一种机械臂无线控制装置及系统

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别涉及一种机械臂无线控制装置及系统。

背景技术

在传统机械臂供电技术中，市电供电方式受到了工作范围受限和无市电环境下应用受限的限制。为了实现机械臂的便携性和灵活性，一些机械臂采用了电池供电技术。电池供电技术的关键之一是电池电量的管理。在机器臂使用电池供电时，需要及时了解电池电量以及尽量延长电池的使用时长，以便提高电池及机械臂的使用效率。缺乏准确的电池电量信息可能导致机械臂突然断电，影响工作效果。机械臂中使用的多个电池，在使用过程中各个电池电量的消耗也不一样，影响机械臂运行时长的是电池电量最少的一块电池。此外，为了配合机械臂电池组的运行，传统机械臂的有线控制也限制了机械臂的自由移动和应用，无法实现机械臂真正的无线运行。

在传统机械臂供电技术中，市电供电方式受到了工作范围受限和无市电环境下应用受限的限制。为了实现机械臂的便携性和灵活性，一些机械臂采用了电池供电技术。然而，电池供电面临如何管理电池电量和监测电池状态这样的重要问题。电池供电技术的关键之一是电池电量的管理。在机器臂使用电池供电时，需要及时了解电池电量，以便及时更换电池或充电。缺乏准确的电池电量信息可能导致机械臂突然断电，影响工作效果。另一个关键问题是监测电池状态，电池可能出现过热、过充或过放等异常状态，这可能对机械臂的安全性和性能产生负面影响。因此，监测电池温度和其他异常状态对于保障机械臂的稳定运行和延长电池寿命至关重要。

传统机械臂的远程控制通常需要通过有线方式连接控制器和机械臂，对于机械臂使用电池的监控，如果也使用有线方式来实现电池信息的实时获取，同样限制了机械臂的自由移动和应用在远程环境下，这种有线连接不仅增加了维护和布线的成本，还限制了机械臂在复杂场景中的应用。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种机械臂无线控制装置及系统，通过电池与无线通信模式相结合，在通过电池向机械臂提供电能的基础上，以无线方式实现电池状态监测的同时，实现了远程控制指令的实时传输和机械臂的相应控制，克服了有线供电和控制对于机械臂使用环境限制和有线线路带给机械臂移动过程的干扰，提高了机械臂电池状态监测的准确性和便利性。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种机械臂无线控制装置，所述机械臂可由电池组供电，所述电池组由若干个电池串联连接，所述机械臂无线控制装置包括：电压采集电路、电量计芯片、中枢芯片及无线通信组件；

所述电压采集电路分别与所述若干个电池电连接，获取所述电池的状态信息，并发送至所述电量计芯片；

所述电量计芯片接收所述状态信息，并发送至所述中枢芯片；

所述中枢芯片通过所述无线通信组件对外发送所述状态信息，所述中枢芯片通过所述无线通信组件接收外部发送的控制指令，并依据所述控制指令控制所述机械臂执行相应动作。

进一步地，所述的机械臂无线控制装置还包括：

充放电保护电路，其包括：若干个第一稳压二极管、充电开关单元和放电开关单元；

所述若干个第一稳压二极管串联于所述电池正极，所述第一稳压二极管的正极与所述电池正极连接，其负极与所述电量计芯片的电池状态信息采集端口连接；

所述放电开关单元包括：第一MOSFET、第一偏置分压电阻和第二偏置分压电阻，所述充电开关单元包括：第二MOSFET、第四偏置分压电阻和第五偏置分压电阻；

所述第一MOSFET的栅极通过所述第二偏置分压电阻与所述电量计芯片连接，其源极与所述电池的正极连接，其漏级与所述第二MOSFET的漏级连接后再通过第三采样电阻与所述电量计芯片连接，所述第一偏置分压电阻的两端分别与所述第一MOSFET的栅极和源极连接；

所述第二MOSFET的栅极通过所述第四偏置分压电阻与所述电量计芯片连接，其源极与充电端口连接，其源极还通过第六采样电阻与电量计芯片连接，所述第五偏置分压电阻的两端分别与所述第二MOSFET的栅极和源极连接。

进一步地，所述机械臂无线控制装置还包括：与所述电量计芯片连接的温度采集电路，所述温度采集电路包括：若干个热敏电阻；

每个所述热敏电阻的一端与所述电量计芯片的相应温度采集端口连接，其另一端接地。

进一步地，所述无线通信组件包括：WIFI芯片和/或NB-IOT芯片；

所述WIFI芯片和/或NB-IOT芯片与所述中枢芯片以有线方式数据连接，以无线方式与外部数据连接。

进一步地，所述NB-IOT芯片的电源输入端并联连接有电容滤波组件；

所述电容滤波组件包括若干个并联连接的滤波电容。

进一步地，所述WIFI芯片通过MQTT协议与外部进行数据通信；

所述NB-IOT芯片通过Modbus协议与外部进行数据通信。

进一步地，所述电量计芯片和中枢芯片之间还设置有：SMBUS通信电路；

所述SMBUS通信电路的输出端还包括：第一限流电阻、第二限流电阻和第一稳压二极管；

所述第一限流电阻和所述第二限流电阻串联设置于所述电量计芯片和中枢芯片之间的连接线路中；

所述第一稳压二极管的正极接地，其负极和所述第一限流电阻与所述第二限流电阻连接的一端连接。

进一步地，所述电压采集电路包括：第三串联电阻和第三并联电容；

所述第三串联电阻串联设置于所述电池的正极和所述电量计芯片的电池状态信息采集端口之间；

所述第三并联电容的两端分别与相邻两个所述第三串联电阻远离所述电池的端部连接。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种机械臂无线控制系统，所述机械臂无线控制系统包括上述任一机械臂无线控制装置及云平台；所述机械臂无线控制装置的所述中枢芯片通过所述无线通信组件将所述状态信息发送至所述云平台，并接收所述云平台发送的控制指令，依据所述控制指令控制所述机械臂执行相应动作。

进一步地，所述云平台设置有存储器；

所述云平台将由所述中枢芯片发送的所述若干个电池的状态信息和由客户端发送的机械臂控制指令发送至所述存储器存储。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过电池与无线通信模式相结合，在通过电池向机械臂提供电能的基础上，以无线方式实现电池状态监测的同时，实现了远程控制指令的实时传输和机械臂的相应控制，克服了有线供电和控制对于机械臂使用环境限制和有线线路带给机械臂移动过程的干扰，提高了机械臂电池状态监测的准确性和便利性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无线控制系统原理示意图；

图2是本发明实施例提供的电量采集模块电路示意图；

图3是本发明实施例提供的充放电保护单元电路示意图；

图4是本发明实施例提供的电量计单元电路示意图；

图5是本发明实施例提供的温度采集单元电路示意图；

图6是本发明实施例提供的SMBUS通信单元电路示意图；

图7是本发明实施例提供的中枢芯片电路示意图；

图8是本发明实施例提供的WIFI单元电路示意图；

图9是本发明实施例提供的主控芯片电路示意图；

图10是本发明实施例提供的状态显示单元电路示意图；

图11是本发明实施例提供的NB-IOT单元电路示意图；

图12是本发明实施例提供的机械臂控制云平台电路示意图；

图13是本发明实施例提供的机械臂无线控制系统电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

当前机械臂的应用环境中，传统市电供电方式限制了机器臂的工作范围和应用场景，无法在室外或无市电供应的环境下工作，限制了机器臂的便携性和灵活性，无法满足不同领域的需求。传统机械臂远程控制通常需要使用有线连接，导致机械臂的可移动性受限，增加了布线和维护的成本。同时，有线连接方式也限制了机械臂在复杂场景中的应用，存在布线困难和限制机械臂自由移动的问题。在电池供电方面，传统机械臂的电池管理和状态监测存在一定的问题。缺乏实时的电池电量信息，可能导致机械臂突然断电，影响工作效果。同时，没有有效的电池状态监测及使用规划机制，无法及时发现电池的异常，降低了机械臂的使用时长，也可能给机械臂的安全性和性能带来风险。

为了解决上述各类问题，请参照图1和图2，本发明实施例的第一方面提供了一种机械臂无线控制装置，机械臂可由电池组供电，电池组由若干个电池串联连接，机械臂无线控制装置包括：电压采集电路、电量计芯片、中枢芯片及无线通信组件；电压采集电路分别与若干个电池电连接，获取电池的状态信息，并发送至电量计芯片；电量计芯片接收状态信息，并发送至中枢芯片；中枢芯片通过无线通信组件对外发送状态信息，中枢芯片通过无线通信组件接收外部发送的控制指令，并依据控制指令控制机械臂执行相应动作。

电池可以为机械臂提供独立的电源，使其无需依赖于外部电网的供电，从而增加了机械臂的灵活性和移动性。电池可以作为备用电源，在电网故障或断电时保证机械臂的连续运行，防止任务中断或数据丢失。机械臂在某些操作中会产生能量回馈，而电池可以承受这些回馈能量，循环利用，提高能源利用效率。使用电池供电的机械臂需要考虑电池容量、充电管理和电池寿命等因素，确保电池的稳定供电和合理充放电。同时，针对不同的应用场景和机械臂工作需求，也需要选择适合的电池类型和配置方案。通过采用无线方式对采集到的电池的状态信息，如电池实时电压、剩余能量、实时温度等各类信息进行实时监测，提高了对于机械臂中使用的电池状态信息的监测水平。此外，还可以基于云平台以无线方式接收远程客户端对于机械臂的控制指令。

在本发明实施例的一个具体实施方式中，具体的，机械臂无线控制装置还包括：充放电保护电路，其包括：若干个第一稳压二极管、充电开关单元和放电开关单元；若干个第一稳压二极管串联于电池正极，第一稳压二极管的正极与电池正极连接，其负极与电量计芯片的电池状态信息采集端口连接；放电开关单元包括：第一MOSFET、第一偏置分压电阻和第二偏置分压电阻，充电开关单元包括：第二MOSFET、第四偏置分压电阻和第五偏置分压电阻；第一MOSFET的栅极通过第二偏置分压电阻与电量计芯片连接，其源极与电池的正极连接，其漏级与第二MOSFET的漏级连接后再通过第三采样电阻与电量计芯片连接，第一偏置分压电阻的两端分别与第一MOSFET的栅极和源极连接；第二MOSFET的栅极通过第四偏置分压电阻与电量计芯片连接，其源极与充电端口（Pack+端口）连接，其源极还通过第六采样电阻与电量计芯片连接，第五偏置分压电阻的两端分别与第二MOSFET的栅极和源极连接。

具体的，机械臂无线控制装置还包括：与电量计芯片连接的温度采集电路，温度采集电路包括：若干个热敏电阻；每个热敏电阻的一端与电量计芯片的相应温度采集端口连接，其另一端接地。

具体的，无线通信组件包括：WIFI芯片和/或NB-IOT芯片；WIFI芯片和/或NB-IOT芯片与中枢芯片以有线方式数据连接，以无线方式与云平台数据连接。

NB-IoT（Narrowband Internet of Things）芯片是一种用于支持NB-IoT通信技术的芯片。NB-IoT是一种LPWA（低功耗广域网络）技术，专门设计用于物联网设备，具有长距离传输、低功耗、高连接密度和广覆盖等特点。通过NB-IoT技术，用于机械臂的无线控制装置可以实现低功耗长时间的远程通信和监控，提高了物联网设备的可靠性和效率。

无线通信技术通常包括Wi-Fi、蓝牙和无线传感器网络等，本发明通过WIFI芯片和/或NB-IOT芯片与机械臂通信的手段。通过这些技术，用户可以实现对机械臂的远程控制，包括姿态控制、动作命令和路径规划等。同时，无线通信技术还能够实现数据传输，将机械臂的状态信息、图像、传感器数据等传送到远程的控制端。使用无线通信技术，机械臂可以实现更灵活的远程控制和工作。无线通信提供了更大的自由度，使机械臂可以在复杂环境下自由移动和工作。这种无线远程控制方式消除了有线连接的限制，提高了机械臂的应用范围和适用性。

进一步地，NB-IOT芯片的电源输入端并联连接有电容滤波组件；电容滤波组件包括若干个并联连接的滤波电容。NB-IOT芯片的电源输入端并联滤波电容，可以滤除电源信号中的高频噪声和干扰。电容滤波区间可以采用不同溶质的电容，来实现所需的滤波效果。电容器具有储存和释放电荷的特性，可以通过对高频噪声的短路来减少其在电源线上的传输和干扰。

具体的，WIFI芯片通过MQTT协议与云平台进行数据通信；NB-IOT芯片通过Modbus协议与云平台进行数据通信。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的通信协议，适用于云平台与各个机械臂无线控制装置中枢芯片之间的通信。MQTT协议适用于机械臂无线通信网络这种带宽有限、网络连接不稳定以及设备资源受限的场景。可采用集中式的模式，其中云平台负责接收和转发消息。无线控制装置的中的中枢芯片既可以是发布者（Publisher）发送消息，也可以是订阅者（Subscriber）接收消息。

Modbus是一种基于串行线路而开发的开放式数字串行通信协议，Modbus协议格式简单，消息头中包含设备地址、功能码和校验，数据部分为可变长度。上述优点使得Modbus非常适合本发明中的云平台-多个机械臂无线控制装置的主从架构，通信系统包含一个主设备和多个从设备。Modbus支持RS232/RS485串行通信，也支持基于TCP/IP的以太网通信。Modbus协议的功能码丰富：满足了机械臂无线控制装置在实际应用的各种功能，如读线圈、读寄存器、写单个寄存器等。此外，Modbus协议还具备错误检测机制，可以Modbus消息包含CRC校验，可检测传输错误。

具体的，电量计芯片和中枢芯片之间还设置有：SMBUS通信电路；SMBUS通信电路包括：第一限流电阻、第二限流电阻和第一稳压二极管；第一限流电阻和第二限流电阻串联设置于电量计芯片和中枢芯片之间的连接线路中；第一稳压二极管的正极接地，其负极和第一限流电阻与第二限流电阻连接的一端连接。

SMBus(System Management Bus)通信电路是一种短距离、低速、双向串行通信总线，适用于嵌入式系统中的各种附属设备之间的通信。SMBus通信电路主要包含以下组件：主设备(Master):发起通信并产生时钟信号的设备。从设备(Slave):响应主设备的设备。总线(Bus):通信物理层，通常为两根线，一根为数据线(SDA),一根为时钟线(SCL)。上拉电阻：通常在数据线和时钟线两端接入上拉电阻，以保持线路处于高电平默认状态。地址解码：每个从设备都有一个独立地址，主设备需要先发送从设备地址来与其通信。SMBus通信电路可实现低速设备如电池、传感器等与主机的双向通信，广泛应用于电源管理、系统监控等场景，其通信电路简单可靠，可降低系统成本。

具体的，机械臂无线控制装置还包括：状态显示电路，状态显示电路与WIFI芯片电连接；状态显示电路包括并联连接的第一发光二极管和第二发光二极管，第一发光二极管串联连接有第一串联电阻，第二发光二极管还串联连接有第二串联电阻。

此外，具体的，电压采集电路包括：第三串联电阻和第三并联电容；第三串联电阻串联设置于电池的正极和电量计芯片的电池状态信息采集端口之间；第三并联电容的两端分别与相邻两个第三串联电阻远离电池的端部连接。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种机械臂无线控制系统，机械臂无线控制系统包括上述任一机械臂无线控制装置及云平台；机械臂无线控制装置的中枢芯片通过无线通信组件将状态信息发送至云平台，并接收云平台发送的控制指令，依据控制指令控制机械臂执行相应动作。

具体的，云平台设置有存储器；云平台将由中枢芯片发送的若干个电池的状态信息和由客户端发送的机械臂控制指令发送至存储器存储。

通过整合机械臂的无线电池供电和远程控制技术，可以实现机械臂的无线自主工作和远程操作。用户可以通过无线通信技术远程控制机械臂，并且通过电池管理和状态反馈系统实时了解电池电量和机械臂工作状态。这将提高机械臂的便携性、灵活性和可用性，拓展了机械臂在各种领域的应用前景。

此外，客户通过客户端接收云平台的数据并可将数据生成表格以提高数据分析和判断的便利性，还可以通过客户端下达机械臂控制指令，通过云平台将控制指令发送至机械臂无线控制装置的中枢芯片，并进一步由主控芯片控制机械臂执行相应动作。客户端也可以采用计算机中的网页版或软件APP等形式来实现。

下面，以本发明的一个具体实施例的电路图为例，对本发明技术方案做详细说明：

请参照图1和图2，B1为电量采集模块，通过滤波器（由第七电阻R7和第二电容C2组成）准确测量电量，每节电芯电压采样输入引脚 VCx 前都需要一对 RC(电阻R7-电阻R10,电容C2-电容C4)，起到滤波和增强 ESD（Electro-Static discharge）的静电释放作用。请参照图3，B2为充放电保护单元，连接于电芯正极，以确保充放电过程的安全性；第一稳压二极管D1用于电路保护和电压箝位，防止短路或过流引起的电压脉冲。其次，还包括充电开关单元和放电开关单元，放电开关单元包括：NMOS Q1、R1和R2；充电开关单元包括：NMOSQ2、R4和R5；R3、R6为采样电阻，R1、R2、R4、R5均为偏置分压电阻，作用是确定MOS的偏置状态；第一稳压二极管的正极与电池正极连接，其负极与电量计芯片的电池状态信息采集端口连接。请参照图4，B3为电量计单元，其中包括电量计芯片U1，用于测量电池的电量；电容C1用作滤波和去耦，提供稳定的电源。请参照图5，B4为温度采集单元，使用多个NTC（热敏电阻）采集温度。请参照图6，B5为SMBUS通信单元，用于实现电量计芯片U1和中枢芯片U2之间的通信，通信线路采用 T 型电路来限流 和增强 ESD 防护,电阻R12起到限流保护 SMBD 引脚的作用；中间接稳压二极管D2、稳压二极管D3、稳压二极管D4到地；右边电阻R13、电阻R14、电阻R16限流保护稳压二极管D2 的作用。请参照图7，B6为中枢单元，包括中枢芯片U2，主要用于获取电量计单元数据，将数据处理传输给WIFI芯片、NB-IOT芯片，获取云平台下发的指令，将控制指令发给主控芯片。请参照图8，B7为WIFI芯片，WIFI芯片主要负责将中枢芯片U2传来的数据上传到云平台，并读取云平台下发的指令，将其发送给中枢芯片U2。RX0、TX0与中枢芯片U2进行通信，与云平台进行通信使用MQTT协议。请参照图9，B8为主控芯片，主要负责接受中枢芯片U2发来的指令，并控制机械臂完成相应任务，串口接收数据（TX4,RX4），M为电机。请参照图10，B9为状态显示单元，显示WIFI单元的工作状况，发光二极管LED2和发光二极管LED4加限流电阻R20、限流电阻R21。请参照图11，B10为NB-IOT芯片U3，通过USART接收来自中枢芯片U2的数据，并与云平台进行通信使用Modbus协议。电容C5、电容C6、电容C7、电容C8是NB-IOT芯片U3的电源滤波电容，增强供电稳定性。电阻R17、电阻R18为串口通讯电平转换电阻，NB-IOT芯片U3供电为3.7V,中枢芯片U2是3.3V，直接串联10K电阻进行电平匹配。请参照图12，云平台(B11)主要功能是存储来自WIFI芯片和NB-IOT芯片的数据，收取软件网页端的控制指令，并把指令下发到WIFI芯片和NB-IOT芯片。软件网页(B12)主要是调取云平台的数据，以图表等样式显示出来，将用户的控制指令发送给云平台。

请参照图12和图13，主要工作流程为电量计芯片与其他传感器获取电量，温度等数据，并将状态数据发送给中枢芯片U2，中枢芯片U2读取到数据后进行处理，打包发送给WIFI芯片与NB-IOT芯片，WIFI芯片与NB-IOT芯片收取数据后将状态数据发送给云平台存储，软件网页则可调用云平台的数据，在界面显示出实时的数据。当用户操作软件或者网页，进行控制操作时，软件和网页端则把控制指令下发到WIFI芯片和NB-IOT芯片，WIFI芯片和NB-IOT芯片把指令传给中枢芯片U2，中枢芯片U2经过处理，将执行命令传输给主控芯片，主控则控制机械臂执行相应的操作。WIFI芯片与NB-IOT芯片可分模式使用，若在有WIFI信号的室内条件下，使用WIFI芯片，在室外或其他没有WIFI信号的情况下开启NB-IOT芯片。

本发明实施例旨在保护一种机械臂无线控制装置及系统，机械臂可由电池组供电，电池组由若干个电池串联连接，机械臂无线控制装置包括：电压采集电路、电量计芯片、中枢芯片及无线通信组件；电压采集电路分别与若干个电池电连接，获取电池的状态信息，并发送至电量计芯片；电量计芯片接收状态信息，并发送至中枢芯片；中枢芯片通过无线通信组件对外发送状态信息，中枢芯片通过无线通信组件接收外部发送的控制指令，依据控制指令控制机械臂执行相应动作。上述技术方案具备如下效果：

以无线方式实现电池状态监测的同时，实现了远程控制指令的实时传输和机械臂的相应控制，克服了有线供电和控制对于机械臂使用环境限制和有线线路带给机械臂移动过程的干扰，提高了机械臂电池状态监测的准确性和便利性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。