一种基于移动机械臂的无线充电装置及充电方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，无线通信技术领域，人工智能领域，涉及一种无线充电方法与装置，尤其是一种基于移动机械臂的无线充电装置及充电方法。

背景技术

目前普遍认为，无线充电技术包括感应式无线充电、谐振式无线充电和微波无线充电技术，其中感应式无线充电虽然传输距离近，但传输效率高。谐振式无线充电属于近场辐射传输，可以绕开障碍物。微波无线充电技术属于远场辐射，主要用于太空站等方面，而且对人的伤害非常大，由于移动机械臂供电端和受电端存在距离，因此这里采用谐振式无线充电技术有利于移动机械臂充电。谐振式无线充电技术是两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。

由于移动机械臂广泛应用于工业生产车间，但目前移动机械臂存在无线充电技术不成熟的问题，导致一直没有大规模投入使用，这里提供一种发明的充电装备，有效解决移动机械臂有线充电的弊端，择优提供一种负反馈触发的无线充电方式，避免了无线充电供电端线圈带来的电磁干扰，降低电能损耗，提高能量利用率，提升电池使用寿命。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于移动机械臂的无线充电方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于移动机械臂的无线充电装置，包括：单片机、供电模块、受电模块、电源智能管理、触发控制模块、数据分析模块、手机电脑端、通信模块，各模块相互连接、协调运行，结合传感器、变压器，稳压电路，驱动电路、整流器和逆变器进行机械臂无线充电，实现供电端与受电端更高效率的能量传输，达到给移动机械臂超级电容电池高效率充电的目的。

作为优选，所述单片机控制所述受电模块、所述电源智能管理、所述触发控制模块、所述数据分析模块与所述通信模块的协调工作和充电方法程序的运行，实现数据的采集与分析，然后将数据一方面反馈给无线充电供电端，另一方面传输至云端，便于工作人员在手机、电脑上查看。

作为优选，所述供电模块包括：供电控制电路、信号接收模块、供电线圈、变压器、供电驱动电路、高频全桥逆变模块；其中变压器对外部电源进行变压处理，供电控制电路接收到反馈信号后，将PWM脉冲控制信号通过驱动模块提供给高频全桥逆变模块，通过对电压、电流频率进行处理，然后传输给受电线圈。

作为优选，所述受电模块包括：所述受电线圈，受电驱动电路，受电控制电路。其中受电线圈与供电线圈产生频率共振，将通过受电端控制电路对采集的信号开始安全识别，如果接收线圈的电流，电压稳定，电源温度正常，则通过驱动电路实现电源端的电池充电；所述供电线圈和所述受电线圈采用共振能量耦合的方式传输电能。

作为优选，所述电源智能管理包括：电源管理模块、稳压电路、温度传感器A、超级电容电池；其中电源管理模块控制超级电容电池的安全充电，具体有传感器A采集电池的温度，稳压电路调整电压到正常值，然后给超级电容电池充电；还包括检测所述超级电容电池的剩余电量，并将所述剩余电量的检测结果发送至所述单片机模块进行处理。其中电源管理模块包括BMS，BMS实现超级电容电池充放电保护和均衡电压

作为优选，所述触发控制模块包括：电压采集器，电流采集器，温度传感器B，稳压调节器和散热器，其中电压采集器用于采集受电线圈的电压，其中电流采集器用于采集受电线圈的电流，其中温度传感器B用于监测电源管理模块的温度，稳压调节器用于调节受电线圈的不正常电压，散热器包括4个风扇，实现强对流散热对电源部分进行降温。

作为优选，所述数据分析模块包括：数据收集模块、云端处理模块；其中数据采集模块用于采集电池电量、电压、电流和传感器的温度，并上传到云端处理模块；所述手机电脑端用于工作人员查看云端数据，便于观察机械臂的运行状况。

作为优选，所述通信模块包括：LoRa模块，WIFI模块；其中LoRa模块可以把云端数据处理之后的安全信号传输给供电端控制器，触发供电端线圈开始供电，WIFI模块可以把云端数据传输给手机和电脑电端，方便管理人员查看机械臂工作数据，明确工作状况。

一种基于移动机械臂的无线充电方法，主要包括以下步骤：

(1)当移动机械臂检测到电池电量小于最低阀值时，便将充电信号发送到电源智能模块进行分析处理，若电量高于阀值时，不发送充电信号；

(2)当电源智慧管理端接收到电池电量不足信号，电源管理端驱动控制电路检查充电端回路是否正常，若回路正常则执行程序的下一步，回路出现故障则报警并返回上一级；

(3)电源管理端接收到回路正常信号后，开始用温度传感器A监测电池温度是否正常，若正常则执行程序的下一步，不正常则出现报警，并启动降温设备，保护电池的安全；

(4)电源管理端接收到电池温度正常信号后，通过LoRa模块将容许充电信号传输给供电端控制模块，用于触发供电端线圈；

(5)受电端线圈与供电端线圈达到共振频率，受电端控制模块将对电量进行处理，通过电压采集器、电流采集器和温度传感器B对电压、电流和电源端温度进行采集。若正常则执行程序的下一步，若电压与电流不正常则通过稳压器进行调节，温度过高则通过散热器进行降温，然后开始程序的下一步；

(6)无线充电受电端控制模块把正常的电压、电流和温度信号发送给电源管理端，驱动超级电容电池充电模块，开始给超级电容电池充电；

(7)电源管理端判断超级电容电池电量是否达到最高阀值，若超过最大阀值，将执行程序的下一步，若未超过最大阀值将返回上一级继续充电；

(8)当电源管理端接收到超过最大阀值信号后，将信号发送给受电端控制模块，断开给电池充电；

(9)供电端接收到电池电量充满信号后，供电线圈将停止供电。所有程序执行结束，将返回到开始命令。

作为优选，所述数据分析模块与所述通信模块是指大数据分析模块根据历史数据以及移动机械臂当下的电流、电压、温度和电池电量数据，进行可视化监测，获得机械臂内一些模块容易出现故障或者缺陷的工作状况；所述的工况是指大数据处理模块根据历史数据以及机械臂当下数据，得出机械臂所有出现故障或者缺陷概率较小的工作状况；分析结果由大数据采集模块传送至云端，数据终端从云端获取数据，并通过通信模块里面的WIFI传输给手机电脑端，便于工作人员察看。

优选地，所述单片机为STM32F103C8单片机。

优选地，所述电源管理端的温度传感器型号为DS18B20。

优选地，所述单片机里面的电磁隔离芯片U4的型号为ADum1201。

优选地，所述供电端控制模块的运算放大器的型号为LM358。

优选地，所述通信采用的型号为金瓯868M。

本发明和现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过单片机控制各个模块协调工作，实现移动机械臂无线充电的功能。

2.本发明有效避免了单片机不能主动的采集电源智能管理端的数据信号，无法达到主动及实时采集和上传的效果的技术问题；本发明提供的单片机实现主动实时采集电压、电流、温度和电池电量等信号。运用通信模块实现云端大数据分析。

3.本发明通过无线充电，解决了移动机械臂有线充电的弊端。采用一种负反馈触发供电端的程序方法，实现更高效安全的无线充电。

4.本发明电源部分采用超级电容电池，延长移动机械臂的工作时间，增加基座的配重，使得机械臂运行过程更加稳定。

5.本发明采用负反馈，MOS管开关器件有效避免了使用继电器作为供电回路的开关存在长时间使用接触点氧化失效的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种移动机械臂结构示意图；

图2为本发明提供的一种移动机械臂的供电线圈示意图；

图3为本发明提供的一种移动机械臂的受电线圈示意图；

图4为本发明提供的一种移动机械臂无线充电方法流程图；

图5为本发明提供的一种移动机械臂无线充电系统模块框图；

图6为稳压电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图1-6，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“端部”、“前方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或移动方式，其连接或移动方式均可为通过现有技术中常用的螺栓移动或钉销移动，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不在详述。

请参阅图1-6，一种基于移动机械臂的无线充电装置，包括外部电源 100、供电模块200、受电模块300、通信模块400、单片机500、电源智能管理600、触发控制模块700、数据分析模块800、手机电脑端900，各模块部分均安装在机械臂基座，基座分为三层，底层3000放置受电模块300所包含的电子器件和受电线圈，中间6000层放置电源智能管理600所包含的超级电容电池9、散热风扇10、温度传感器7和其他电子器件，顶层7000放置触发控制模块700和变压器、整流器、逆变器等相关的电路控制设备。

外部电源100安装墙面或地面，包含漏电保护器、保险丝、电磁继电器保证充电安全。

供电模块200包含：供电线圈、供电控制电路、信号接收模块、供电线圈、变压器、供电驱动电路、高频全桥逆变模块安装在地面空旷位置，模块外面做好绝缘和防水，方便机械臂充电，控制器件放在线圈的侧面；其中变压器对外部电源进行变压处理，供电控制电路接收到反馈信号后，将PWM脉冲控制信号通过驱动模块提供给高频全桥逆变模块，通过对电压、电流频率进行处理，然后传输给受电线圈。

受电模块300安装在机械臂基座底层3000，包含受电线圈、受电控制电路 4、受电驱动电路5；其中控制电路板安装在侧面，并且用绝缘纸和绝缘胶带做好绝缘。

电源智能管理600安装在机械臂基座中间层6000，包含电源管理模块6、稳压电路8、温度传感器A7、超级电容电池9，所述超级电容电池9放置在中间层6000中间位置，前后方各安装两个风扇610对电池与控制器件进行散热 610。所述温度传感器A7放置在超级电容模组里面，实现温度监控，所述电源管理模块6包括BMS，BMS实现超级电容电池充放电保护和均衡电压。

触发控制模块700安装在基座顶层7000靠左侧，包含电压采集器13、电流采集器14、温度传感器B、稳压调节器和散热器；其中电压采集器13用于采集受电线圈的电压，电流采集器14用于采集受电线圈的电流，其中温度传感器B用于监测电源管理模块6的温度，稳压调节器用于调节受电线圈的不正常电压，散热器包括4个风扇，实现强对流散热对电源部分进行降温。

数据分析模块800安装在基座顶层7000靠右侧，包含数据收集模块16、云端处理模块17；其中数据采集模块用于采集电池电量、电压、电流和传感器的温度，并上传到云端处理模块；手机电脑端900用于工作人员查看云端数据，便于观察机械臂的运行状况。

通信模块400安装在机械臂基座顶层7000靠前方，包含LoRa模块和WIFI 模块，并且与指示灯710连接；其中单片机500安装在机械臂基座顶层7000 靠后方，用螺丝固定，与基座做好绝缘，便于其他器件的安装和走线。实现基座顶层空间合理利用，结构更加紧凑。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1，根据本发明提供的一种移动机械臂的结构示意图，基座底部安装四个可控制滑轮310和固定铰链320，可控制滑轮装在机械臂基座四个角，可实现智能运转到达充电位置，在基座两侧面各安装2个固定铰链，用于工作状态下加固机械臂。

如图2，本发明提供的一种移动机械臂的供电线圈示意图，供电线圈安装在地面，由三组圆状线圈并联如图放置，与一组线圈相比于，可以增加磁谐振的面积和强度，实现最高效率发送电能。

如图3，本发明提供的一种移动机械臂的受电线圈示意图，受电线圈安装在基座底部3000，由两组椭圆状线圈并联排布，可实现最大限度的接收电能。

如图4，根据本发明提供的一种移动机械臂的无线充电方法，主要是通过无线充电接收端控制模块和电源智能管理模块6，对电流13、电压14、温度15和电量数据的采集预处理，运用通信模块进行传输，一方面传给供电端控制模块实现负反馈触发驱动。另一方面将数据传输给云端800，便于工作人员在手机电脑端900查看数据，分析机械臂的工作状况。具体方法如下：

步骤1，当移动机械臂检测到电池电量小于阀值时，便将充电信号发送到电源智能模块进行处理，若电量高于阀值将不发送充电信号。

步骤2，当电源智慧管理端接收到电量不足信号，电源管理端驱动控制电路检查充电端回路是否正常，若回路正常则执行程序的下一步，回路出现故障则报警并返回上一级。

步骤3，电源管理端接收到回路正常信号后，开始用温度传感器A监测电池温度正常性，若正常则执行程序的下一步，不正常则出现报警，并启动降温设备，保护电池的安全。

步骤4，电源管理端接收到电池温度正常信号后，通过LoRa模块将充电信号传输给发射端控制模块，用于触发发射端线圈。

步骤5，接收端线圈与发射端线圈达到相同频率产生共振，发射端控制模块将对电量进行处理，通过电压采集器、电流采集器和温度传感器B对电压、电流和电源端温度进行采集。若正常则执行程序的下一步，若电压与电流不正常则通过稳压器进行调节，线圈的温度通过散热器进行降温，然后开始程序的下一步。

步骤6，无线充电接收端控制模块将正常的电压、电流和温度信号发送给电源管理端，驱动超级电容电池充电模块，开始给超级电容电池充电。

步骤7，电源管理端判断超级电容电池电量是否达到最高阀值，若超过最大阀值，将执行程序的下一步，若未超过阀值将继续充电。

步骤8，当电源管理端接收到超过阀值信号后，将信号发送给接收端控制模块，断开超级电容电池的充电。

步骤9，发射端接收到电量充满信号后，发射线圈将停止供电。程序执行所有结束，将返回到开始。

如图5，根据本发明提供的一种移动机械臂的无线充电系统，所述系统包括：单电片机500、发射端模块200、接收端模块300、电源智能管理600、触发控制模块700、数据分析模块800、手机电脑端900、通信模块400、传感器、变压器，稳压电路8，驱动电路5、整流器和逆变器。各模块与器件分布如图所示，但图上并不包含上述所有模块与器件。

在一个具体实施例中，在充电时，供电部分位于移动机械臂受电部分下方，供电线圈与受电线圈相对，即采用磁谐振式无线充电的方式，实现电能传输效率最大化。所述超级电容电池位于移动机械臂的底座上方，中间安装防磁干扰板，在充电过程中避免电磁场对电池产生安全隐患。

如图6，稳压电路用于供电端与受电端调节电压在一个正常范围内，无线能量接收模块与稳压电路连接，稳压电路将接收的能量稳压后传输给与其连接的超级电容电池，实现机械臂超级电容电池稳定充电。

本发明技术效果主要体现在以下方面：

1.本发明通过单片机控制各个模块协调工作，实现移动机械臂无线充电的功能。

2.本发明有效避免了单片机不能主动的采集电源智能管理端的数据信号，无法达到主动及实时采集和上传的效果的技术问题；本发明提供的单片机实现主动实时采集电压、电流、温度和电池电量等信号。运用通信模块实现云端大数据分析。

3.本发明通过无线充电，解决了移动机械臂有线充电的弊端。采用一种负反馈触发供电端的程序方法，实现更高效安全的无线充电。

4.本发明电源部分采用超级电容电池，延长移动机械臂的工作时间，增加基座的配重，使得机械臂运行过程更加稳定。

5.本发明采用负反馈，MOS管开关器件有效避免了使用继电器作为供电回路的开关存在长时间使用接触点氧化失效的问题。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。