[发明专利]一种用于小型双足步行机器人的电源管理系统

说明书

技术领域

本发明涉及人工智能技术及电力电子技术，尤其涉及一种智能化的机器人电源管理系统。

背景技术

目前机器人与人类接触的机会越来越多，这就对机器人的稳定性、安全性耐用性提出了更高的要求，而这与电源的是否稳定可靠以及整个系统的低功耗有着密切的关系。因此需要研制一套稳定可靠而又节能的电源管理系统。

小型双足步行机器人通常由多个舵机(位置伺服电机)和机械构件连接组合而成，通过控制器协调控制各个舵机的转动来让机器人做各种动作。

机器人的控制电路板主要包括核心控制器、电源管理、舵机控制、存储控制、通信、传感器信息处理等几个部分，分别相当于人体的大脑、消化和循环系统、运动系统、大脑的记忆系统、神经系统和感受器。除了核心控制器的作外，电源管理的“后勤保障”作用也不能忽视。事实上相当于消化系统的充电器、电池和相当于血液循环系统的电源再分配，所组成的电源管理系统的充电效率、电池能量密度、电源稳定性和抗干扰能力直接影响了机器人的整体性能。

为了便于行走及做其它复杂动作，机器人必须由自备电源供电，最常用的是由充电电池供电。在这方面和笔记本电脑极为相似。笔记本电脑最大的特点就是它的可移动性，电源系统是其灵活性和稳定性的根本。经过多年的积累，笔记本电源技术已经相当成熟，如基于SBDatya、SMBus等技术的标准智能电池系统，以及包含UPS的智能化电源管理系统。因此本发明也针对小型步行机器人设计出电管理系统，以保证机器人稳定、可靠而又安全的运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于小型双足步行机器人的电源管理系统，实现机器人的不间断供电，同时对电源实时监控和保护，有利于提高机器人的稳定性、可靠性和安全性。

电源管理系统主要包括：

一组额定电压7.4v、容量1500mAh的锂聚合物电池，作为机器人主电源。

一个12V/5A的直流稳压电源，用于锂聚合物电池的充电和机器人外电源供电。

一个充电电路，用于锂聚合物电池的快速充电。

一个电池保护电路，防止锂聚合物电池在充放电过程中出现短路、正负极反接、过充电、过放电、过电流、过温度等现象。

一个监测报警电路，用数码管实时显示电池的电压和剩余电量，一旦出现异常用蜂鸣器和指示灯报警。

一个切换开关，用于电池与直流稳压电源供电切换，供电时只能选择二者之一。

一个控制器，控制电池的充电、保护、监测报警和供电切换。

一个多路稳压输出模块，提供12v、7.2v、5v、3.3v等多个稳定的电压输出，为机器人的舵机、传感器、控制电路板提供可靠的电源。

也就是说，除了直流稳压电源适配器和充电电池外，整个电源管理系统由六个模块组成：控制器、充电电路、电源保护、电源监测与报警、切换电路、多路稳压输出。总体设计框架如图1所示，直流稳压电源是给机器人供电和为充电电池的充电的备用电源，而充电器则是作为机器人和整个电源管理系统的主要电源，控制器作为整个电源管理系统的核心负责协调控制电池的充电、保护、监测、报警、主电源与备用电源切换和多路稳压输出，具体过程如下所述：

锂聚合物电池在出厂时都有一定的电量，初始电压值通常为额定电压值V0(标准值为7.4v)，可以同时给机器人和电源管理系统自身供电，监测报警电路实时显示电池的电压和剩余电量。随着电量的消耗，当电池的电压低于最低放电电压V₁(标准值为5.5v)时，开始报警提示充电，如置之不理，保护电路起作用，为防止过放电，将切断机器人供电，只给电源管理系统自身供电(系统自身耗能很少，可以长时间报警)；若接通直流稳压电源，将开始给电池充电，并同时切断电池的放电端，切换到由外接电源给机器人和电源管理系统供电，当电池电压达到饱和值V₂(标准值为8.4v)时，将切断充电电路，并报警提示充满；若此时断开直流稳压电源，切换电路迅速转换到由电池供电，从而实现不间断供电。

整个系统中除了控制器外，保护电路和监测报警电路非常关键。在电池放电过程中，一旦出现短路、正负极接反、电压低于最低放电电压V₁、电流高于最大放电电流I_discharge、温度高于正常工作温度T时，保护电路都会立刻作用，切断电池放电端，并开始报警；同样，在充电过程中，如果出现短路、反接、过温度、电压高于饱和电压值V₂、电流高于最大充电电流I_charge，保护电路也会切断电池放电并报警。从而，保证了充电电池的安全使用。