專利名稱：一種移動式機器人電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種移動式機器人電源，它涉及長時間作業(yè)需求的移動式機器人電源,屬于機器人能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在國防、醫(yī)療、工業(yè)、海洋探測、航空航天、交通等諸多方面，移動式機器人顯示出越來越廣闊的應(yīng)用前景，它己經(jīng)引起了世界各國的極大關(guān)注。許多國家都把機器人技術(shù)列入本國的高技術(shù)研究發(fā)展計劃或關(guān)鍵技術(shù)研究計劃，如美國的"國家關(guān)鍵技術(shù)"計劃，歐
共體的"尤里卡計劃"等。
隨著世界人口的增長，社會發(fā)展對能源的需求也不斷增加。世界能源的短缺問題，能源與環(huán)境污染問題都促使各國努力的研究開發(fā)新能源和環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，以及進行環(huán)保節(jié)能技術(shù)的研發(fā)。"十一五"期間，國家863計劃中專門對工業(yè)能源消耗和資源環(huán)境方面加以強調(diào)，機器人的能源消耗成為機器人應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的問題之一。
目前國內(nèi)外移動式機器人的電源主要有三種(1)獨立蓄電池，它是最為常見、應(yīng)用
最廣泛的機器人電源。(2)太陽能和蓄電池組合，利用太陽能為機器人充電，大大擴展了移動式機器人的作業(yè)范圍，延長了機器人的作業(yè)時間。(3)電容器和蓄電池組合，它充分利用了蓄電池和電容器各自的優(yōu)點，采用蓄電池為機器人的控制單元供電，電容器為機器人的驅(qū)動伺服機構(gòu)供電，使機器人的作業(yè)時間有了較長的增加。以上現(xiàn)有移動式機器人電源的缺點有
(1) 獨立蓄電池，雖然它是最為常見、應(yīng)用最廣泛的電源，但是它必須與提供能量的充電站相配合，大大限制了機器人的作業(yè)范圍。
(2) 太陽能和蓄電池組合，它是針對獨立蓄電池的缺點而提出的，使機器人擺脫了對充電站的依賴。但是，它會使機器人的初次作業(yè)充電時間較長，給機器人的作業(yè)帶來不便。
(3) 電容器和蓄電池組合，充分利用了蓄電池和電容器各自的優(yōu)點，使機器人的作業(yè)時間有了較長的增加，但在機器人頻繁的制動過程中，制動反饋的再生能量只能通過能耗電阻消耗掉，沒有達到能源的再生利用，且增加了整個機器人的熱污染。
綜上所述，目前機器人的使用中主要存在以下的問題 一是機器人的頻繁啟動、制動中，短短的幾秒鐘內(nèi)完成啟動與制動，需要很大的功率，而蓄電池不能提供這樣大的瞬時功率，而且頻繁地啟動對蓄電池的壽命而言也是很大的威脅；二是機器人頻繁的制動過程中，制動反饋的再生能量只能通過能耗電阻消耗掉，沒有達到能源的再生利用，電阻發(fā)熱消耗再生能量既浪費了能源又增加了整個機器人的熱污染。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有移動式機器人電源的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種適用于長時間作業(yè)需求的移動式機器人電源，該電源具有容錯供電功能與電能回饋功能。在移動式機器人的電源系統(tǒng)中使用新型的混合動力技術(shù)，即在蓄電池的基礎(chǔ)上加入由超級電容器組成的儲能單元，使機器人在運行的過程中充分利用其自身回饋的再生能量達到環(huán)保節(jié)能的目的。與原來同等容量的機器人電源系統(tǒng)相比，新型機器人電源系統(tǒng)的能源有效利用率得到大幅度提高，在相同工作條件下，工作時間延長，充電時間減少。
本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提供一種移動式機器人電源,它包括有-
啟動供電單元，負責(zé)移動式機器人在啟動時的能量消耗，完成整個啟動過程。作業(yè)供電單元，用來滿足移動式機器人在作業(yè)時的能量消耗，滿足移動式機器人作業(yè)
需求°
能量回饋單元，利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能，完成能源的再生利用。
容錯控制單元，容錯控制單元自動調(diào)配各單元，實現(xiàn)移動式機器人電源的容錯供電功能。在整個電源系統(tǒng)中，各電源成分具有互補作用，如果某個儲能單元出現(xiàn)故障，通過容錯控制策略，機器人電源系統(tǒng)可自動隔離故障單元，保證了移動式機器人作業(yè)的連續(xù)性。
本發(fā)明的移動式機器人電源由超級電容器、鎳氫電池和鋰離子電池組成，超級電容器作為輔助能源(二次能源)，鎳氫電池和鋰離子電池作為主能源，其中，鎳氫電池主要負責(zé)機器人的啟動供電，鋰離子電池主要負責(zé)機器人作業(yè)供電。機器人啟動時，由超級電容
器與鎳氫電池共同供電，完成整個啟動過程；在啟動過程結(jié)束后，由鋰離子電池供電滿足機器人作業(yè)需求。
電源中超級電容器、鎳氫電池和鋰離子電池分別指一個或多個超級電容器， 一個或多個鎳氫電池和一個或多個鋰離子電池，也就是說，移動式機器人電源由超級電容器(組)、鎳氫電池(組)和鋰離子電池(組)組成。根據(jù)實際情況，超級電容器組由多個超級電容器串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)并聯(lián)混合組成，鎳氫電池組由多個鎳氫電池串聯(lián)組成，鋰離子電池組由多個鋰離子電池串聯(lián)組成。超級電容器(組)鎳氫電池(組)通過連線并聯(lián)在一起，鋰離子電池(組)可獨立，也可以通過連線和鎳氫電池(組)串聯(lián)在一起。
為了實現(xiàn)能源的再生利用,本發(fā)明設(shè)計了能量回饋單元，利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能，再生能量的儲存和利用主要是通過儲能裝置，即超級電容器組和雙向DC/DC變換器組成，其能量回饋原理當(dāng)直流電機處于耗能狀態(tài)時，直流電機消耗電能，引起總線電壓下降，雙向DC/DC變換器端電壓下降，超級電容器組放電，實現(xiàn)超級電容器與蓄電池的聯(lián)合啟動直流電機。當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)速下降或者制動時，處于能量再生狀態(tài)，工作電機反轉(zhuǎn)將再生能量轉(zhuǎn)換成電能引起總線電壓升高，總線,電壓升高引起雙向DC/DC變換器端電壓上升，從而對超級電容器組充電，達到能量的回饋。總的來說，直流
電機啟動過程中，超級電容器組也為直流電機放電，可以有效地減小直流電機啟動過程中加速給蓄電池造成的大電流的沖擊，在能量回饋的過程中，又可以有效地將直流電機減少的動能回饋到超級電容器中進行能量的再利用，實現(xiàn)能量的循環(huán)利用以及減少能量的浪費。同時，由于超級電容器并聯(lián)在直流總線上，可以自動監(jiān)測直流總線電壓，如果總線電壓不發(fā)生變化，則超級電容器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，不工作。當(dāng)總線的電壓上升，超級電容器進入充電狀態(tài)，此時其充電電流大小自動根據(jù)反饋的能量大小決定。因此，本發(fā)明的能量回饋單元可以很好的完成移動式機器人的能量回饋，進一步延長機器人的工作時間。
移動式機器人電源容錯供電控制策略為通過對儲能單元實時監(jiān)測，自動調(diào)配各單元，
實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的容錯供電功能。在工作過程中，如果檢測到超級電容器不能正常工作，系
統(tǒng)自動使其脫離供電系統(tǒng)，由鎳氫電池供給啟動過程的能量；如果檢測到鎳氫電池不能正常工作，系統(tǒng)自動切除鎳氫電池供電，由鋰離子電池完成相應(yīng)的供電工作；如果鋰離子電池不能正常工作，系統(tǒng)自動使其脫離供電體系，并使鎳氫電池替代鋰離子電池完成相應(yīng)功能?？傊?，在整個電源儲能系統(tǒng)中，鎳氫電池和超級電容器具有互補作用，鋰離子電池和鎳氫電池也具有互補作用，只有當(dāng)鋰離子電池和鎳氫電池同時出現(xiàn)故障時，機器人才會中止作業(yè)。如果某個儲能單元出現(xiàn)故障，機器人電源系統(tǒng)自動隔離故障單元，保證作業(yè)的連續(xù)性。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于(l)采用單元供電解決了大電流沖擊嚴重浪費電池電量問題，使機器人在相同電量的條件下達到更長的作業(yè)時間。(2)采用容錯供電技術(shù)，保障了移動式機器人作業(yè)的連續(xù)性。(3)采用能量回饋單元與混合動力技術(shù)，利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能，完成了能源循環(huán)利用問題。


圖l為本發(fā)明移動式機器人電源儲能元件組成。圖2為本發(fā)明移動式機器人電源結(jié)構(gòu)的單元劃分。圖3為常用的移動式機器人啟動供電單元組成。圖4為常用的DC/DC變換器的原理圖。
圖5為加入DC/DC變換器后串聯(lián)式移動式機器人啟動供電單元組成。
圖6為本發(fā)明實例中移動式機器人移動式機器人啟動供電單元組成。圖7為本發(fā)明移動式機器人在啟動時的能量控制流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用容錯技術(shù)與混合動力技術(shù)，提出了一種適用于長時間作業(yè)需求的移動式機器人電源。
目前，移動式機器人都是使用高質(zhì)量的機載可充電蓄電池組來給自身供電，它們沒有自主從環(huán)境獲取能量的能力。利用電纜供電，對于移動式機器人來說限制了其活動范圍；
利用各種充電電池供電，雖然不受活動范圍的限制，卻有供電的時效ii等方面的限制。從
能源角度講，移動式機器人要真正實現(xiàn)行為自主，不但需要有效合理的利用其自身能源，而且需要能夠從環(huán)境中提取能量，本發(fā)明的移動式機器人電源結(jié)構(gòu)采用超級電容器與鎳氫電池和鋰離子電池組合。
圖1為移動式機器人電源儲能元件組成，分別為超級電容器10、鎳氫電池20和鋰離子電池30,也就是說，本發(fā)明的移動式機器人電源采用超級電容器組和蓄電池組的混合結(jié)構(gòu),其中蓄電池由鎳氫電池20和鋰離子電池30組成。超級電容器是一種新型能源器件，它通過離子遷移存儲電荷，其電容量和儲能密度極高,其所存儲的能量比傳統(tǒng)電容器大一個數(shù)量級以上，同時又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量極快的特點，它可以彌補蓄電池的釋放電能較慢的缺點。
整個移動式機器人的電源儲能元件由多個超級電容器，多個鎳氫電池和多個鋰電池組成，根據(jù)用途和場合，它們可以分為各種不同的組合。圖2為移動式機器人電源結(jié)構(gòu)的單元劃分，它分為啟動供電單元40、作業(yè)供電單元50、能量回饋單元60和容錯控制單元70。啟動供電單元負責(zé)移動式機器人在啟動時的能量消耗；作業(yè)過程供電f元用來滿足移動式機器人在作業(yè)時的能量消耗；能量回饋單元主要負責(zé)完成能源的再生利用，利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能；容錯供電控制單元自動調(diào)配各單元，實現(xiàn)移動式機器人電源儲能系統(tǒng)的容錯供電功能，保證機器人作業(yè)的連續(xù)性。機器人的供電主要由啟動供電單元和作業(yè)供電單元來完成，而能量回饋單元和容錯控制單元是伴隨在移動式機器人的整個過程當(dāng)中，協(xié)助機器人更好的工作。圖3為常用的移動式機器人啟動供電單元組成，由蓄電池組301、超級電容器組302 和直流電機303共三部分組成。其中，蓄電池組301由多個鎳氫電池20或多個鋰電池30 或者多個鎳氫電池與鋰電池混合組成，超級電容器組302由多個超級電容器10組成。
一般的，移動式機器人啟動時，蓄電池向電機供電，由于電機在啟動開始時是靜止的， 因此啟動電流很大，造成蓄電池端電壓的急劇下降。將超級電容器與蓄電池并聯(lián)后可以減 少蓄電池在啟動時的電壓跌落并提高啟動功率。原理如下超級電容器有瞬時供應(yīng)和吸收 大電流的能力，將其接入到電路中，可以依靠蓄電池以及直流電機減速或制動時候反饋的 再生能量對它進行充電，直流電機啟動的時候利用它儲存的再生能量放電，減小對蓄電池 的大電流的沖擊。超級電容器也可以作為機器人啟動和爬坡時候的動力補給。其不足表現(xiàn) 在如果使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄露等現(xiàn)象，和呂電解電容起比較，內(nèi)阻較大，因此不可以 用于交流電路。
對圖3而言，由于蓄電池組301和超級電容器組302是直接并聯(lián)的，對于移動式機器 人而言，存在以下一些不足
(1) 蓄電池與超級電容器并聯(lián)后具有相同的電壓，所以能源間的功率分配取決于各自 的內(nèi)阻，峰值易受其中一個的影響。
(2) 超級電容器只能在蓄電池的電壓變化時輸出或者接受功率，超級電容器的負載均 衡能力不能充分發(fā)揮。
(3)超級電容器的電壓只有在蓄電池電壓改變時才改變，不能達到能源的優(yōu)化。 也就是說，圖3所示的常用移動式機器人啟動供電單元無法進行能源的優(yōu)化配置。為 了優(yōu)化能源配置，可以考慮在蓄電池與超級電容器之間加入DC/DC變換器，因為超級電 容器只能輸入和輸出直流電，所以要實現(xiàn)超級電容器的充放電，必須直流雙向DC/DC變 換器來實現(xiàn)能量的雙向流動。而DC/DC變換器是將一種直流變換器，將一種直流電轉(zhuǎn)換 成另一種或者多種直流電的電能變換器。圖4為DC/DC變換器的原理工圖，由五部分組成， 分別為輸入濾波器401、功率開關(guān)402、電感器或者變壓器403、輸出整流器或者濾波器 404和PFM或PWM控制器405組成。
圖5為加入DC/DC變換器后串聯(lián)式移動式機器人啟動供電單元組成，蓄電池組301 和超級電容器組302通過DC/DC變換器304直接串聯(lián)，蓄電池的能量都要經(jīng)過DC/DC 變換器，能量的轉(zhuǎn)換效率低，另外超級電容器直接連接負載，則要求超級電容器組有較高 的總電壓，成本太高?？梢钥紤]將超級電容器組與蓄電池組位置交換，交換后成本降低， 但是超級電容器組提供瞬時功率的能力與回收制動能量的作用卻又不能充分發(fā)揮。
圖6為本發(fā)明實例中移動式機器人移動式機器人啟動供電單元組成，具有能量回饋功能，由4部分組成，分別為蓄電池組301、超級電容器組302、雙向DC/DC變換器306和 直流電機303。超級電容器組連接雙向DC/DC變換器共同組成儲能單元，與蓄電池并聯(lián)一 起為直流電機供能，當(dāng)電機制動時能量回饋到超級電容器組中。超級電容器只能輸入和輸 出直流電，所以要實現(xiàn)超級電容器的充放電，必須選擇直流雙向DC/DC變換器來實現(xiàn)能 量的雙向流動。
由于移動式機器人可能頻繁的啟動與停止，所以直流電機也就要頻繁的啟動與停止。 移動式機器人正常工作時，直流電機從蓄電池組吸收的平均功率低，而當(dāng)機器人需要加速 或者爬坡時的峰值功率又相當(dāng)高，所以加入超級電容器組作為輔助能源可以在此時分擔(dān)主 電源即蓄電池組的工作壓力。同時超級電容器有瞬時供應(yīng)和吸收大電流的能力，如果將其 接入到電路中，可以依靠蓄電池以及直流電機減速或制動時候反饋的再生能量對它進行充 電，達到能源的二次利用。
在本發(fā)明的實例中，在機器人啟動時，首先使超級電容器放電，解決啟動時的大電量 消耗問題；如果超級電容器的能量不滿足機器人啟動消耗，則由超級電容器與鎳氫電池共 同供電，完成整個啟動過程；在啟動過程結(jié)束后，由鋰離子電池供電滿足機器人作業(yè)需求。 這不但能解決大電流沖擊嚴重浪費電池電量問題，還使機器人在相同電量的條件下達到更 長的作業(yè)時間。本發(fā)明實例中電機選直流電機為45zyN的稀土直流永磁電機，它的主要參 數(shù)為電壓-12V;電流-3.5A;功率-25W;轉(zhuǎn)速-5200n。這是因為，由于移動式機器人體積 較小，所需要的電動機也要求體積要小，而稀土永磁直流電機正好滿足了這個條件；電機 無勵磁損耗，故而效率更高，可以減少使用中的能量浪費；同時稀土永磁直流電機具有較 強的過載能力。正是由于稀土永磁直流電機具有這些優(yōu)點，本發(fā)明選擇了稀土永磁直流電 機作為移動式機器人的電機。
能量回饋原理當(dāng)直流電機處于耗能狀態(tài)時，直流電機消耗電能，引起總線電壓下降，
雙向DC/DC變換器端電壓下降，超級電容器組放電，實現(xiàn)超級電容器與蓄電池的聯(lián)合啟
動直流電機?，F(xiàn)在考慮直流電機制動或者減速時的能量回饋問題。再生能量的儲存和利用
主要是通過儲能裝置，即超級電容器組和雙向DC/DC變換器組成，當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)速下降
或者制動時，處于能量再生狀態(tài)，工作電機反轉(zhuǎn)將再生能量轉(zhuǎn)換成電能引起總線電壓升高，
總線電壓升高引起雙向DC/DC變換器端電壓上升，從而對超級電容器組充電，達到能量
的回饋。那么總的來說，直流電機啟動過程中，超級電容器組也為直流電機放電，可以有
效地減小直流電機啟動過程中加速給蓄電池造成的大電流的沖擊，在能量回饋的過程中，
又可以有效地將直流電機減少的動能回饋到超級電容器中進行能量的再利用，實現(xiàn)能量的
循環(huán)利用以及減少能量的浪費。同時，由于超級電容器并聯(lián)在直流總線上，可以自動監(jiān)測直流總線電壓，如果總線電壓不發(fā)生變化，則超級電容器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，不工作。當(dāng)總線 的電壓上升，超級電容器進入充電狀態(tài)，此時其充電電流大小自動根據(jù)反饋的能量大小決 定。因此，本發(fā)明實例可以很好的滿足超級電容器與蓄電池結(jié)合的要求，順利完成能量回 饋。
移動式機器人電源容錯供電控制策略為通過對儲能單元實時監(jiān)測，自動調(diào)配各單元， 實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的容錯供電功能。在工作過程中，如果檢測到超級電容器不能正常工作，系 統(tǒng)自動使其脫離供電系統(tǒng)，由鎳氫電池供給啟動過程的能量；如果檢測到鎳氫電池不能正 常工作，系統(tǒng)自動切除鎳氫電池供電，由鋰離子電池完成相應(yīng)的供電工作；如果鋰離子電 池不能正常工作，系統(tǒng)自動使其脫離供電體系，并使鎳氫電池替代鋰離子電池完成相應(yīng)功 能?？傊?，在整個電源儲能系統(tǒng)中，鎳氫電池和超級電容器具有互補作用，鋰離子電池和 鎳氫電池也具有互補作用，只有當(dāng)鋰離子電池和鎳氫電池同時出現(xiàn)故障時，機器人才會中 止作業(yè)。如果某個儲能單元出現(xiàn)故障，機器人電源系統(tǒng)自動隔離故障單元，保證作業(yè)的連 續(xù)性。
圖7為移動式機器人在啟動時的能量控制流程圖。當(dāng)移動式機器人準(zhǔn)備開始啟動時， 先讀取啟動供電單元電源參數(shù)710，首先檢測超級電容器電量是否足夠720，如果超級電 容器的電量足夠的話，則移動式機器人啟動780;如果電量不夠，則檢測啟動供電單元中
的鎳氫電池，如果鎳氫電池剩余電量計算百分比730小于20%;則開始檢測啟動供電單元 中的鋰電池，如果鋰電池剩余電量計算百分比740小于20%;說明整個啟動供電單元無法
進行正常工作，無法完成移動式機器人的正常啟動。為了移動式機器人的正常啟動，緊接
著讀取作業(yè)供電單元電源參數(shù)750，先檢測作業(yè)供電單元的鋰電池，如果該鋰電池剩余電 量計算百分比760小于20%，檢測作業(yè)過程供電單元的鎳氫電池，如果該鋰電池剩余電量 計算百分比760高于20%，移動式機器人啟動780，否則，啟動失敗。
權(quán)利要求
1、一種移動式機器人電源，其特征在于，包括啟動供電單元，負責(zé)移動式機器人在啟動時的能量消耗，完成整個啟動過程；作業(yè)供電單元，用來滿足移動式機器人在作業(yè)時的能量消耗；能量回饋單元，用來完成能源的再生利用；容錯控制單元，實現(xiàn)移動式機器人電源系統(tǒng)的容錯供電功能。
2、 一種移動式機器人電源，其特征在于，儲能元件由超級電容器、鎳氫電池和鋰離子電池組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式機器人電源，其特征在于所述各儲能元件具有互補作用。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動式機器人電源，其特征在于，所述啟動供電單元解決了大電流沖擊嚴重浪費電池電量問題，使機器人在相同電量的條件下達到更長的作業(yè)時間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動式機器人電源，其特征在于，所述能量回饋單元利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能，完成能源循環(huán)利用。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動式機器人電源，其特征在于，所述容錯控制單元采用容錯供電技術(shù)，保障了移動式機器人作業(yè)的連續(xù)性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種移動式機器人電源，包括啟動供電單元、作業(yè)供電單元、能量回饋單元和容錯控制單元，該電源結(jié)構(gòu)具有容錯供電功能與電能回饋功能；采用單元供電方法解決了機器人在啟動過程的大電流沖擊嚴重浪費電池電量問題，使機器人在相同電量的條件下達到更長的作業(yè)時間；采用容錯供電技術(shù)，保障了移動式機器人作業(yè)的連續(xù)性；采用能量回饋技術(shù)，利用超級電容器回收機器人制動過程中產(chǎn)生的動能，完成了能源循環(huán)利用問題，能源有效利用率得到大幅度提高，在相同工作條件下，機器人的工作時間延長，充電時間減少，適合移動式機器人的長時間作業(yè)需求。
文檔編號H02J7/34GK101567572SQ20091007737
公開日2009年10月28日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者勇 崔, 王秋生, 袁海文, 黃姣英 申請人:北京航空航天大學(xué)