合剂密封、焊接接头、卡扣式插头连接器或复杂的机械紧固件，使得拆解既耗时又危险。这些相互交织的机械、电气和经济挑战共同阻碍了高效自动化拆解系统的发展，凸显了迫切需要智能、类人机器人解决方案，以实现安全、自适应和无损操作[9]。退役EV电池组的拆解具有挑战性，因为它们具有多样化的组装架构，包括电池单元到模块（CMP）、电池单元到电池组（CTP）、电池单元到车身（CTB）和电池单元到底盘（CTC）类型，以及复杂的层次结构和异构组件特性。本研究以CMP类型的电池组作为代表性目标，因为这类电池组广泛达到使用寿命终点，并表现出混合连接方式（如螺栓、卡扣式连接）和复杂的多层排列。与CMP设计相比，新型架构如CTP和CTB具有更高的结构集成度、较低的模块化程度，以及大量使用粘合剂粘合，许多组件直接嵌入结构框架中，标准化紧固接口较少。相比之下，CMP电池组具有多种连接类型和不同硬度的多层结构。这些特点使得传统的单臂或工具隔离自动化方法无法实现安全可靠的整个电池组拆解。 为了解决这些挑战，本研究的主要贡献是设计和验证了BiHAND，这是一个端到端的……