iCub 机器人借助泰克示波器、电压和电流探头获取电池电源

　　客户解决方案总结

　　挑战

　　某机构的开发人员需要验证某机器人(大小约为四岁儿童的开源认知人形机器人平台)的新型电池背包电源系统并进行故障排除。

　　解决方案

　　为深入了解其设计，该机构采用了某功率测量解决方案，其中包括MSO4104B示波器(带有特定探头如TDP1000差分探头、TCP0030电流探头和四个TPP1000探头)以及解码器模块(如DPO 4AUTO和DPO4EMBD数据解码器模块)，用于测量模拟信号、功率特性和总线通信。

　　好处

　　使用该解决方案，工程师能够高效、快速地隔离问题、管理启动期间的功率峰值并表征电池放电。事实证明，解码数据流的能力对于验证背包设计中使用的三个电路板的数据通信至关重要。

　　开源机器人平台

　　在MSO4104B示波器的帮助下，理论上现在可以让该机器人到外面去自行探索。这是因为，得益于这种功率测量解决方案，机器人不再需要长长的电源延长线，而是拥有一个电池背包来保持传感器开启、电路通电和电机转动。

　　该机器人是某机构开发的一款人形机器人。作为GPL许可证下的开放系统平台，已被全球30多个研究机构采用。

　　该机器人的大小与4岁儿童相当，拥有53个电机，可以移动头部、手臂、手、腰部和腿部，使其能够用四肢爬行、坐起和保持平衡。它可以看到和听到，具有本体感觉(身体配置)和运动感(使用加速计和陀螺仪)，并且它是第一个全身覆盖人造皮肤的机器人。

　　先进的电源解决方案为机器人平台增添了移动性

　　然而，该平台缺乏的是在没有某种外部电源和电源线的情况下走出实验室环境的能力。为解决这一限制，该机构的工程师开发了一种为机器人提供电力的电池背包。该设计包括：

　　锂离子电池组，36V - 9.3Ah。

　　电池管理系统 (BMS) 板用于跟踪充电、过压、过流保护和电池平衡。

　　监控板 (BMON) 用于检查电池状态，包括电压、电流和充电百分比。

　　电源板用于实现从电池电压到机器人电源的DC/DC转换以及热插拔管理器 (HSM)。机器人有2个直流电压等级：直流电机和PC为12V 10A;26个无刷直流电机为36V 8A。

　　主板带有蓝牙接口(BCB)来管理整个系统。

　　验证电源管理

　　在实施基本电池背包设计之后，该机构的设计人员面临着许多测试和测量挑战，以验证电源管理、设置限制以保持MOSFET的安全工作范围、确定功耗并验证整个系统的数据通信。控制板上使用特定总线。像这样的复杂挑战需要一种能够提供深入、准确的测量洞察力以及易用性和直观操作的测试解决方案。

　　“MSO4104B示波器使我们能够非常轻松地正确调整参数，以确保对MOSFET提供最大程度的保护。”

　　基于之前的成功合作经验，该团队选择了包含MSO4104B示波器(带有TDP1000差分探头、TCP0030电流探头、四个TPP1000探头以及DPO 4AUTO和DPO4EMBD数据解码器模块)的解决方案，用于测量电子板的模拟信号、功率特性和总线通信。

　　MSO4104B示波器具有1 GHz带宽和5 GS/s采样率。它最多支持4个模拟通道和16个数字通道。由于数字通道完全集成到示波器中，用户可以在所有输入通道上触发，自动对所有模拟、数字和串行信号进行时间关联。

　　机器人电池背包的开发使用了MSO4104B示波器

      通过添加适当的功率探头(可从广泛选择中轻松选择)，MSO4000系列示波器非常适合机器人电池背包等功率测试应用。例如，TCP0030是一款高性能、易于使用的AC/DC电流探头，可提供大于120 MHz的带宽以及可选的5 A和30 A测量范围。它还提供低电流测量能力和低至1 mA的精度。

　　目标测量

　　为测量DC/DC转换器和HSM板的输出，同时使用了电压探头和电流探头。由于机器人中流过高电流，团队在启动和正常运行期间进行了许多不同的测试。下面的屏幕截图显示了热插拔管理器 (HSM) 板启动期间的电流、电压和功率水平。

　　机器人开发团队成员表示，事实证明，为调整HSM的行为，使其保持在电路板上MOSFET晶体管的功率限制以下，必须对启动瞬态进行分析。“如果不实际在板上进行分析，就很难知道它在现实世界中的表现，”成员说。“MSO4104B示波器使我们能够非常轻松地正确调整参数，以确保对MOSFET提供最大程度的保护。”清晰的视觉显示和直观的软件大大简化了这项任务。

　　图1. 在测试仪器(MSO4104B示波器等)的帮助下测量并控制了启动瞬态

　　图2. MSO4104B示波器的深度存储器用于表征电池放电

　　该团队面临的另一个挑战是机器人本身就是一个嘈杂的环境，许多不同的电机不断启动和停止。在本例中，TDP1000差分探头用于测量DC/DC转换器分流电阻上的压降并评估输出信号中的噪声水平。这有助于指导扼流滤波器、接地环路和屏蔽的放置，以最大限度地减少噪声。

　　事实证明，MSO4104B示波器在评估各种条件下的电池寿命方面也很有用。有趣的是，事实证明，在所有53个电机同时运行的情况下，要充分发挥机器人的作用是很困难的，事实上，团队无法产生真正最坏的情况。与人类一样，很少会同时使用所有可能的组合来创造运动。在让机器人尽可能接近完全运动后，MSO4104B示波器的20M点记录长度用于表征电池放电，如图2所示。在接近最坏的情况下，电池寿命约为1.5小时，但通常会更长运行比较正常的情况下。

　　使用三块板和两种总线技术，团队面临的一个重要挑战是验证和调试数据通信——如果手动执行，这是一项繁琐的任务。这就是DPO 4AUTO和DPO4EMBD数据解码器模块可以轻松读取和验证BCB(主板)、HSM和BMON(监控板)之间的数据通信的地方。HSM通过1 Mb/s CAN总线与BCB通信，BMON通过I2C连接到BCB。BCB包括一个蓝牙接口，用于将电池状态传达给移动设备或机器人头部。CAN和I2C通信信号以及解码的相应字节的示例如图3所示。

　　图3. CAN和I2C解码(借助DPO 4AUTO和DPO4EMBD数据解码器模块)有助于加快调试速度

　　该机构继续稳步开发机器人平台，其2.0版本(包括电池背包)目前正在开发中。虽然机器人还没有完全准备好出去独自玩耍，但该机器人仍在继续扩展其功能。

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