iCub 機器人借助泰克示波器、電壓和電流探頭獲取電池電源

　　客戶解決方案總結(jié)

　　挑戰(zhàn)

　　某機構(gòu)的開發(fā)人員需要驗證某機器人(大小約為四歲兒童的開源認知人形機器人平臺)的新型電池背包電源系統(tǒng)并進行故障排除。

　　解決方案

　　為深入了解其設(shè)計，該機構(gòu)采用了某功率測量解決方案，其中包括MSO4104B示波器(帶有特定探頭如TDP1000差分探頭、TCP0030電流探頭和四個TPP1000探頭)以及解碼器模塊(如DPO 4AUTO和DPO4EMBD數(shù)據(jù)解碼器模塊)，用于測量模擬信號、功率特性和總線通信。

　　好處

　　使用該解決方案，工程師能夠高效、快速地隔離問題、管理啟動期間的功率峰值并表征電池放電。事實證明，解碼數(shù)據(jù)流的能力對于驗證背包設(shè)計中使用的三個電路板的數(shù)據(jù)通信至關(guān)重要。

　　開源機器人平臺

　　在MSO4104B示波器的幫助下，理論上現(xiàn)在可以讓該機器人到外面去自行探索。這是因為，得益于這種功率測量解決方案，機器人不再需要長長的電源延長線，而是擁有一個電池背包來保持傳感器開啟、電路通電和電機轉(zhuǎn)動。

　　該機器人是某機構(gòu)開發(fā)的一款人形機器人。作為GPL許可證下的開放系統(tǒng)平臺，已被全球30多個研究機構(gòu)采用。

　　該機器人的大小與4歲兒童相當，擁有53個電機，可以移動頭部、手臂、手、腰部和腿部，使其能夠用四肢爬行、坐起和保持平衡。它可以看到和聽到，具有本體感覺(身體配置)和運動感(使用加速計和陀螺儀)，并且它是第一個全身覆蓋人造皮膚的機器人。

　　先進的電源解決方案為機器人平臺增添了移動性

　　然而，該平臺缺乏的是在沒有某種外部電源和電源線的情況下走出實驗室環(huán)境的能力。為解決這一限制，該機構(gòu)的工程師開發(fā)了一種為機器人提供電力的電池背包。該設(shè)計包括：

　　鋰離子電池組，36V - 9.3Ah。

　　電池管理系統(tǒng) (BMS) 板用于跟蹤充電、過壓、過流保護和電池平衡。

　　監(jiān)控板 (BMON) 用于檢查電池狀態(tài)，包括電壓、電流和充電百分比。

　　電源板用于實現(xiàn)從電池電壓到機器人電源的DC/DC轉(zhuǎn)換以及熱插拔管理器 (HSM)。機器人有2個直流電壓等級：直流電機和PC為12V 10A;26個無刷直流電機為36V 8A。

　　主板帶有藍牙接口(BCB)來管理整個系統(tǒng)。

　　驗證電源管理

　　在實施基本電池背包設(shè)計之后，該機構(gòu)的設(shè)計人員面臨著許多測試和測量挑戰(zhàn)，以驗證電源管理、設(shè)置限制以保持MOSFET的安全工作范圍、確定功耗并驗證整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信?？刂瓢迳鲜褂锰囟偩€。像這樣的復(fù)雜挑戰(zhàn)需要一種能夠提供深入、準確的測量洞察力以及易用性和直觀操作的測試解決方案。

　　“MSO4104B示波器使我們能夠非常輕松地正確調(diào)整參數(shù)，以確保對MOSFET提供最大程度的保護?！?/span>

　　基于之前的成功合作經(jīng)驗，該團隊選擇了包含MSO4104B示波器(帶有TDP1000差分探頭、TCP0030電流探頭、四個TPP1000探頭以及DPO 4AUTO和DPO4EMBD數(shù)據(jù)解碼器模塊)的解決方案，用于測量電子板的模擬信號、功率特性和總線通信。

　　MSO4104B示波器具有1 GHz帶寬和5 GS/s采樣率。它最多支持4個模擬通道和16個數(shù)字通道。由于數(shù)字通道完全集成到示波器中，用戶可以在所有輸入通道上觸發(fā)，自動對所有模擬、數(shù)字和串行信號進行時間關(guān)聯(lián)。

　　機器人電池背包的開發(fā)使用了MSO4104B示波器

      通過添加適當?shù)墓β侍筋^(可從廣泛選擇中輕松選擇)，MSO4000系列示波器非常適合機器人電池背包等功率測試應(yīng)用。例如，TCP0030是一款高性能、易于使用的AC/DC電流探頭，可提供大于120 MHz的帶寬以及可選的5 A和30 A測量范圍。它還提供低電流測量能力和低至1 mA的精度。

　　目標測量

　　為測量DC/DC轉(zhuǎn)換器和HSM板的輸出，同時使用了電壓探頭和電流探頭。由于機器人中流過高電流，團隊在啟動和正常運行期間進行了許多不同的測試。下面的屏幕截圖顯示了熱插拔管理器 (HSM) 板啟動期間的電流、電壓和功率水平。

　　機器人開發(fā)團隊成員表示，事實證明，為調(diào)整HSM的行為，使其保持在電路板上MOSFET晶體管的功率限制以下，必須對啟動瞬態(tài)進行分析。“如果不實際在板上進行分析，就很難知道它在現(xiàn)實世界中的表現(xiàn)，”成員說。“MSO4104B示波器使我們能夠非常輕松地正確調(diào)整參數(shù)，以確保對MOSFET提供最大程度的保護?！鼻逦囊曈X顯示和直觀的軟件大大簡化了這項任務(wù)。

　　圖1. 在測試儀器(MSO4104B示波器等)的幫助下測量并控制了啟動瞬態(tài)

　　圖2. MSO4104B示波器的深度存儲器用于表征電池放電

　　該團隊面臨的另一個挑戰(zhàn)是機器人本身就是一個嘈雜的環(huán)境，許多不同的電機不斷啟動和停止。在本例中，TDP1000差分探頭用于測量DC/DC轉(zhuǎn)換器分流電阻上的壓降并評估輸出信號中的噪聲水平。這有助于指導(dǎo)扼流濾波器、接地環(huán)路和屏蔽的放置，以最大限度地減少噪聲。

　　事實證明，MSO4104B示波器在評估各種條件下的電池壽命方面也很有用。有趣的是，事實證明，在所有53個電機同時運行的情況下，要充分發(fā)揮機器人的作用是很困難的，事實上，團隊無法產(chǎn)生真正最壞的情況。與人類一樣，很少會同時使用所有可能的組合來創(chuàng)造運動。在讓機器人盡可能接近完全運動后，MSO4104B示波器的20M點記錄長度用于表征電池放電，如圖2所示。在接近最壞的情況下，電池壽命約為1.5小時，但通常會更長運行比較正常的情況下。

　　使用三塊板和兩種總線技術(shù)，團隊面臨的一個重要挑戰(zhàn)是驗證和調(diào)試數(shù)據(jù)通信——如果手動執(zhí)行，這是一項繁瑣的任務(wù)。這就是DPO 4AUTO和DPO4EMBD數(shù)據(jù)解碼器模塊可以輕松讀取和驗證BCB(主板)、HSM和BMON(監(jiān)控板)之間的數(shù)據(jù)通信的地方。HSM通過1 Mb/s CAN總線與BCB通信，BMON通過I2C連接到BCB。BCB包括一個藍牙接口，用于將電池狀態(tài)傳達給移動設(shè)備或機器人頭部。CAN和I2C通信信號以及解碼的相應(yīng)字節(jié)的示例如圖3所示。

　　圖3. CAN和I2C解碼(借助DPO 4AUTO和DPO4EMBD數(shù)據(jù)解碼器模塊)有助于加快調(diào)試速度

　　該機構(gòu)繼續(xù)穩(wěn)步開發(fā)機器人平臺，其2.0版本(包括電池背包)目前正在開發(fā)中。雖然機器人還沒有完全準備好出去獨自玩耍，但該機器人仍在繼續(xù)擴展其功能。

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