CN112054581A - 一种机器人关节用电池管理系统、方法及电池管理装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种机器人关节用电池管理系统、方法及电池管理装置，涉及机器人技术领域。该系统包括储能电容，其输入端通过能量回收通路与电机控制单元电连接，用于对电机制动运行时产生的能量进行回收，其输出端通过充电电路与编码器的供电电池电连接，用于利用回收能量向供电电池充电；电池管理单元，分别与储能电容和供电电池电连接，用于监控储能电容和供电电池的电压，且与能量回收通路和所述充电电路电连接，用于控制能量回收通路和所述充电电路的通断；通过对电机制动运行时产生的能量进行回收，并利用回收的能量对编码器的供电电池进行充电，延长供电电池的使用周期，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

Description

一种机器人关节用电池管理系统、方法及电池管理装置

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种机器人关节用电池管理系统、方法及电池管理装置。

背景技术

目前大部分的机器人关节系统在电机轴端使用绝对位置编码器记录电机旋转角度，由于电机轴端和关节负载终端存在一定的传动比，需要将绝对位置编码器的圈数数据和绝对位置信息融合，才能准确计算出机器人末端关节的角度信息。为此绝对位置编码器通常需要配备一个电池模块，当系统断电时仍能记录其圈数信息，即使系统断电状态下机器人关节发生被迫移动，系统在下次上电时仍可以通过不间断记录的圈数信息和绝对位置信息解算出当前末端关节的空间绝对位置信息。

因此，电池具有向绝对位置编码器持续供电的作用，但随着长时间运行电量终将耗尽，需要对电池进行更换，关节模组的复杂集成化结构给电池更换带来了极大的挑战，大大增加了系统的维护成本。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种机器人关节用电池管理系统、方法及电池管理装置，通过对电机制动运行时产生的能量进行回收，并利用回收的能量对编码器的供电电池进行充电，延长供电电池的使用周期，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

本申请实施例提供了一种机器人关节用电池管理系统，包括：

储能电容，其输入端通过能量回收通路与电机控制单元电连接，用于对电机制动运行时产生的能量进行回收，其输出端通过充电电路与编码器的供电电池电连接，用于利用回收能量向所述供电电池充电；

电池管理单元，分别与所述储能电容和所述供电电池电连接，用于监控所述储能电容和所述供电电池的电压，且与所述能量回收通路和所述充电电路电连接，用于控制所述能量回收通路和所述充电电路的通断。

在上述实现过程中，通过储能电容存储电机制动运行所产生的能量，实现能量的回收利用；通过电池管理单元不仅能够控制储能电容的能量回收而且可以控制储能电容向编码器的供电电池的充电，使得供电电池保持满电状态，持续向编码器供电，延长供电电池的使用周期，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

进一步地，所述电机控制单元包括能量回馈开关，所述能量回收通路包括：

第一电子开关，其输入端连接能量回馈开关，其输出端连接所述储能电容和能耗制动单元，用于与所述储能电容导通以开启能量回收通路或与所述能耗制动单元导通，以开启能耗制动模式；

所述电池管理单元与所述第一电子开关电连接，用于根据所述储能电容的电压状态控制所述第一电子开关的启闭，以控制所述能量回收通路的通断。

在上述实现过程中，电池管理单元用于根据储能电容的电压状态控制第一电子开关的启闭状态，需要充电时，将能量回馈开关与储能电容导通进行充电，当储能电容处于满电状态时，通过控制第一电子开关切断能量回收通路，使得能量回馈开关与能耗制动单元导通，通过能量制动将进行能量消耗，通过第一电子开关实现了能量回收通路和能耗制动的切换。

进一步地，所述充电电路包括：

第二电子开关，其输入端与所述储能电容电连接，其输出端与所述供电电池电连接，所述电池管理单元与所述第二电子开关电连接，用于根据所述供电电池的电压状态控制所述第二电子开关的启闭，以控制所述充电电路的通断。

在上述是实现过程中，通过第二电子开关控制充电电路的启闭，便于储能电容向供电电池充电，使得供电电池保持满电状态，延长供电电池的工作时间。

本申请实施例还提供一种机器人关节用电池管理方法，应用于电池管理单元，所述方法包括：

读取供电电池的电压，以判断所述电压是否低于低电压阈值；

若是，则控制充电电路开启；

读取储能电容的电压，以判断所述储能电容是否处于满电状态；

若否，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容，并利用所述储能电容对所述供电电池充电。

在上述是实现过程中，通过储能电容的电压判断其是否需要充电，以控制能量回收通路的启闭；通过供电电池的电压判断是否需要充电，以控制充电电路的启闭；利用储能电容回收到的能量对供电电池进行充电，不仅将电机制动运行时所产生的能量进行回收并加以利用，节能环保而且延长了供电电池的工作时间，避免更换供电电池所增加的成本问题，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

所述方法还包括：

若所述储能电容已处于满电状态，则控制能量回收通路关闭，并切换至能量制动模式，以消耗电机制动能量。

在上述实现过程中，如果储能电容处于满电状态则无法再回收电机制动所产生的能量，则切换至能量制动模式，以消耗电机制动能量，这样做的好处是机器人进行急加、减速动作时，电机紧急制动将引起母线电压泵生，因此需要切换至能量制动模式，进行能量消耗，提高电机工作的安全性。

进一步地，所述若是，则控制充电电路开启，以通过储能电容回收的能量对所述供电电池进行充电，包括：

若所述供电电池的电压达到低电压阈值，则控制第二电子开关开启，以开启所述充电电路，使得所述储能电容向所述供电电池充电。

在上述实现过程中，通过判断供电电池的电压达到低电压阈值来触发第二电子开关的开启对供电电池充电，且可以监控供电电池的电压状态。

进一步地，所述若否，则控制能量回收通路开启，以通过能量回收通路对所述储能电容进行充电，包括：

若所述储能电容没有处于满电状态，则控制第一电子开关开启，以开启能量回收通路，对所述储能电容进行充电。

在上述实现过程中，对储能电容的电压进行监控，当需要充电时，控制第一电子开关开启能量回收通路，通过回收电机制动能量来岁储能电容进行充电，实现能量的回收利用。

本申请实施例还提供一种电池管理装置，所述装置包括：

电池电压获取模块，用于读取供电电池的电压，以判断所述电压是否低于低电压阈值；

充电电路控制模块，若所述供电电池的电压低于低电压阈值，则控制充电电路开启；

电容电压获取模块，用于读取储能电容的电压，以判断所述储能电容是否处于满电状态；

能量回收通路控制模块，用于若没有处于满电状态，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容，并利用所述储能电容对所述供电电池充电。

在上述实现过程中，通过对电机制动运行时产生的能量进行回收，并利用回收的能量对编码器的供电电池进行充电，延长供电电池的使用周期，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使计算机设备执行上述中任一项所述机器人关节用电池管理方法。

本申请实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行上述中任一项所述的机器人关节用电池管理方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的机器人关节用电池管理系统的结构框图；

图2为本申请实施例提供的机器人关节控制系统结构爆炸图；

图3为本申请实施例提供的能量回收控制流程图；

图4为本申请实施例提供的机器人关节用电池管理方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的电池管理单元的控制流程图；

图6为本申请实施例提供的电池管理装置的结构框图。

图标：

100-电池电压获取模块；200-充电电路控制模块；300-电容电压获取模块；400-能量回收通路控制模块；501-驱动器；502-电磁制动器；503-无框力矩电机；504-减速器；505-一体化关节；506-增量编码器；507-绝对位置编码器；601-能量回馈开关；602-储能电容；603-电池管理单元；604-供电电池；605-第一电子开关；606-第二电子开关。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

请参看图1，图1为本申请实施例提供的一种机器人关节用电池管理系统的结构框图。该系统包括能量回馈开关601、储能电容602、电池管理单元603和绝对位置编码器507的供电电池604，具体地：

机器人关节控制系统包括无框力矩电机503、减速器504、驱动器501、绝对位置编码器507、电磁制动器502、一体化关节505和增量编码器506等，如图2所示，为机器人关节控制系统结构爆炸图，由于多关节机器人行走所需要的紧凑结构空间，一体化的机器人关节具有高模块化集成设计的特点，因此对绝对位置编码器507的供电电池604的更换造成一定的困难并增加了成本。

行走类多关节机器人常常需要完成急加速、急减速动作，在此过程中，对于机器人关节电机控制器而言，紧急制动下将引起母线电压泵生，如若处理不当，泵生电压将击穿功率器件和滤波电容，因此需要将再生能量消耗掉。在本方法中，利用储能电容602(超级电容)对电机制动运行产生的能量进行回收利用，减少能量的浪费，起到节能环保的作用；而绝对位置编码器507的供电电池604一方面由于一直处于工作状态，导致电量消耗较快，另一方面由于其安装位置导致更换操作复杂且成本较高，因此，将储能电容602回收的能量用于对供电电池604进行充电，不仅回收利用了电机制动产生的能量而且延长了供电电池604的使用周期，一举两得。

储能电容602的输入端通过能量回收通路与电机控制单元电连接，用于对电机制动运行时产生的能量进行回收，其输出端通过充电电路与绝对位置编码器507的供电电池604电连接，用于利用回收能量向供电电池604充电；

具体地，电机控制单元包括能量回馈开关601，能量回收通路包括第一电子开关605：

第一电子开关605的输入端连接能量回馈开关601，其输出端连接储能电容602和能耗制动单元，用于与储能电容602导通以开启能量回收通路或与能耗制动单元导通，以开启能耗制动模式；

电池管理单元603与第一电子开关605电连接，用于根据储能电容602的电压状态控制第一电子开关605的启闭，以控制能量回收通路的通断。

第一电子开关605在电池管理单元603的控制下，可以模式切换(包括能量回收和能耗制动两种模式)。能量回馈开关601的输入端与电机驱动器控制单元和电机驱动器功率单元电连接，电机驱动器功率单元与电机如永磁同步电机(Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM)电连接，用于对电机进行控制，在此过程中，电机驱动器控制单元根据能量回收需要打开能量回馈开关601，以通过能量回收通路进行能量回收，如图3所示，为能量回收控制流程图，电压驱动器控制单元将读取母线电压值，以判断母线电压值是否超限，若是，则打开能量回收开关进行能量回收，并执行FOC运算(磁场定向控制，是一种电机控制技术)，电池管理单元603将控制第一电子开关605的开启，使得回收的能量存储至储能电容602以便后续进行能量的再利用，如果储能电容602处于满电状态则将以能耗制动的方式消耗掉。

电池管理单元603分别与储能电容602和供电电池604电连接，用于监控储能电容602和供电电池604的电压，且与能量回收通路和充电电路电连接，用于控制能量回收通路和充电电路的通断。

充电电路包括第二电子开关606，其输入端与储能电容602电连接，其输出端与供电电池604电连接，电池管理单元603与第二电子开关606电连接，用于根据供电电池604的电压状态控制所述第二电子开关606的启闭，以控制充电电路的通断，具体地，当检测到供电电池604需要充电时，开启第二电子开关606，使得储能电容602向供电电池604充电，以确保供电电池604具有足够电量向绝对位置编码器507进行供电。

由上述可知，利用储能电容602进行能量回收，并利用回收到的能量对绝对位置编码器507的供电电池604进行充电，通过该方法不仅能够充分利用电机制动运行产生的能量，而且延长了供电电池604的使用周期，避免了其能量耗尽进行更换时所增加的成本问题，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

实施例2

本申请实施例提供一种机器人关节用电池管理方法，应用于实施例1中的电池管理单元603，如图4所示，为机器人关节用电池管理方法的流程图，该方法包括：

步骤S100：读取供电电池604的电压，以判断电压是否低于低电压阈值；

步骤S200：若是，则控制充电电路开启，以通过所述储能电容602回收的能量对所述供电电池604进行充电；

若储能电容602没有处于满电状态，则控制第一电子开关605开启，以开启能量回收通路，对储能电容602进行充电。

步骤S300：读取储能电容602的电压，以判断储能电容602是否处于满电状态；

步骤S400：若否，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容602；

若所述储能电容602已处于满电状态，则控制能量回收通路关闭，并切换至能量制动模式，以消耗电机制动能量。

在上述实现过程中，如图5所示，为电池管理单元603的控制流程图，电池供电单元对供电电池604的电压进行监控，以便定期获取其电压信息，并对获取的供电电池604的电压进行判断，如通过预设的低电压阈值来判断其是否需要充电；若电池电压低于低电压阈值，则控制第二电子开关606开启，以通过储能电容602对供电电池604进行充电，并对供电电池604进行充电管理，监控其电压状态，在充满时关闭第二电子开关606；若电池电压高于低电压阈值则说明此时供电电池604不需要充电，则关闭第二电子开关606。

在利用储能电容602对供电电池604进行充电时，需要监控储能电容602的电压状态，判断储能电容602的电压状态，以便及时向储能电容602蓄能，具体地，读取储能电容602的电压，并判断储能电容602的电压是否处于满电状态，若是则切换第一电子开关605至能耗制动单元，若否，则切换第一电子开关605至能量回收模式，控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容602，同时对储能电容602进行充电管理，直至其处于满电状态(达到设定阈值)。

通过监控储能电容602和供电电池604的电压状态，控制能量回收通路和充电电路的通断，即可以将能量回收至储能电容602，再利用储能电容602对供电电池604进行充电，利用回收能量延迟供电电池604的使用周期，降低成本。

实施例3

本申请实施例提供一种电池管理装置，该装置应用于实施例2的机器人关节用电池管理方法中的电池管理单元603，如图6所示，为电池管理装置的结构框图，该装置具体包括：

电池电压获取模块100，用于读取供电电池604的电压，以判断所述电压是否低于低电压阈值；

充电电路控制模块200，若所述供电电池604的电压低于低电压阈值，则控制充电电路开启；若所述供电电池604的电压达到低电压阈值，则控制第二电子开关606开启，以开启所述充电电路，使得所述储能电容602向所述供电电池604充电；

电容电压获取模块300，用于读取储能电容602的电压，以判断所述储能电容602是否处于满电状态；

能量回收通路控制模块400，用于若没有处于满电状态，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容602，并利用所述储能电容602对所述供电电池604充电；若所述储能电容602已处于满电状态，则控制能量回收通路关闭，并切换至能量制动模式，以消耗电机制动能量。

通过对电机制动运行时产生的能量进行回收，并利用回收的能量对编码器的供电电池604进行充电，延长供电电池604的使用周期，解决了机器人关节模组内置电池更换维护复杂、增加成本的问题。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使计算机设备执行实施例2中任一项所述机器人关节用电池管理方法。

本申请实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行实施例2中任一项所述的机器人关节用电池管理方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种机器人关节用电池管理系统，其特征在于，包括：

储能电容，其输入端通过能量回收通路与电机控制单元电连接，用于对电机制动运行时产生的能量进行回收，其输出端通过充电电路与编码器的供电电池电连接，用于利用回收能量向所述供电电池充电；

电池管理单元，分别与所述储能电容和所述供电电池电连接，用于监控所述储能电容和所述供电电池的电压，且与所述能量回收通路和所述充电电路电连接，用于控制所述能量回收通路和所述充电电路的通断。

2.根据权利要求1所述的机器人关节用电池管理系统，其特征在于，所述电机控制单元包括能量回馈开关，所述能量回收通路包括：

第一电子开关，其输入端连接能量回馈开关，其输出端连接所述储能电容和能耗制动单元，用于与所述储能电容导通以开启能量回收通路或与所述能耗制动单元导通，以开启能耗制动模式；

所述电池管理单元与所述第一电子开关电连接，用于根据所述储能电容的电压状态控制所述第一电子开关的启闭，以控制所述能量回收通路的通断。

3.根据权利要求1所述的机器人关节用电池管理系统，其特征在于，所述充电电路包括：

第二电子开关，其输入端与所述储能电容电连接，其输出端与所述供电电池电连接，所述电池管理单元与所述第二电子开关电连接，用于根据所述供电电池的电压状态控制所述第二电子开关的启闭，以控制所述充电电路的通断。

4.一种机器人关节用电池管理方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的电池管理单元，所述方法包括：

读取供电电池的电压，以判断所述电压是否低于低电压阈值；

若是，则控制充电电路开启；

读取储能电容的电压，以判断所述储能电容是否处于满电状态；

若否，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容，并利用所述储能电容对所述供电电池充电。

5.根据权利要求4所述的机器人关节用电池管理方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述储能电容已处于满电状态，则控制能量回收通路关闭，并切换至能量制动模式，以消耗电机制动能量。

6.根据权利要求4所述的机器人关节用电池管理方法，其特征在于，所述若是，则控制充电电路开启，包括：

若所述供电电池的电压达到低电压阈值，则控制第二电子开关开启，以开启所述充电电路，使得所述储能电容向所述供电电池充电。

7.根据权利要求4所述的机器人关节用电池管理方法，其特征在于，所述若否，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容，并利用所述储能电容对所述供电电池充电，包括：

若所述储能电容没有处于满电状态，则控制第一电子开关开启，以开启能量回收通路，对所述储能电容进行充电。

8.一种电池管理装置，其特征在于，所述装置包括：

电池电压获取模块，用于读取供电电池的电压，以判断所述电压是否低于低电压阈值；

充电电路控制模块，若所述供电电池的电压低于低电压阈值，则控制充电电路开启；

电容电压获取模块，用于读取储能电容的电压，以判断所述储能电容是否处于满电状态；

能量回收通路控制模块，用于若没有处于满电状态，则控制能量回收通路开启，以将电机制动运行时产生的能量回收至储能电容，并利用所述储能电容对所述供电电池充电。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使计算机设备执行根据权利要求4至7中任一项所述机器人关节用电池管理方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行权利要求4至7任一项所述的机器人关节用电池管理方法。

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