一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，本系统包括：光伏板、电压变换与功率控制模块、充电监控管理模块、显示模块、储能模块、穿戴式下肢外骨骼及电动轮椅。光伏板将太阳能转换成电能；电压变换与功率控制模块对光伏板输出电压进行计算，得到最大功率输出电流；充电监控管理模块用于监控蓄电池的电压来设置充电状态；显示模块用于显示充电状态、电压及电量；储能模块用于对蓄电池进行充电；穿戴式下肢外骨骼用于接收储能模块的供电；电动轮椅用于装载光伏板和蓄电池，并运载下肢外骨骼及患者进行移动。本发明专利技术充分利用太阳能，提升了太阳能转换率，延长了下肢外骨骼在康复训练和助力行走过程中的使用时间和续航里程。和续航里程。和续航里程。

【技术实现步骤摘要】
一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统


[0001]本专利技术专利属于医疗辅助设备领域，特别是涉及一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统。

技术介绍

[0002]外骨骼机器人，是基于仿生学和人体工程学设计的一种“套在人体外面”的可穿戴式机械装置。它将人类的智力和机器人的“体力”结合，靠人来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。
[0003]近几年来，因车祸和疾病导致下肢残疾或瘫痪的患者越来越多。对于脊髓损伤和脑卒中(中风)患者来说，下肢外骨骼机器人能够辅助他们进行康复训练或者站立行走。然而，现有的外骨骼机器人所用的电池一般安装在外骨骼腰部，既笨重又消耗了电能，由于电量有限，仅能在室内使用，无法满足户外较长距离行走的需求，影响了患者的使用体验，从而也影响了外骨骼机器人的推广与使用。
[0004]在专利《长续航且轻量化的智能外骨骼机器人》（专利申请号201810149859.7）采用环形气囊结构，使得外骨骼机器人更加轻便，将电池组由外骨骼机器人内置变为外置，单独由轮椅拖载，更加高效利用电能。此方案虽然减少了电池自身负重的电能消耗，能够延长续航里程，但是仍存在以下几个方面的不足：（1）铅蓄电池容量有限，在长续航过程中仍然存在电能不足或用尽的可能。（2）由于增加了轮椅，整个系统由外骨骼和轮椅两部分构成，整体显得庞大，因室内空间较小使用不便，外骨骼本身无内置电源，离开轮椅无法使用。（3）由于增加了轮椅，在户外使用时需要陪护人员推行轮椅，增加了陪护人员的负担。
专利技术内容
[0005]本专利技术提出了一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，本专利技术通过利用太阳能，采用最大功率点跟踪及四阶段充电控制策略，给下肢外骨骼和电动轮椅供电。
[0006]为实现上述目的，本申请提供了如下方案：一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，包括：光伏板、电压变换与功率控制模块、充电监控管理模块、显示模块、储能模块、穿戴式下肢外骨骼、电动轮椅；所述光伏板与所述电压变换与功率控制模块连接；所述电压变换与功率控制模块分别与所述充电监控管理模块、所述显示模块、所述储能模块连接；所述储能模块与所述穿戴式下肢外骨骼和所述电动轮椅连接；所述光伏板用于通过太阳能发电，输出直流电压；所述电压变换与功率控制模块用于对所述光伏板的输出电压进行直流降压斩波和实时功率分析运算，得到以最大功率点跟踪的电流；所述充电监控管理模块用于监控蓄电池的当前剩余电量及电压判断充电状态，以最大功率进行涓流、恒流、恒压、浮充四阶段充电及状态管理；
所述显示模块用于显示充电状态、充电电流、电压及电量；所述储能模块由两个蓄电池成，用于以最大功率点跟踪的电流对其进行充电；接收所述最大功率点跟踪的电流进行充电，并将充电状态通过所述电压变换与功率控制模块转发到所述充电监控管理模块；所述穿戴式下肢外骨骼用于接收储能模块的供电进行工作；所述电动轮椅用于装载光伏板、蓄电池、电压变换与功率控制模块、充电监控管理模块和显示模块，并运载下肢外骨骼及穿戴者进行移动。
[0007]优选的，所述电压变换与功率控制模块包括单片机和电压变换器；所述单片机与所述电压变换器连接；所述单片机用于对所述光伏板输出的直流电压进行监测和降压斩波，输出PWM脉冲到所述电压变换器；所述电压变换器用于根据所述PWM脉冲控制IGBT开关器件的通断状态对所述光伏板输出的直流电压进行降压斩波，并将变换后的电压经所述充电监控管理模块输入到所述储能模块；所述单片机还用于对所述电压变换器进行充电电压和充电电流检测，基于近似梯度变步长电压扰动观察法的最大功率点跟踪的控制策略编程，经过所述单片机程序运行和分析计算，向所述充电监控管理模块输出允许信号，以最大功率点跟踪的电流对所述储能模块电池充电；所述电压变换器还用于将变换后的电压输入到所述单片机，为单片机、所述充电监控管理模块和所述显示模块提供工作电源。
[0008]优选的，所述电压变换器采用DC
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DC降压斩波电压变换器，包括：IGBT开关管、稳压电容和直流斩波电路；所述IGBT开关管与所述稳压电容连接；所述稳压电容与所述直流斩波电路连接；所述稳压电容用于使得所述光伏板输出的电压降压后保持稳定；所述直流斩波电路用于对稳压后的所述光伏板输出的电压进行转换，并将所述转换后的电压输入到所述单片机和所述储能模块；所述开关管用于根据所述单片机输出的PWM脉冲进行占空比调节，输出所述以最大功率点跟踪的电流。
[0009]优选的，所述单片机采用STM8S105C6单片机。
[0010]优选的，所述充电监控管理模块具有涓流、恒流、恒压和浮充的充电管理模式，具体过程为：在恒压充电和浮充电模式，充电电压由外部电阻分压网络设置；在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，充电监控管理模块进入浮充电状态；在浮充电状态，如果所述储能模块电压下降到所设置的恒压充电电压的预设阈值时，自动开始新的充电周期；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置；在涓流充电模式，当所述储能模块的电压低于所设置的恒压充电电压的预设阈值时，充电监控管理模块用所设置的恒流充电电流的预设阈值对所述储能模块进行涓流充电。
[0011]优选的，所述充电监控管理模块采用CN3717智能充电管理芯片。
[0012]优选的，所述储能模块由两个12V、200AH的蓄电池成。
[0013]优选的，所述光伏供电系统同时给穿戴式下肢外骨骼机器人和电动轮椅供电。
[0014]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，利用安装于电动轮椅顶部的太阳能板给放置于电动轮椅底部的大容量蓄电池充电，再由电池组给下肢外骨骼机器人和电动轮椅供电，这种方案解决了下肢外骨骼户外行走电力不足的难题，充分利用太阳能，低碳环保，节省下肢外骨骼因承载电池组自身重量而消耗的电能，提升了电池利用率，延长了下肢外骨骼的续航里程，并且本专利技术采用基于近似梯度变步长电压扰动观察法的最大功率点跟踪的控制策略，大幅提升太阳能的转换率。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本申请实施例一一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统模块结构示意图；图2为本申请实施例一一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统具体结构示意图；图3为本申请实施例一的充电管理电路原理示意图；图4为本申请实施例一的近似梯度扰动观察法最大功率点跟踪控制流程示意图；图5为本申请实施例一一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统实物连接结构示意图。
具体实施方式
[0017]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，其特征在于，包括：光伏板、电压变换与功率控制模块、充电监控管理模块、显示模块、储能模块、穿戴式下肢外骨骼、电动轮椅；所述光伏板与所述电压变换与功率控制模块连接；所述电压变换与功率控制模块分别与所述充电监控管理模块、所述显示模块、所述储能模块连接；所述储能模块与所述穿戴式下肢外骨骼和所述电动轮椅连接；所述光伏板用于通过太阳能发电输出直流电压；所述电压变换与功率控制模块用于对所述光伏板的输出电压进行直流降压斩波和实时功率分析运算，得到以最大功率点跟踪的电流；所述充电监控管理模块用于根据蓄电池的当前剩余电量及电压判断充电状态，以最大功率进行涓流、恒流、恒压、浮充四阶段充电及状态管理；所述显示模块用于显示充电状态、充电电流、电压及电量；所述储能模块由两个蓄电池组成，用于以最大功率点跟踪的电流对其进行充电；接收所述最大功率点跟踪的电流进行充电，并将充电状态通过所述电压变换与功率控制模块转发到所述充电监控管理模块；所述穿戴式下肢外骨骼用于接收储能模块的供电进行工作；所述电动轮椅用于装载光伏板、蓄电池、电压变换与功率控制模块、充电监控管理模块和显示模块，并运载下肢外骨骼及穿戴者进行移动。2.根据权利要求1所述的用于穿戴式下肢外骨骼机器人的光伏供电系统，其特征在于，所述电压变换与功率控制模块包括单片机和电压变换器；所述单片机与所述电压变换器连接；所述单片机用于对所述光伏板输出的直流电压进行监测和降压斩波，输出PWM脉冲到所述电压变换器；所述电压变换器用于根据所述PWM脉冲控制IGBT开关器件的通断状态对所述光伏板输出的直流电压进行降压斩波，并将变换后的电压经所述充电监控管理模块输入到所述储能模块；所述单片机还用于对所述电压变换器进行充电电压和充电电流检测，基于近似梯度变步长电压扰动观察法的最大功率点跟踪的控制策略编程，经过所述单片机程序运行和分析计算，向所述充电监控管理模块输出允许信号，以最大功率点跟踪的电流对所述储能模块电池充电；所述电压变换器还用于将变换后的电压输入到所述单...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，彭世国，蔡梦婷，廖维新，彭义，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：