TWI480723B - Robot power supply - Google Patents

Description

機器人電源供應裝置

本發明是有關於一種電源供應裝置，特別是有關於電源供應予機器人之裝置。

電池已成為日常生活之必需品，從汽、機車、各式載具至通訊產品、電腦及多媒體播放裝置等等，電池係可應用於各式領域中。一般電池於儲存能量或釋放能量時，皆係以化學反應進行轉換，且通常僅適用於低電功需求的場合。由於電池的化學反應必須克服一定的活化能，故轉換時間較長而無法快速儲存能量及釋放能量。

與電池相較之下，超電容係利用快速的表面吸附與脫附加以轉換能量。當其電極充電儲能時，其電解質中的離子會快速吸附在電解質與電極的介面處。此聚集在介面處的離子即代表超電容的電容或電容儲存之能量。當超電容於放電時，離子即迅速脫附。因此，超電容的充電、放電遠高於電池，故超電容可應用於快速充電及高輸出功率的場合。惟，一般電池使用於機器人時，因無法輸出大電流，對於機器人部分大負荷動作即無法作動。另外，若僅使用超電容於機器人時，因維持放電之時間較短，且放電時電壓會快速下降，故機器人動作將無法長時間作動且維持穩定之電壓。

有鑑於習知技藝之各項問題，為了能夠兼顧解決之，本發明人基於多年從事研究開發與諸多實務經驗，提出一種機器人電源供應裝置，以作為改善上述缺點之實現方式與依據。

有鑑於此，根據本發明之一目的，提出一種機器人電源供應裝置。當機器人作動裝 置需作大負荷之動作時，控制裝置控制超電容供應電力，以輸出大電流至機器人作動裝置。當機器人作動裝置需作中負荷或小負荷之動作時，控制裝置控制磷酸鐵鋰電池及超電容供電，以輸出中電流或小電流至機器人作動裝置。

緣是，為達上述目的，依本發明之一種機器人電源供應裝置包含一控制裝置、一磷酸鐵鋰電池、一超電容、一溫度感測裝置及一機器人作動裝置。控制裝置係具有一處理單元(例如微控制器、極限開關、場效電晶體開關)、一過熱保護單元，其中過熱保護單元係預先設定一預設溫度值。磷酸鐵鋰電池係連接控制裝置。超電容係連接控制裝置。溫度感測裝置係連接控制裝置、磷酸鐵鋰電池或超電容。當控制裝置、磷酸鐵鋰電池或超電容之溫度超過預設溫度值時，過熱保護單元係阻斷一磷酸鐵鋰電池、超電容或二者之併合所輸出之電源，藉以防止此電源傳輸至機器人作動裝置。

其中外部電源係供應磷酸鐵鋰電池及超電容。當機器人作動裝置需作一般負荷之動作時，處理單元控制磷酸鐵鋰電池供電，以輸出一般電流至機器人作動裝置。當機器人作動裝置需作大負荷之動作時，處理單元控制磷酸鐵鋰電池及超電容供電，以輸出大電流至機器人作動裝置。

承上所述，因依本發明之機器人電源供應裝置，具有以下一個或多個優點：

(1)此機器人電源供應裝置可藉由超電容重量輕、充電快速且高輸出功率的優點，藉此可提高機器人大負荷電力需求下之作動。

(2)此機器人電源供應裝置可藉由磷酸鐵鋰電池放電時間長及放電電壓穩定，可大幅提升電源的電力位準，而提供元件於中、輕負荷下之作動。

茲為使貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

1‧‧‧機器人電源供應裝置

11‧‧‧磷酸鐵鋰

12‧‧‧石墨碳

13‧‧‧電解質

14‧‧‧分隔膜

141‧‧‧孔洞

151‧‧‧正極

152‧‧‧負極

16‧‧‧電極材

17‧‧‧隔離層

18‧‧‧陽離子

19‧‧‧陰離子

2‧‧‧控制裝置

21‧‧‧處理單元

22‧‧‧第一類比數位轉換單元

23‧‧‧第二類比數位轉換單元

24‧‧‧第三類比數位轉換單元

25‧‧‧接收單元

26‧‧‧預設溫度值

27‧‧‧過熱保護單元

28‧‧‧LED顯示單元

3‧‧‧磷酸鐵鋰電池

4‧‧‧超電容

5‧‧‧機器人作動裝置

51‧‧‧手指關節作動部

52‧‧‧手肘關節作動部

53‧‧‧手腕關節作動部

54‧‧‧肩關節作動部

55‧‧‧頸作動部

56‧‧‧腰作動部

57‧‧‧膝蓋作動部

58‧‧‧腳指關節作動部

59‧‧‧踝關節作動部

501‧‧‧馬達

502‧‧‧傳動單元

6‧‧‧溫度感測裝置

7‧‧‧電腦介面

8‧‧‧外部電源

第1圖 係為本發明之機器人電源供應裝置之立體結構示意圖。

第2圖 係為本發明之第一實施例之機器人電源供應裝置方塊圖。

第3圖 係為本發明之機器人電源供應裝置之部分放大示意圖。

第4圖 係為本發明之機器人電源供應裝置之磷酸鐵鋰內部構造示意圖。

第5圖 係為本發明之機器人電源供應裝置之超電容內部構造示意圖。

第6圖 係為本發明之第二實施例之機器人電源供應裝置方塊圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之較佳實施例之機器人電源供應裝置，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請一併參閱第1圖及第2圖，其係為本發明之機器人電源供應裝置之立體結構示意圖、第一實施例之機器人電源供應裝置方塊圖。圖中，機器人電源供應裝置1包含一控制裝置2、一磷酸鐵鋰電池3(LiFePO₄)一超電容4(ultra capacitor或super capacitor)及一機器人作動裝置5。控制裝置2係具有一處理單元21，磷酸鐵鋰電池3、超電容4及機器人作動裝置5可各別連接控制裝置2，其中外部電源係供應電力予磷酸鐵鋰電池3及超電容4。

當機器人作動裝置5需作一般負荷(例如磷酸鐵鋰電池3未超過所輸出之額定電流)之動作時，處理單元21(例如微控制器、極限開關、場效電晶體開關)控制磷酸鐵鋰電池3供應電力至機器人作動裝置5，以負荷一般電流之輸出。當機器人作動裝置5需作大負荷(例如機器人作動裝置5其動作之負荷已超過磷酸鐵鋰電池3輸出之額定電流)之動作時，處理單元21控制磷酸鐵鋰電池3及超電容4二者同時供應電力至機器人作動裝置5，以負荷大電流之輸出。

請一併參閱第3圖及第5圖，其係為本發明之機器人電源供應裝置之部分放大示意圖、磷酸鐵鋰內部構造示意圖及超電容內部構造示意圖。圖中，機器人電源供應裝置包含一控制裝置2、一磷酸鐵鋰電池3(LiFePO₄)一超電容4(ultra capacitor或 super capacitor)及一機器人作動裝置5。

磷酸鐵鋰電池的內部結構(如第4圖所示)，其中電池可由金屬殼封裝，分隔膜14上側係為磷酸鐵鋰11以及相連之鋁箔正極，此鋁箔正極再與電池正極連接。磷酸鐵鋰電池內部置中處為分隔膜14，分隔膜14將其上、下二側之正極與負極分開，但鋰之陽離子可以通過分隔膜14，而電之陰離子不能通過分隔膜14，下側是由石墨碳12以及相連銅箔之負極152，此銅箔之負極152與電池負極連接。電池左、右端是電解質13。當磷酸鐵鋰電池3充電時，正極中的鋰陽離子通過分隔膜14向負極152遷移儲存電力。當磷酸鐵鋰電池3放電時，負極152中的鋰陽離子通過分隔膜18而向正極151遷移放電，因此可大幅增加儲存之電量。

超電容的內部結構(如第5圖所示)。超電容可分為兩類，亦即電雙層電容(EDLC：Electric Double-Layer Capacitor)以及增加法拉第反應的電化學電容(EC：Electrochemical Capacitor)，二者其作用方式係利用隔離層將17陰離子及陽離子分隔開，一側摻雜電極材16及陰離子18，另一側摻雜電極材16及陽離子18，藉以儲存電力。

電雙層電容(EDLC)是指正極板151及負極板152充電時，電解液中的正、負離子分別移動至正、負極板並形成電雙層結構，由此正負離子分開的現象產生電容效應，因而儲存大量之電能。此電雙層電容的電容值遠超過一般電解電容。由於電雙層電容的電極多以活性碳等導電材為主，該材料的單位質量表面積遠大於一般電解電容。此電雙層電容之間距相當於正負離子之尺寸而達奈米(nm)等級，因此，遠小於一般電解電容其介電層為微米等級。故電雙層電容的比電容可達一般電解電容數百倍以上。

電化學電容(EC)與EDLC的架構大致類似，相異處在於電極材料之不同。電化學電容將電雙層電容的碳系電極材16，改由其他活性物質取代。透過活性材料的使用，可增加電極表面離子吸附強度，以產生氧化還原反應及法拉第電流。故電化學電 容具有物理儲能效應及化學儲能。使電化學電容之比電容值超過電雙層電容數十至數百倍以上。

綜上所述，磷酸鐵鋰電池可以維持其放電時間長，放電電壓穩定之優點。一般電容器雖然充放電速度快而具有高功率密度特性，但物理儲能不佳。藉由超電容輸出功率遠大於各式電池，且使用時限較電池長久，可用以輔助磷酸鐵鋰電池加以輸出更高之功率。

請參閱第6圖，其係為本發明之機器人電源供應裝置之立體結構示意圖、機器人電源供應裝置之方塊圖。圖中，機器人電源供應裝置1包含一控制裝置2、一磷酸鐵鋰電池3(LiFePO₄)、一超電容4(ultra capacitor或super capacitor)，一機器人作動裝置5，以及視需要增加至少一馬達501、至少一傳動單元502、一溫度感測裝置6、一電腦介面7。

控制裝置2係具有一處理單元21、至少一類比數位轉換單元、一接收單元25、一過熱保護單元27及一LED顯示單元28。處理單元21可為微控制器(MCU)。至少一類比數位轉換單元於此實施例中，可為第一類比數位轉換單元22、第二類比數位轉換單元23及第三類比數位轉換單元24。過熱保護單元27係預先設定一預設溫度值26。LED顯示單元可顯示機器人電源供應裝置係為開啟狀態或關閉狀態。或者LED顯示單元可顯示該機器人電源供應裝置係以磷酸鐵鋰電池供電或超電容供電。或者LED顯示單元可顯示磷酸鐵鋰電池或超電容剩餘之電量。

磷酸鐵鋰電池3係連接控制裝置2。超電容4係連接控制裝置2。

機器人作動裝置5係連接控制裝置2，機器人作動裝置5具有手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58、踝關節作動部59。

其中，每一傳動單元502係各別連接手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕 關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59。每一馬達501係驅動對應之傳動單元502，使手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59加以作動。

溫度感測裝置6係連接控制裝置2、磷酸鐵鋰電池3或超電容4，當外部電源8輸入至控制裝置2、磷酸鐵鋰電池3或超電容4，而使控制裝置2、磷酸鐵鋰電池3或超電容4其中之一溫度超過預設溫度值26時，溫度感測裝置6所輸出之訊出經由一第一類比數位轉換單元22至處理單元21，使處理單元21驅動控制裝置2之一過熱保護單元27，以阻斷電源傳輸至機器人作動裝置5，防止機器人作動裝置5、控制裝置2、磷酸鐵鋰電池3或超電容4過熱導致毀損。

電腦介面7可輸出無線或有線之訊號，使控制裝置2之接收單元25接收無線或有線之訊號。當控制裝置2藉由其接收單元25所接收之訊號，據以使處理單元21控制磷酸鐵鋰電池3(LiFePO₄)供電予機器人作動裝置5。或者，藉由接收單元25所接收之訊號，據以使處理單元21控制磷酸鐵鋰電池3及超電容4二者同時供電予機器人作動裝置5。此外，亦可使處理單元21控制超電容4獨立供電予機器人作動裝置5。

其中藉由外部電源8供應直流電或交流電予磷酸鐵鋰電池3及超電容4。

當手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59其中之一需作一般負荷(例如磷酸鐵鋰電池3未超過所輸出之額定電流)之動作時，處理單元21經由一第二類比數位轉換單元23而切換磷酸鐵鋰電池3供應電力，以輸出中電流或小電流至手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59其中之一。

當手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59其中之一需作大負荷(例如機器人作動裝置5其動作之負荷已超過磷酸鐵鋰電池3可輸出之額定電流)之動作時，處理單元21經由一第三類比數位轉換單元24之轉換，以控制磷酸鐵鋰電池3及超電容4二者同時供應電力，以輸出大電流至手指關節作動部51、手肘關節作動部52、手腕關節作動部53、肩關節作動部54、頸作動部55、腰作動部56、膝蓋作動部57、腳指關節作動部58及踝關節作動部59其中之一。

此外，磷酸鐵鋰電池3亦稱為動力電池，與一般燃料電池相比較，係可大幅增加其輸出之電流及蓄電量。因此，本說明書中，磷酸鐵鋰電池3供電予機器人作動裝置5，而作一般負荷之動作時，係可提供高電流輸出，此磷酸鐵鋰電池3之電流輸出遠比坊間一般燃料電池高，且維持長久之供電量。惟，若機器人作動裝置5之動作已超出磷酸鐵鋰電池3所能供應之電流時，磷酸鐵鋰電池3及超電容4二者即可同時供電予機器人作動裝置5。

綜上所述，本發明即可利用外部之公用電力(utility power grid)等電源加以充電予超電容及磷酸鐵鋰電池。此種組合可完全發揮超電容充電快速及高輸出功率的優點，並且利用磷酸鐵鋰電池之特性，可維持放電時間長，放電電壓穩定以及提升電源的電力位準。亦可作為前述電源的調節機制，而提供不同負載元件之負荷使用。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧機器人電源供應裝置

2‧‧‧控制裝置

21‧‧‧處理單元

22‧‧‧第一類比數位轉換單元

23‧‧‧第二類比數位轉換單元

24‧‧‧第三類比數位轉換單元

25‧‧‧接收單元

26‧‧‧預設溫度值

27‧‧‧過熱保護單元

28‧‧‧LED顯示器

3‧‧‧磷酸鐵鋰電池

4‧‧‧超電容

5‧‧‧機器人作動裝置

51‧‧‧手指關節作動部

52‧‧‧手肘關節作動部

53‧‧‧手腕關節作動部

54‧‧‧肩關節作動部

55‧‧‧頸作動部

56‧‧‧腰作動部

57‧‧‧膝蓋作動部

58‧‧‧腳指關節作動部

59‧‧‧踝關節作動部

501‧‧‧馬達

502‧‧‧傳動單元

6‧‧‧溫度感測裝置

7‧‧‧電腦介面

8‧‧‧外部電源

Claims (4)

1. 一種機器人電源供應裝置，係使用於一機器人，包含：一電腦介面，該電腦介面係輸出無線或有線之訊號；一控制裝置，係具有一處理單元、一接收單元及一類比數位轉換單元，該接收單元係接收無線或有線之訊號；一磷酸鐵鋰電池，係連接該控制裝置；一超電容，係連接該控制裝置；一機器人作動裝置，係連接該控制裝置，該機器人作動裝置具有一手指關節作動部、一手肘關節作動部、一手腕關節作動部、一肩關節作動部、一頸作動部、一腰作動部、一膝蓋作動部、一腳指關節作動部及一踝關節作動部；以及至少一馬達及至少一傳動單元，且該每一馬達係連接該每一傳動單元，該每一傳動單元係各別連接該手指關節作動部、該手肘關節作動部、該手腕關節作動部、該肩關節作動部、該頸作動部、該腰作動部、該膝蓋作動部、該腳指關節作動部及該踝關節作動部，並使該手指關節作動部、該手肘關節作動部、該手腕關節作動部、該肩關節作動部、該頸作動部、該腰作動部、該膝蓋作動部、該腳指關節作動部及該踝關節作動部作動；其中一外部電源供應電力予該磷酸鐵鋰電池及該超電容，該控制裝置係藉由該接收單元所接收之訊號，據以使該處理單元控制該磷酸鐵鋰電池、該超電容或該磷酸鐵鋰電池與該超電容同時供電予該機器人作動裝置，當該處理模組依據該接收單元所接收之訊號判斷該機器人作動裝置需作一般負荷動作時，該處理單元控制該磷酸鐵鋰電池或該超電容供電，以輸出一般電流至該機器人作動裝置；當該處理模組依據該接收單元所接收之訊號判斷該機器人作動裝置需作大負荷動作時，該處理單元控制該磷酸鐵鋰電池及該超電容同時供電，以輸出大電流至該機器人作動裝置；其中該類比數位轉換單元藉由該處理單元發送之數位訊號，經該類比數位轉換單元轉換為類比訊號，使類比訊號傳輸至該機器人作動裝置，而輸出至該機器人作動裝置之電源係為5至12伏特直流電，且該處理單元係為微控制器(MCU)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人電源供應裝置，其中該控制裝置更具有一過熱保護單元，該過熱保護單元係預先設定一預設溫度值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之機器人電源供應裝置，更包含一溫度感測裝置，該溫度感測裝置係連接該控制裝置、該磷酸鐵鋰電池或該超電容，當該控制裝置、該磷酸鐵鋰電池或該超電容之溫度超過該預設溫度值時，該過熱保護單元係阻斷電源傳輸至該機器人作動裝置。
4. 如申請專利範圍第3項所述之機器人電源供應裝置，其中該控制裝置更具有一LED顯示單元，該LED顯示單元可顯示該機器人電源供應裝置開啟及關閉，該LED顯示單元顯示該機器人電源供應裝置係為該磷酸鐵鋰電池供電或該超電容供電，該LED顯示單元顯示該磷酸鐵鋰電池或該超電容剩餘之電量。