CN103259321A - 基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，该直流供电系统包含与蛇体关节数目相当个数的供电节点，每个供电节点包括高压锂电池模块，供电管理模块，易插拔电器接口，通过供电管理模块对两个并联的高压锂电池模块的管理对外输出不同需求的电压，适于分别为特定部件供电，并实现了过充、过放、过流保护的功能和动态调节负载电流的功能。本发明中的供电节点具有体积小、重量轻、易安装、高容量和灵活性高等优点，能够持久可靠地驱动大扭矩舵机，而且每个供电节点之间可灵活方便地安装在蛇形机器人的每个关节上，并通过各自引出的公、母头电源接口相互并联起来，以达到均匀分配电流损耗持久供电的目的，使蛇形机器人可以自由运动。

Description

基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统

技术领域

本发明涉及蛇形机器人供电系统领域，是一种分布式机载大功率可靠的直流供电系统，具有体积小、重量轻、易安装、易拆卸、高容量和灵活性高等优点，能够持久可靠地驱动大扭矩舵机，为蛇形机器人的自由运动奠定良好的基础。

背景技术

机器蛇是一种新型的仿生机器人，它的类似蛇类的“无肢运动”形式，是机器人运动方式上的一个突破，具有许多传统轮式和足式机器人无法比拟的优点。现在大部分研制的蛇形机器人大多采用模块化的关节连接构成，可实现复杂的三维运动方式。但是，这种蛇形机器人的关节数目多，自由度大，而且所有关节的驱动功率总量惊人，如何设计一个高效的蛇形机器人供电系统一直是个难题。

传统的蛇形机器人供电方式是电缆式供电。这种电缆供电方式是一种由每个蛇形机器人关节驱动引出电源线全部链接在总电缆上的一体式供电方式。总电缆从蛇形机器人尾部引出链接在总电源上。这种一体式电缆供电方式的缺点是十分明显的：

第一，这种一体式电缆供电方式中的电缆长度十分有限，当用这种电缆供电方式给蛇形机器人供电时，机器人的运动范围将被大大限制，难以到达一些人类不能到达的复杂环境执行任务；

第二，如果需要增加蛇形机器人的作业范围就必须增长电缆的长度，在电缆增长的同时，会伴随着电能在电缆上的铜耗，而且会使电缆的两端形成电压差，这会导致蛇形机器人的每个关节驱动低压运行，从而使损坏驱动，带来不堪设想的后果；

第三，自然界真实蛇类的运动十分灵活，高性能的蛇形机器人需要模仿自然界中真实的蛇就必须能像真实的蛇类一样能实现三维空间的运动。当蛇形机器人进行三维空间的复杂运动，例如攀爬运动等，将会产生绕机体翻滚的趋势，当用这种电缆供电方式给机器人供电时，其电缆将会缠绕机体，这样大大限制了蛇形机器人的运动能力和机动性；

第四，蛇形机器人具有多关节的特点，这种一体式电缆供电方式的电缆必须贯穿蛇形机器人的所有关节，安装必须与蛇形机器人的关节组装和调试同步，这使布线特别困难，而且大大减慢了机器人的开发进度；

第五，由于这种一体式电缆供电方式的电缆必须贯穿蛇形机器人的所有关节，当电缆的某一节或者蛇形机器人的某一个关节驱动发生了故障时，必须将所有关节和电缆分离，这将为故障测试和维修带来不便。

如果希望使用直流电池供电，但是标准锂离子电池的输出电压很低，而且容量十分有限，容易因电流损耗造成的电压波动，难以驱动超大扭矩舵机，无法给蛇形机器人持久供电，从而使蛇形机器人完全瘫痪。

 

发明内容

本发明的首要目的在于克服上述现有技术的缺陷与不足，提供一种体积小、重量轻、易安装、易拆卸、大容量、灵活性和可靠性高的，可有效减少因电流损耗造成的电压波动，并且可以动态调节负载电流，同时摆脱了传统电缆供电方式对蛇形机器人运动的束缚，使蛇形机器人可以自由运动的蛇形机器人供电系统。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，包括1个以上的供电节点，每个供电节点可以输出两种不同的电压，分别供特定部件所用，并且通过从供电节点引出的公、母头电源接口可以相互并联，形成供电网络。

具体地，所述每个供电节点包括两个高压锂电池模块，一个供电管理模块，一套易插拔电器接口，所述两个高压锂电池模块的正极和负极分别相连，形成并联，然后跟易插拔电器接口的正极输入端和负极输入端分别相连，所述易插拔电器接口的第一公头接口与供电管理模块的第一母头接口的正极和负极分别相连，从而形成一个供电接点。

具体地，所述高压锂电池模块包括第一锂电芯、第二锂电芯和锂电芯串行保护模块，所述第一锂电芯和第二锂电芯输出电压和内阻相同，所述的锂电芯串行保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、电池保护芯片、第一场效应管和第二场效应管，所述第一锂电芯正极、第一电阻、第一电容与参考地依次连接；所述电池保护芯片的正电压端连接在第一电阻与第一电容的连接点上；所述第二锂电芯正极、第二电阻、第二电容与参考地依次连接；所述电池保护芯片的电压连接端连接在第二电阻与第二电容的连接点上；所述第一锂电芯的负极与第二锂电芯的正极连接；所述第二锂电芯的负极与电池保护芯片的负电压端连接到参考地；所述第一场效应管的栅极与参考地连接，其源极与电池保护芯片的过放控制端连接，其漏极与第二场效应管的栅极连接；所述第二场效应管的源极与电池保护芯片的过充控制端连接，其漏极、第三电阻和电池保护芯片的过流检测端依次连接；所述第一锂电芯的正极与第一电阻的连接点引出作高压锂电池模块的正极；所述第二场效应管的漏极与第三电阻的连接点引出作高压锂电池模块的负极。

具体地，所述第一场效应管、第二场效应管为N沟道场效应管。

具体地，所述供电管理模块包括第三场效应管、第四场效应管、第四电阻、第五电阻、第一母头接口、第三电容、第四电容、第五电容和三端稳压器，所述第三场效应管的栅极分别与第一母头接口的正极、第四电容的正极连接，其源极、第四电阻、第五电阻、第四电容的正极依次连接，其漏极与第三电容的正极连接并引出作负载正极接口端；所述第四场效应管的漏极接在第四电阻与第五电阻的连接点处，其栅极分别与第三电容的负极、参考地连接并引出作负载负极接口端，其源极作脉冲信号输入端；所述三端稳压器的电压输入端与第四电容的正极连接，其电压输出端与第五电容正极连接，并引出作控制器正极接口端，其公共地端分别与第一母头接口的负极、第四电容的负极、第五电容的负极和参考地连接，连接点引出作控制器负极接口端。

具体地，所述第三场效应管、第四场效应管为N沟道场效应管。

具体地，所述第三电容、第四电容、第五电容为钽电容。

具体地，所述易插拔电气接口包括第一公头接口、第二公头接口和第二母头接口。所述第一公头接口的正极分别与第二公头接口的正极、第二母头接口的正极、第一高压锂电池模块的正极、第二高压锂电池模块的正极连接；所述第一公头接口的负极分别与第二公头接口的负极、第二母头接口的负极、第一高压锂电池模块的负极、第二高压锂电池模块的负极连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

第一，大大增加了蛇形机器人的运动范围，并且有效解决了蛇形机器人进行复杂三维运动时电缆缠绕机体的问题，大大提高了机器人的运动能力和机动性，可以使其到达一些人类不能到达的复杂环境执行任务；

第二，本发明能提供足够的电压和电容量，使驱动超大扭矩舵机，为蛇形机器人提供动力，同时能为蛇形机器人每个关节的控制芯片供电，为机器人实现智能奠定了基础；

第三，本发明中的高压锂电池模块采用分布式并联的方式，达到了均匀分配电流损耗持久供电的目的，有效减少了因电流损耗造成的电压波动，以达到持久供电的效果，并且使供电系统的重量均匀地分配给蛇形机器人的每一个关节，有效改善关节驱动力不足的缺点；

第四、本发明结构简易，能够分别嵌入蛇形机器人的每一个关节中，并通过引出的接口相互连接，使布线操作更加方便容易，而且供电系统的设计、制作与调试可以与蛇形机器人的主体设计、制作与调试分开，相互独立完成，大大提高了机器人的开发进度；

第五，每一个供电节点具有相同的接口，当机器蛇某一关节出现故障或者没电时，能够方便更换，同时可以根据应用环境灵活的增加或减少模块，使得机器蛇的重构灵活方便、经济实用；

第六，本发明通过实现锂电池串行保护模块，具有过充、过放、过流保护，为蛇形机器人提供了一个可靠安全的供电系统，而且本发明可以通过脉冲信号对供电管理模块中的大功率场效应管进行控制，从而能实现动态限流的功能，能简便地实现机器人关节驱动的输出扭矩，也有效解决关节驱动因堵转而烧坏的问题。

附图说明

图1:基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统示意图示意图。

图2:基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统供电节点示意图。

图3:基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统锂电芯串行保护模块示意图。

图4:基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统供电管理模块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2、3、4所示：

基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，根据蛇形机器人的关节数目，本发明可以包含多个供电节点1。每个供电节点1可以输出两种电压，分别供特定部件所用，输出的电压由第一锂电芯25、第二锂电芯27和三端稳压器65所决定。并且可以通过从供电节点引出的第二公头接口10或者第二母头接口13相互并联，形成供电网络，从而达到均匀分配电流损耗持久供电的目的，有效减少了因电流损耗造成的电压波动。

所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，每个供电节点1包括第一高压锂电池模块19，第二高压锂电池模块23，供电管理模块2，易插拔电器接口6。第一高压锂电池模块19的正极17和负极18分别和第一高压锂电池模块22的正极20和负极21相连，形成并联，然后分别与易插拔电器接口6的第一公头接口7的正极8和负极9相连，所述易插拔电气接口6的第一公头接口7的正极8和负极9分别与供电管理模块2的第一母头接口3的正极4和负极5相连。

所述第一高压锂电池模块19和第二高压锂电池模块22结构一样，其一包括第一锂电芯25、第二锂电芯27和锂电芯串行保护模块16。所述第一锂电芯25和第二锂电芯27电压和内阻相同。所述的锂电芯串行保护模块16包括第一电阻24、第二电阻28、第三电阻45、第一电容26、第二电容29、电池保护芯片30、第一场效应管37和第二场效应管41。所述第一锂电芯25正极、第一电阻24、第一电容26与参考地依次连接；所述电池保护芯片30的正电压端31连接在第一电阻24与第一电容26的连接点上；所述第二锂电芯27正极、第二电阻28、第二电容29与参考地依次连接；所述电池保护芯片30的电压连接端32连接在第二电阻28与第二电容29的连接点上；所述第一锂电芯25的负极与第二锂电芯27的正极连接；所述第二锂电芯27的负极与电池保护芯片30的负电压端33连接到参考地；所述第一场效应管37的栅极38与参考地连接，其源极39与电池保护芯片30的过放控制端34连接，其漏极40与第二场效应管41的栅极42连接；所述第二场效应管41的源极43与电池保护芯片30的过充控制端35连接，其漏极44、第三电阻45和电池保护芯片30的过流检测端36依次连接；所述第一锂电芯25的正极与第一电阻24的连接点引出作高压锂电池模块的正极23；所述第二场效应管41的漏极44与第三电阻45的连接点引出作高压锂电池模块的负极46。

所述第一高压锂电池模块19和第二高压锂电池模块22都具有过充、过放、过流保护的功能。正常情况下，电池保护芯片30的过放控制端34和过充控制端35分别对第一场效应管37和第二场效应管41输出开启电压，使它们工作在恒流区，从而可通过高压锂电池模块的正极23和负极46为负载供电；第一电容26钳位第一锂电芯25和第二锂电芯27的串联电压，第二电容钳位第二锂电芯27的电压，当发生过放情况时，电池保护芯片30的正电压端31、电压连接端32和负电压端33检测到过低电压，同时其过放控制端34对第一场效应管27输出关断电压，使第一场效应管37关断，从而把供电回路关断；当发生过充情况时，电池保护芯片30的正电压端31、电压连接端32和负电压端33检测到过高电压，同时其过充控制端35对第二场效应管41输出关断电压，使第二场效应管41关断，从而把供电回路断开；当发生过流时，电池保护芯片30的过流检测端36将检测到第三电阻45转换的超高电压，同时其过放控制端34对第一场效应管27输出关断电压，其过充控制端35对第二场效应管41输出关断电压，使第一场效应管37和第二场效应管41同时关断，从而把供电回路断开。

所述供电管理模块2包括第三场效应管47、第四场效应管53、第四电阻52、第五电阻59、第一母头接口61、第三电容57、第四电容64、第五电容70和三端稳压器65。所述第三场效应管47的栅极48分别与第一母头接口61的正极62、第四电容64的正极连接，其源极49、第四电阻52、第五电阻59、第四电容64的正极依次连接，其漏极50与第三电容57的正极连接并引出作负载正极接口端51；所述第四场效应管53的漏极54接在第四电阻52与第五电阻59的连接点处，其栅极56分别与第三电容57的负极、参考地连接，连接点引出作负载负极接口端58，其源极55作脉冲信号输入端60；所述三端稳压器65的电压输入端66与第四电容64的正极连接，其电压输出端68与第五电容70正极连接，并引出作控制器正极接口端69，其公共地端67分别与第一母头接口61的负极63、第四电容64的负极、第五电容70的负极和参考地连接，连接点引出作控制器负极接口端71。

所述供电管理模块2能输出两路不同的电压，包括负载正极接口端51与负载负极接口端58的电压，其电压由第一母头接口61接入的电压决定，其中所述的第三电容57对负载正极接口端51与负载负极接口端58输出的电压作稳压滤波；控制器正极接口端69与控制器负极接口端71的电压，其电压由三端稳压器65决定，其中所述的第四电容64为三端稳压器65的输入电压端66输出的电压作稳压和滤波，第五电容70对控制器正极接口端69与控制器负极接口端71作稳压滤波。所述供电管理模块2具有动态调节负载电流的功能，通过对所述脉冲信号输入端60输入不同占空比的脉宽调制信号，使第四场效应管53高速开关。当第四场效应管53开启，第三场效应管47的源极49被参考地钳位到低电平，此时第三场效应管47开启，为负载输出电流；当第四场效应管53关断，第三场效应管47的源极49被钳位到高电平，此时第三场效应管47关断，负载正极接口端51与负载负极接口端58输出电压为零。因此，在脉冲信号输入端60输入的脉宽调制信号控制第四场效应管53的开关频率，从而控制第三场效应管47的导通时间，使负载正极接口端51与负载负极接口端58输出的电压成为脉冲电源。则在脉冲信号输入端60输入的脉宽调制信号占空比越大，输出电流越大，占空比越小，输出电流越小，实现了对负载电流的动态调节功能。

所述易插拔电气接口6包括第一公头接口7、第二公头接口10和第二母头接口13。所述第一公头接口7的正极8分别与第二公头接口10的正极11、第二母头接口13的正极14、第一高压锂电池模块19的正极17、第二高压锂电池模块22的正极21连接；所述第一公头接口7的负极9分别与第二公头接口10的负极12、第二母头接口13的负极15、第一高压锂电池模块19的负极18、第二高压锂电池模块22的负极22连接。

所述第一场效应管37、第二场效应管41、第四场效应管53为N沟道场效应管；所述第三场效应管47为大功率P沟道场效应管；所述第三电容57、第四电容64、第五电容70为钽电容。

上述实施说明为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施说明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：包括1个以上的供电节点，每个供电节点可以输出两种不同的电压，分别供特定部件所用，并且通过从供电节点引出的公、母头电源接口可以相互并联，形成供电网络。

2.根据权利要求1所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述每个供电节点包括两个高压锂电池模块，一个供电管理模块，一套易插拔电器接口，所述两个高压锂电池模块的正极和负极分别相连，形成并联，然后跟易插拔电器接口的正极输入端和负极输入端分别相连，所述易插拔电器接口的第一公头接口与供电管理模块的第一母头接口的正极和负极分别相连，从而形成一个供电接点。

3.根据权利要求2所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述高压锂电池模块包括第一锂电芯、第二锂电芯和锂电芯串行保护模块，所述第一锂电芯和第二锂电芯输出电压和内阻相同，所述的锂电芯串行保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、电池保护芯片、第一场效应管和第二场效应管，所述第一锂电芯正极、第一电阻、第一电容与参考地依次连接；所述电池保护芯片的正电压端连接在第一电阻与第一电容的连接点上；所述第二锂电芯正极、第二电阻、第二电容与参考地依次连接；所述电池保护芯片的电压连接端连接在第二电阻与第二电容的连接点上；所述第一锂电芯的负极与第二锂电芯的正极连接；所述第二锂电芯的负极与电池保护芯片的负电压端连接到参考地；所述第一场效应管的栅极与参考地连接，其源极与电池保护芯片的过放控制端连接，其漏极与第二场效应管的栅极连接；所述第二场效应管的源极与电池保护芯片的过充控制端连接，其漏极、第三电阻和电池保护芯片的过流检测端依次连接；所述第一锂电芯的正极与第一电阻的连接点引出作高压锂电池模块的正极；所述第二场效应管的漏极与第三电阻的连接点引出作高压锂电池模块的负极。

4.根据权利要求3所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述第一场效应管、第二场效应管为N沟道场效应管。

5.根据权利要求2所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述供电管理模块包括第三场效应管、第四场效应管、第四电阻、第五电阻、第一母头接口、第三电容、第四电容、第五电容和三端稳压器，所述第三场效应管的栅极分别与第一母头接口的正极、第四电容的正极连接，其源极、第四电阻、第五电阻、第四电容的正极依次连接，其漏极与第三电容的正极连接并引出作负载正极接口端；所述第四场效应管的漏极接在第四电阻与第五电阻的连接点处，其栅极分别与第三电容的负极、参考地连接并引出作负载负极接口端，其源极作脉冲信号输入端；所述三端稳压器的电压输入端与第四电容的正极连接，其电压输出端与第五电容正极连接，并引出作控制器正极接口端，其公共地端分别与第一母头接口的负极、第四电容的负极、第五电容的负极和参考地连接，连接点引出作控制器负极接口端。

6.根据权利要求5所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述第三场效应管、第四场效应管为N沟道场效应管。

7.根据权利要求5所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述第三电容、第四电容、第五电容为钽电容。

8.根据权利要求2所述的基于蛇形机器人的分布式机载直流供电系统，其特征在于：所述易插拔电气接口包括第一公头接口、第二公头接口和第二母头接口，

所述第一公头接口的正极分别与第二公头接口的正极、第二母头接口的正极、第一高压锂电池模块的正极、第二高压锂电池模块的正极连接；所述第一公头接口的负极分别与第二公头接口的负极、第二母头接口的负极、第一高压锂电池模块的负极、第二高压锂电池模块的负极连接。

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