專利名稱：外骨骼硬件控制平臺的制作方法
外骨骼硬件控制平臺技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于機電控制領(lǐng)域，具體是一種外骨骼硬件控制平臺。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代機器人所具有的機械動力裝置使得機器人可以輕易地完成很多艱苦的任務(wù)，比如舉起、搬運沉重的負載等。雖然現(xiàn)代機器人控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，還遠達不到人的智力水平，包括決策能力和對環(huán)境的感知能力。與此同時，人類所具有的智能是任何生物和機械裝置所無法比擬的，人所能完成的任務(wù)不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機器人所具有的強大的機械能量結(jié)合起來，綜合為一個系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是外骨骼機器人的設(shè)計思想。
外骨骼系統(tǒng)的最早研究始于20世紀60年代。到了上世紀90年代，由于傳感技術(shù)、材料技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，對外骨骼技術(shù)的研究大規(guī)模展開。早期的外骨骼僅僅作為一個人機界面來使用，如機器人遙操作系統(tǒng)中的主機械手，人體手臂或手指位姿檢測等。90年代中期，力反饋技術(shù)和觸覺反饋技術(shù)開始廣泛應(yīng)用與外骨骼系統(tǒng)。采用力反饋技術(shù)后，遙操作的真實感得到增強，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。進入21世紀后，由于能源技術(shù)、微驅(qū)動技術(shù)、材料科學、信息技術(shù)的發(fā)展，各種類型的外骨骼雨后春筍般浮現(xiàn)，外骨骼也逐步向?qū)嵱没较虬l(fā)展。
在控制方面，目前世界上比較主流先進的控制方法和思路有很多，比如主從控制、肌電控制、ZMP (零力矩點(Zero Moment Point))控制、直接力反饋控制等等,但是這些控制不僅涉及到大量的數(shù)據(jù)計算，同時也伴隨著大量的數(shù)據(jù)傳輸。因此，傳統(tǒng)的控制方法對控制端和執(zhí)行端的電路硬件造成沉重的工作負擔，從而進一步影響電路執(zhí)行效率以及最終的控制效果。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種外骨骼硬件控制平臺，可以優(yōu)化外骨骼控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減少控制端和執(zhí)行端電路硬件的工作量，提高整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，改善控制系統(tǒng)的控制效果。
技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種外骨骼硬件控制平臺，包括工業(yè)主板、PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業(yè)主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每·塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。
進一步的，所述伺服閥控制板包括微控制器、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發(fā)電路模塊、伺服閥控制接口和模擬量反饋接口，外骨骼上的傳感器獲得的第一模擬量信號通過所述模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，AD前向通道模塊與微控制器內(nèi)部的AD功能模塊(即ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊)相連，所述模擬量信號通過AD前向通道模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入微控制器，CAN收發(fā)電路模塊與微控制器內(nèi)部的CAN控制器相連，CAN總線上的數(shù)據(jù)通過CAN收發(fā)電路模塊與微控制器進行數(shù)據(jù)交互，功率放大電路模塊與微控制器內(nèi)部的DA功能模塊(即DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊)相連，所述數(shù)字量信號通過DA功能模塊轉(zhuǎn)化為第二模擬量信號進入功率放大電路模塊，所述功率放大電路模塊將第二模擬量信號放大后通過伺服閥控制接口控制伺服閥。
具體的，一種外骨骼硬件控制平臺，包括兩個外部電源、一塊主板、一塊PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡(簡稱“CAN通訊適配卡”、“通訊適配卡”或“適配卡”)、一塊電源轉(zhuǎn)換板，若干塊伺服閥控制板。一個外部電源為主板供電，一個外部電源為電源轉(zhuǎn)換板供電，電源轉(zhuǎn)換板為若干塊伺服閥控制板供電，適配卡與主板通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連，套索機構(gòu)上的傳感器又與伺服閥控制板相連。其中:PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡主要由CAN數(shù)據(jù)通訊電路，板選譯碼電路，板內(nèi)譯碼電路，數(shù)據(jù)緩沖電路等組成。電源轉(zhuǎn)換板主要由三個電源電路模塊，若干路外設(shè)接口構(gòu)成。每塊伺服閥控制板主要由MCU (微控制器)、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發(fā)電路模塊組成。CAN通訊適配卡與工業(yè)主板相連。CAN通訊適配卡與若干個伺服閥控制板是通過CAN總線相連。若干個伺服閥控制板是有一個電源轉(zhuǎn)換板統(tǒng)一供電的。在每塊伺服閥控制板上，AD前向通道模塊與MCU內(nèi)部AD功能模塊 相連，功率放大電路模塊與MCU內(nèi)部DA功能模塊相連，鉗位電路模塊與功率放大電路模塊相連，CAN收發(fā)電路模塊與MCU內(nèi)部CAN控制器相連。
在控制結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明采用現(xiàn)場總線CAN進行通訊，整個硬件平臺上，各個電路硬件等效成一個個通訊結(jié)點。總線上采取廣播方式，并采用簡化的CANopen協(xié)議(本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的)，以滿足CAN總線上的各節(jié)點之間的通訊。
有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明外骨骼硬件控制平臺，能夠大為簡化整個外骨骼的控制流程。簡化的CANopen協(xié)議也使得整個通訊過程變得簡單。各個CAN通訊結(jié)點能夠較為獨立的完成各個指定的功能。另外，本外骨骼硬件控制平臺，使用了若干小閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，取代了常見的大閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，使得各個環(huán)節(jié)的控制變得簡單而且準確，同時，控制流程變得更有移植性。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的伺服閥控制板的邏輯框圖。
圖3是本發(fā)明的CAN通訊適配卡的邏輯框圖。
圖4是本發(fā)明的流程圖。
圖5是鉗位電路模塊的電路圖。
圖6是AD前向通道模塊的電路圖。
圖7是CAN收發(fā)電路模塊的電路圖。
圖8是多級運算放大器放大電路的電路圖。
圖9是功率放大電路模塊的電路圖。
圖10是CAN通訊適配卡板選譯碼電路的電路圖。
圖11是CAN通訊適配卡板內(nèi)譯碼電路的電路圖。
圖12是CAN通訊適配卡數(shù)據(jù)緩沖電路的電路圖。
圖13是CAN通訊適配卡收發(fā)電路的電路圖。
圖14是電源電路模塊的電路圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的一種外骨骼硬件控制平臺，包括兩個外部電源、一塊工業(yè)主板、一塊PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡(以下簡稱CAN通訊適配卡)、一塊電源轉(zhuǎn)換板、若干塊伺服閥控制板。一個外部電源為主板供電，一個外部電源為電源轉(zhuǎn)換板供電，電源轉(zhuǎn)換板為若干塊伺服閥控制板供電，適配卡與主板通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與CAN通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。其中，工業(yè)主板在建立CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的過程扮演上位機結(jié)點，用戶對整個CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的操作以及整個網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)都在基于工業(yè)主板的用戶界面上，用戶可以通過用戶界面全面及時地了解這個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。CAN通訊適配卡用于將基于PC104總線的控制命令轉(zhuǎn)化成基于CAN總線的控制命令，將工業(yè)主板連接進入CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN通訊適配卡主要由，CAN控制器，CAN數(shù)據(jù)通訊電路，板選譯碼電路，板內(nèi)譯碼電路，數(shù)據(jù)緩沖電路等組成。電源轉(zhuǎn)換板的作用是獲得整個網(wǎng)絡(luò)所需的所有電源，充當網(wǎng)絡(luò)里的電源轉(zhuǎn)接口。電源轉(zhuǎn)換板主要由三個電源電路模塊，若干路路外設(shè)接口構(gòu)成。伺服閥控制板用于控制與之相連的伺服閥，每塊伺服閥都是通過CAN收發(fā)模塊連入CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。每塊伺服閥控制板主要由MCU、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發(fā)電路模塊組成。
圖2所示的是伺服閥控制板的邏輯框圖。信號從MCU出發(fā)，經(jīng)過功率放大電路模塊，功率放大電路模塊輸出的模擬量信號通過伺服閥控制接口控制伺服閥。CAN總線上的數(shù)據(jù)通過CAN收發(fā)電路模塊與MCU進行交互。外骨骼上(即套索機構(gòu)上)的傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，再進入MCU。
圖3所示的是CAN通訊適配卡的邏輯框圖。PC104總線上的邏輯電平信號首先控制板選譯碼電路，以便選中本CAN通訊適配卡，使之處于使能狀態(tài)。PC104總線上的地址信號以及板選譯碼電路輸出的控制信號通過板內(nèi)譯碼電路，決定使能CAN數(shù)據(jù)通訊電路A路還是CAN數(shù)據(jù)通訊電路B路。被使能的那一路CAN數(shù)據(jù)通訊電路，通過CAN總線與總線上的其他節(jié)點進行數(shù)據(jù)通訊。PC104總線上的數(shù)據(jù)與CAN總線上的數(shù)據(jù)，是通過數(shù)據(jù)緩沖電路和CAN數(shù)據(jù)通訊電路進行交換的。
圖4所示的是伺服閥控制板的流程圖。在本發(fā)明中，伺服閥控制板有如下狀態(tài):初始態(tài)、預(yù)運行態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)。各狀態(tài)說明如下:
1、初始態(tài):上電后進行初始化，默認參數(shù)設(shè)置，中斷開啟，單獨設(shè)置是防止從機死機，主機需要對其軟復位，以及CAN累計錯誤達到上限后需要復位該節(jié)點。
2、預(yù)運行態(tài):該狀態(tài)下主要是主機通過SDO對從機的P、1、D、T參數(shù)設(shè)置，以及對于每個節(jié)點的模式設(shè)置。
3、掛起態(tài):主機如果出錯或者從機因為 CAN錯誤累計到上限脫離總線會進入到掛起態(tài)，掛起態(tài)下只能由主機進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
4、運行態(tài):根據(jù)預(yù)運行態(tài)下的模式，從機進行主動或者被動運行。
另外，主機操作從機狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過NMT (Network ManagemenT,網(wǎng)絡(luò)管理)服務(wù)。圖中①:啟動從機(0x01)②:停止從機(0x02)③:進入預(yù)運行態(tài)(0x80)④:復位到初始態(tài)(0x81)。
圖5所示的是伺服閥控制板上的鉗位電路模塊。在本發(fā)明中，考慮到終端執(zhí)行機構(gòu)伺服閥的性能參數(shù)，伺服閥控制板DA輸出放大部分的某一節(jié)點的電壓須鉗位在一個范圍之內(nèi)(在本發(fā)明中是正負10V，如圖8所示)。鉗位電路分別用一個同相放大電路和一個反相放大電路實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式詳見圖5。
圖6所示的是伺服閥控制板上的AD前向通道模塊。在本發(fā)明中每塊伺服閥控制板具有五路AD通道，故也就具有五路AD前向通道。模擬量信號在進入AD轉(zhuǎn)換之前，首先進過一個RC濾波，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后進入AD轉(zhuǎn)換。具體實現(xiàn)方式詳見圖6。
圖7所示的是伺服閥控制板上的CAN收發(fā)電路。由于本發(fā)明中使用的MCU中包含著CAN控制核，故我們采用了一個獨立CAN收發(fā)器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)的功能。具體實現(xiàn)方式詳見圖7。
圖8所示的是多級運算放大器放大電路的電路圖，圖9所示的是功率放大電路。MCU內(nèi)置的DA功能模塊所產(chǎn)生的電壓信號是不能夠直接被伺服閥使用的。本發(fā)明所涉及的伺服閥是電流控制閥門開口量大小的比例閥。因此，我們采取的做法是，首先進過多級運算放大器放大電路(如圖8)，將小電壓轉(zhuǎn)換為較大的電壓，再經(jīng)過一個互補對稱電路(如圖9)，將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并擴大輸出電流信號。具體實現(xiàn)方式詳見圖8和圖9。
圖10所示的是CAN通訊適配卡上的比較電路，也即板選譯碼電路。為了在不久的將來能夠搭載更多的組件，本發(fā)明在設(shè)計時，添加了板選譯碼電路，即圖9所示的比較電路。在本發(fā)明中，比較電路采用一個八位撥碼開關(guān)和一個74LS688邏輯芯片實現(xiàn)。具體實現(xiàn)詳見圖10。
圖11所示的是CAN通訊適配卡上的板內(nèi)譯碼電路。在本發(fā)明中，CAN通訊適配卡上具有兩路CAN收發(fā)電路，然而兩路CAN收發(fā)電路并不是同時工作的，這就需要有一個譯碼電路，對這兩路CAN收發(fā)電路進行有選擇的運用。在本發(fā)明中，板內(nèi)譯碼電路有74LS138、74HC04和74HC08組成。由于版面有限，我們只呈現(xiàn)了其中一部分電路，具體實現(xiàn)詳見圖11。
圖12所示的是CAN通訊適配卡上的數(shù)據(jù)緩沖電路。圖13所示的是CAN通訊適配卡上的CAN收發(fā)電路。這兩個電路電氣上有連接。本發(fā)明中，使用了兩路CAN通訊收發(fā)電路，故為了防止數(shù)據(jù)沖突，我們使用了 74HC245，達到緩沖數(shù)據(jù)的功能。具體實現(xiàn)詳見圖12。在本發(fā)明中，我們一共有兩路CAN通訊收發(fā)電路，圖13所示的是其中一路的原理圖。在本發(fā)明中，CAN收發(fā)電路主要是由SJA1000，CTM1050T，74LS07等組成，具體實現(xiàn)詳見圖13。
圖14所示的是電源轉(zhuǎn)換板的原理圖。在本發(fā)明中，我們需要幾種不同的直流電源，這是通過三個電源模塊以及其外圍電路實現(xiàn)的。具體實現(xiàn)詳見圖14。該外骨骼硬件平臺的工作原理是:用戶在工業(yè)計算機的用戶界面上發(fā)送一個控制命令，控制命令在CAN通訊適配卡上經(jīng)過PC104總線轉(zhuǎn)入CAN總線，進而進入CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。在整個硬件平臺上，工業(yè)計算機及搭載的CAN通訊適配卡扮演的是上位機的角色。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)里充當下位機的若干個節(jié)點，即若干塊伺 服閥控制板，根據(jù)我們約定的簡化的CANopen協(xié)議并觀察上位機指令的特征，決定是否接收此次命令。不符合接收條件的結(jié)點將會退出此次通訊網(wǎng)絡(luò)，等待下一次總線信號。符合接收條件的結(jié)點將接收到的數(shù)字信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化，并通過伺服閥控制板上MCU內(nèi)置的DAC模塊，轉(zhuǎn)換成所需的模擬電壓，模擬電壓經(jīng)過運算放大以及功率放大，轉(zhuǎn)換成控制伺服閥所需的電流量。伺服閥收到伺服閥控制板發(fā)出的電流信號后，控制外骨骼動作。末端的各種傳感器將獲得的表明執(zhí)行機構(gòu)的運動狀態(tài)的電信號反饋給伺服閥控制板，伺服閥控制板根據(jù)AD前向通道模塊以及MCU內(nèi)置的ADC模塊獲得的執(zhí)行機構(gòu)運動的數(shù)字信息，MCU根據(jù)這些數(shù)字信息決定進一步的控制方式。與此同時，伺服閥控制板將表明當前執(zhí)行機構(gòu)運動狀態(tài)的電信號，通過CAN總線反饋給上位機以及其他下位機節(jié)點。收到其他下位機節(jié)點的伺服閥控制板，根據(jù)收到的電信號，實時調(diào)整自身對伺服閥的控制信號，使得執(zhí)行機構(gòu)各部分之間能夠更好的協(xié)同運動。用戶通過工業(yè)計算機的用戶界面了解到下位機各節(jié)點的實 時運動狀態(tài)后，再輸入進行下一步操作指令。
權(quán)利要求
1.一種外骨骼硬件控制平臺，其特征在于:包括工業(yè)主板、PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業(yè)主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述外骨骼硬件控制平臺，其特征在于:所述伺服閥控制板包括微控制器、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發(fā)電路模塊、伺服閥控制接口和模擬量反饋接口，外骨骼上的傳感器獲得的第一模擬量信號通過所述模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，AD前向通道模塊與微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號通過AD前向通道模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入微控制器，CAN收發(fā)電路模塊與微控制器內(nèi)部的CAN控制器相連，CAN總線上的數(shù)據(jù)通過CAN收發(fā)電路模塊與微控制器進行數(shù)據(jù)交互，功率放大電路模塊與微控制器內(nèi)部的DA功能模塊相連，所述數(shù)字量信號通過DA功能模塊轉(zhuǎn)化為第二模擬量信號進入功率放大電路模塊，所述功率放大電路模塊將第二模擬量信號放大后通過伺服閥控制接口`控制伺服閥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種外骨骼硬件控制平臺，包括工業(yè)主板、PC104總線轉(zhuǎn)CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業(yè)主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。本發(fā)明可以優(yōu)化外骨骼控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減少控制端和執(zhí)行端電路硬件的工作量，提高整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，改善控制系統(tǒng)的控制效果。
文檔編號B25J9/16GK103231373SQ201310101300
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者王興松, 陳龍, 楊劍, 杜峰坡 申請人:東南大學