CN104767277A - 一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，它包括主电池、辅电池、电源切换模块、电源开关模块、电源预处理模块、信号采样模块、硬件保护模块、中央处理器模块和语音模块。本发明提供了一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，能够检测电源电池的电压、电流、温度是否处在正常状态，在有参数不正常的情况下通过语音模块进行预警，更为紧急的情况下自动切断所有电机的供电；并且能统计电量使用情况和电池的剩余电量，在主电池电量不足，辅电池电量充足情况下，自动把系统供电切换到辅电池并语音提醒，主辅电池均电量不足的情况下通过语音模块提示用户及时更换电池。

Description

一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统
技术领域
本发明涉及一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统。
背景技术
现有的电源管理系统具有很普遍的检测电压电流等基本功能而并没有电池状态的智能判断的功能，比如说以色列的外骨骼机器人rewalk，它的电源管理只有电池电量的检测，然后通过佩戴在手腕的手表显示电池剩余的电量，这样对于一些突发情况下的电源电池安全就会产生不利。
电源管理系统本来就是一种电源电池的控制器，但是随着对系统持续工作时间、系统的安全性要求的提高，以及对智能化、人性化要求的提高，普通的电管控制模块一定程度上以及不能满足用户的需求。
外骨骼机器人目前主要用于截瘫患者的使用，通过电源电池给外骨骼提供动力，驱动外骨骼上各个关节处的电机带动患者进行运动，以及给外骨骼的控制中枢供电，因而外骨骼的安全性显得尤为重要，而其中电源电池的更是关乎到系统能否正常工作的关键，作为管理系统供电电池的管理模块，也是作为外骨骼不可或缺的一部分。
因此，迫切需要一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，能够检测电源电池的电压、电流、功率是否处在正常状态，在有参数不正常的情况下通过语音模块进行预警，更为紧急的情况下自动切断所有电机的供电；并且能统计电量使用情况和电池的剩余电量，在主电池电量不足，辅电池电量充足情况下，自动把系统供电切换到辅电池并语音提醒，主辅电池均电量不足的情况下通过语音模块提示用户及时更换电池。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，能够检测电源电池的电压、电流、功率是否处在正常状态，在有参数不正常的情况下通过语音模块进行预警，更为紧急的情况下自动切断所有电机的供电；并且能统计电量使用情况和电池的剩余电量，在主电池电量不足，辅电池电量充足情况下，自动把系统供电切换到辅电池并语音提醒，主辅电池均电量不足的情况下通过语音模块提示用户及时更换电池。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，它包括主电池、辅电池、电源切换模块、电源开关模块、电源预处理模块、信号采样模块、硬件保护模块、中央处理器模块和语音模块；所述的电源切换模块的输入端分别与主电池和辅电池连接，电源切换模块的输出端与电源开关模块连接，电源开关模块的输出端与电源预处理模块连接，电源预处理模块的输出端连接到外部的工作电路；所述的信号采样模块对电源预处理模块处理后的电流信号、电压信号和当前使用的电池的温度信号进行采集，信号采样模块的输出端分别与中央处理器模块和硬件保护模块连接，所述的硬件保护电路的输出端与中央处理器模块连接；所述的中央处理器模块的输出端分别与电源切换模块、电源开关模块和语音模块连接。
所述的电源预处理模块包括整流单元。
所述的硬件保护模块包括数字逻辑电路CPLD，用于将信号采集模块的采集到的电流信号、电压信号和温度信号转换为开关量信号。
所述的中央处理器模块包括信号接收单元、信号处理单元、控制单元；所述的信号接收单元用于接收来自信号采样模块的电流信号、电压信号和来自硬件保护模块的开关量信号；所述的信号处理单元用于对接收到的信号进行计算处理；所述的控制单元用于根据信号处理单元计算处理结果对电源切换模块、电源开关模块和语音模块进行控制。
所述的电源开关模块包括电源开关按钮和电源开关电路。
所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统还包括一个通信模块，所述的通信模块包括用于与上位机进行通信的蓝牙单元和用于与外部设备连接的SPI接口。
所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统还包括一个用于与外部的工作电路的控制中心进行通信的CAN总线接口。
所述的外部的工作电路为外骨骼机器人的工作电路。
本发明的有益效果是：（1）能够检测电源电池的电压、电流、功率是否处在正常状态，如果其中有一项参数不正常就通过语音模块进行预警，更为紧急的情况下自动切断所有电机的供电，保障了系统的安全；（2）能统计电量使用情况和电池的剩余电量，在主电池电量不足，辅电池电量充足情况下，自动把系统供电切换到辅电池并语音提醒，主辅电池均电量不足的情况下通过语音模块提示用户及时更换电池；（3）控制电机部分的大电流电路和数字控制电路做了良好的隔离，使系统更加安全稳定；（4）电源预处理模块的整流单元对电源电池输出的电流进行处理使供电电压稳定而持续，有助于提高系统稳定性；（5）通过CAN总线接口将电池各项状态参数上传给外骨骼控制中心，能够接受外骨骼机器人控制中心的命令，通过通信模块将参数上传PC终端且能够接受PC终端的命令。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，它包括主电池、辅电池、电源切换模块、电源开关模块、电源预处理模块、信号采样模块、硬件保护模块、中央处理器模块和语音模块；所述的电源切换模块的输入端分别与主电池和辅电池连接，电源切换模块的输出端与电源开关模块连接，电源开关模块的输出端与电源预处理模块连接，电源预处理模块的输出端连接到外部的工作电路；所述的信号采样模块对电源预处理模块处理后的电流信号、电压信号和当前使用的电池的温度信号进行采集，信号采样模块的输出端分别与中央处理器模块和硬件保护模块连接，所述的硬件保护电路的输出端与中央处理器模块连接；所述的中央处理器模块的输出端分别与电源切换模块、电源开关模块和语音模块连接。
所述的电源预处理模块包括整流单元。
所述的硬件保护模块包括数字逻辑电路CPLD，用于将信号采集模块的采集到的电流信号、电压信号和温度信号转换为开关量信号。
所述的中央处理器模块包括信号接收单元、信号处理单元、控制单元；所述的信号接收单元用于接收来自信号采样模块的电流信号、电压信号和来自硬件保护模块的开关量信号；所述的信号处理单元用于对接收到的信号进行计算处理；所述的控制单元用于根据信号处理单元计算处理结果对电源切换模块、电源开关模块和语音模块进行控制。
所述的电源开关模块包括电源开关按钮和电源开关电路。
所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统还包括一个通信模块，所述的通信模块包括用于与上位机进行通信的蓝牙单元和用于与外部设备连接的SPI接口。
所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统还包括一个用于与外部的工作电路的控制中心进行通信的CAN总线接口。
所述的外部的工作电路为外骨骼机器人的工作电路。
通常情况下,最初在需要电源工作时,通过电源开关模块的电源开关开关按钮打开电源开关电路,主电池开始供电。
来自主电池的电流经过电源切换模块和电源开关模块后进入电源预处理模块,通过电源预处理模块的整流单元整流后对工作电路供电；在供电过程中，信号采样模块对整流单元整流后的电流信号和电压信号进行采集，将采集到的电流信号和电压信号分别传输给硬件保护模块和中央处理器模块的信号接收单元，同时对当前使用的电池的温度信号进行采集，采集完成后将温度信号发送给硬件保护模块；硬件保护模块的数字逻辑电路CPLD将来自信号采样模块的电流信号、电压信号和温度信号转换为开关量信号并将开关量信号传输给中央处理器模块的信号接收单元。
中央处理器模块的信号接收单元将接收到的开关量信号传递给信号处理单元，信号处理单元根据接收到开关量信号与信号处理单元中预先存储的正常范围A对比，判断开关量信号是否在正常范围A内，当开关量信号不在正常范围A内时，则证明系统工作处于不正常状态，在工作状态不正常的情况下，当开关量信号与正常范围A差距小于范围B时，控制单元控制语音模块发出“系统工作不正常”的提醒，在开关量信号与正常范围A差距大于正常范围B时，控制单元控制电源开关模块强制切断电源以保证安全。
中央处理器模块的信号处理单元根据信号接收单元接收到的电流信号和电压信号对实时功率进行计算，电流积分测算出当主电池能持续工作的剩余时间，当剩余时间小于一定值时，控制单元控制语音模块进行提醒“主电池电量不足，请及时更换主电池”，并控制电源切换模块切换为辅电池供电，并在辅电池电量也不足时，控制语音模块再次进行提醒“主电池和辅电池电量不足，请及时更换电池”。

Claims (8)

1.一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：它包括主电池、辅电池、电源切换模块、电源开关模块、电源预处理模块、信号采样模块、硬件保护模块、中央处理器模块和语音模块；所述的电源切换模块的输入端分别与主电池和辅电池连接，电源切换模块的输出端与电源开关模块连接，电源开关模块的输出端与电源预处理模块连接，电源预处理模块的输出端连接到外部的工作电路；所述的信号采样模块对电源预处理模块处理后的电流信号、电压信号和当前使用的电池的温度信号进行采集，信号采样模块的输出端分别与中央处理器模块和硬件保护模块连接，所述的硬件保护电路的输出端与中央处理器模块连接；所述的中央处理器模块的输出端分别与电源切换模块、电源开关模块和语音模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：所述的电源预处理模块包括整流单元。
3.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：所述的硬件保护模块包括数字逻辑电路CPLD，用于将信号采集模块的采集到的电流信号、电压信号和温度信号转换为开关量信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：所述的中央处理器模块包括信号接收单元、信号处理单元、控制单元；所述的信号接收单元用于接收来自信号采样模块的电流信号、电压信号和来自硬件保护模块的开关量信号；所述的信号处理单元用于对接收到的信号进行计算处理；所述的控制单元用于根据信号处理单元计算处理结果对电源切换模块、电源开关模块和语音模块进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：所述的电源开关模块包括电源开关按钮和电源开关电路。
6.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：还包括一个通信模块，所述的通信模块包括用于与上位机进行通信的蓝牙单元和用于与外部设备连接的SPI接口。
7.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：还包括一个用于与外部的工作电路的控制中心进行通信的CAN总线接口。
8.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的数字电源管理系统，其特征在于：所述的外部的工作电路为外骨骼机器人的工作电路。
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