[發明專利]外肢體機器人中基于能量流的復合電源能量控制方法

在審

• 申請號: 202010429001.3
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111614135A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 周洪亮;湯澤強;歐陽小平;劉瑋杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02J7/34;H02M3/156;B25J13/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種外肢體機器人中基于能量流的復合電源能量控制方法。針對外肢體機器人在不同工況下的功率需求以及佩戴輕量化的要求，本發明提出了一種基于鋰電池主動控制的復合電源拓撲結構，采用能量流來描述不同的負載工況，建立能量流模型庫。根據不同工況下的能量流模型，結合鋰電池與超級電容的SOC，分別建立了尖峰功率模式、高功率模式、低功率模式以及負載制動饋電模式四種復合電源的工作模式。本發明解決了在電源重量受限的情況下，通過復合電源不同的工作模式來滿足外肢體機器人不同工況的能量需求，實現了外肢體機器人的輕量化設計，提高了其工作性能。

技術領域

本發明屬于復合電源系統領域，特別涉及一種外肢體機器人中基于能量流的復合電源能量控制方法。

背景技術

外肢體機器人是一種新型的可穿戴式助力機電設備，在很多領域有著廣泛的用途：機器人肢體可以獨立于人的自然手臂和腿部活動，因此能夠執行全新的復雜任務，而這可能是人僅憑四肢無法實現的；機器肢體也可以與人配合，提高人完成工作任務的性能或安全性。可能的應用案例包括給工人傳遞工具或將它們固定到支架，以及幫助老人走路、避免摔倒，幫助人搬運重物、上樓梯等。將外肢體機器人應用于需要多人配合的作業、空間受限情況下的作業等領域，可以大幅提高工作效率，有效減少作業人員投入、降低作業人員疲勞損傷與受傷風險、提高工作效率以縮短工時，從人力成本、福利成本、時間成本等方面降低生產投入，具有良好的經濟效益。

目前，外肢體機器人的發展受到很多相關技術的制約。其中，電源模塊的能量密度和功率密度低、質量重、總體續航時間短等問題仍是制約外肢體機器人發展的關鍵因素之一。對于外肢體機器人的電源模塊而言，能夠實時高效滿足機器人作業時的功率需求以及保證一定的續航時間非常重要。同時，該電源模塊還可廣泛應用于醫療康復、搶險救援、國防軍事、農業生產、工業建筑等諸多領域的輔助機器人當中，應用在面向肢體弱能、失能、缺失人群，進行日常生活操作輔助，使其恢復獨立生活能力；面向搶險救援人員，輔助進行復雜救援操作、安全保護，提升搶險救援效率；面向軍用作戰單兵，實現輔助持握戰斗裝備、危險排爆等功能，增強單兵作戰能力。因此研制一款同時能夠滿足容量、續航時間的便攜式動力源具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種外肢體機器人中基于能量流的復合電源能量控制策略和方法，使電源模塊針對不同工況條件下的負載功率需求對鋰電池及超級電容進行功率分配。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種外肢體機器人中基于能量流的復合電源能量控制方法，其步驟如下：

1)外肢體機器人的電源采用基于鋰電池與超級電容的復合電源，且鋰電池為主動控制方式的拓撲結構，在拓撲結構中整流管與雙向DC/DC并聯作為一個整體，再與鋰電池串聯接入直流母線側，同時超級電容并聯接入直流母線側；

2)將外肢體機器人在不同工況下的能量需求用能量流來描述，能量流定義為負載轉矩和轉速的乘積對時間的積分；

3)根據不同工況下的能量流模型，結合鋰電池與超級電容的SOC，分別建立相應的復合電源的工作模式，包括尖峰功率模式、高功率模式、低功率模式以及負載制動饋電模，四種工作模式分別對應有復合電源工作時的四種拓撲結構和相應的控制策略，其中：

所述尖峰功率模式的控制策略為：在負載有瞬時的尖峰功率需求時，由超級電容和鋰電池同時提供功率輸出，此時雙向DC-DC處于升壓模式；

所述高功率模式的控制策略為：在負載的功率需求超過第一功率閾值且持續時間超過第一時間閾值時，由鋰電池通過整流管獨自向負載端提供功率輸出；

所述低功率模式的控制策略為：在負載的需求低于第二功率閾值時，由鋰電池和超級電容共同向負載進行功率輸出，若超級電容端電壓低于閾值時，由鋰電池向負載供電的同時向超級電容進行充電；