專(zhuān)利名稱(chēng)：一種仿人機(jī)器人分布式關(guān)節(jié)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用和電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種仿人機(jī)器人分布式關(guān)節(jié)控制電路。技術(shù)背景
仿人機(jī)器人具有很多的自由度，每個(gè)自由度可以由關(guān)節(jié)控制電路控制其動(dòng)作，關(guān)節(jié)控制電路的性能對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡至關(guān)重要。以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的關(guān)節(jié)控制電路實(shí)現(xiàn)的控制功能。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型專(zhuān)利的目的在于提供一種仿人機(jī)器人分布式關(guān)節(jié)控制電路，克服以往采用的集中控制系統(tǒng),控制功能高度集中、協(xié)調(diào)性能差和較大的超調(diào)等缺點(diǎn)，并具有簡(jiǎn)單高效、控制準(zhǔn)確、軟件稍作改動(dòng)即可用于其它關(guān)節(jié)、抗干擾、實(shí)時(shí)性能好等特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的控制電路包括，RS-485總線電路、DSP電路、D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路、基于線形光耦的隔離電路、增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路。它們的連接關(guān)系是DSP電路和RS-485總線相連，完成了和主計(jì)算機(jī)通信，DSP電路和D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路相連，完成了D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大，D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路和基于線形光耦的隔離電路相連，完成了抗干擾，DSP電路和增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路相連，完成了檢測(cè)速度和位置。每個(gè)關(guān)節(jié)控制電路和一臺(tái)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)反饋裝置等構(gòu)成一個(gè)位置伺服系統(tǒng)，負(fù)責(zé)某一個(gè)關(guān)節(jié)變量的具體控制任務(wù)。
軟件主要由主程序、串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序、控制周期定時(shí)中斷服務(wù)程序組成。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法由主計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)主計(jì)算機(jī)還將通過(guò)RS-485總線與各關(guān)節(jié)控制電路通信，負(fù)責(zé)各關(guān)節(jié)控制電路的協(xié)調(diào)工作。
所述的DSP電路由TI公司的2000系列TMS320F240 DSP芯片、晶振電路、上電復(fù)位電路組成，上電復(fù)位電路電阻和電容的連接處引出一端連接到TMS320F240 DSP芯片的引腳PORESETi晶振電路的兩端連接至lJ TMS320F240 DSP芯片的XTAL2和XTAL1引腳，見(jiàn)附圖3。 TMS320F240 DSP芯片時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz，具有高速的處理能力，片內(nèi)資源豐富，特別是它特有的內(nèi)置事件管理器模塊，使其在電機(jī)控制領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。該芯片本身尺寸很小，需要外擴(kuò)的資源不多，節(jié)省了電路板的空間。
從DSP電路數(shù)據(jù)總線中的D0到Dll接入DAC芯片(選用DAC7621)的DB0到DB11,D/A轉(zhuǎn)換后由DAC芯片的V0UT出來(lái)接到運(yùn)算放大器芯片LM358 (—片LM358有2個(gè)運(yùn)算放大器)其中l(wèi)個(gè)運(yùn)算放大器的輸入端構(gòu)成的同相比例放大電路，把0 4.095V的
信號(hào)放大2.5倍，得到0 10V的模擬信號(hào)。DAC芯片的片選^輸入管腳可以接TMS320F240 DSP芯片的IS腳，DAC芯片的R/w腳與TMS320F240 DSP芯片的R/W腳相連，見(jiàn)附圖4。
如果驅(qū)動(dòng)和控制器不進(jìn)行隔離，尖峰將破壞控制器電路中的器件，例如R細(xì)。因此，設(shè)計(jì)了線形光耦的隔離電路。0 10V的模擬信號(hào)接芯片LM358另外一個(gè)運(yùn)算放大器輸入端，將輸入0 10V電壓轉(zhuǎn)換成20mA以內(nèi)的電流信號(hào)，運(yùn)算放大器輸出端接線性光耦芯片(選用HCNR201)的LEOANO腳，線性光耦芯片的PDO ANO接運(yùn)算放大器AD8519芯片的入端，運(yùn)算放大器AD8519芯片輸出端接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，見(jiàn)附圖5。線性光耦芯片起到隔離電流的關(guān)系，且輸入電流和輸出電流呈線性關(guān)系。顯然，HCNR201兩側(cè)電路應(yīng)采用不同的電源和地，所述的不同的電源和地是指模擬器件的電源和數(shù)字器件的電源。LM358中的兩片運(yùn)算放大器采用控制器輸入的12V電源供電，而AD8519則采用驅(qū)動(dòng)器輸入端提供的10V電壓供電。
為了測(cè)量電機(jī)的位置，通過(guò)增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路的信號(hào)輸入接口、電阻和AM26C32編碼芯片輸出的3個(gè)通道的RS-422差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平，得到A，B， Z 3路信號(hào)。A， B信號(hào)可以接TMS320F240 DSP芯片，TMS320F240 DSP芯片包含在DSP電路中，內(nèi)部的輸入口 CAP1、 CAP3、 XINT3引腳和CAP2、 CAP4引腳，Z信號(hào)可以接到TMS320F240 DSP芯片外部中斷輸入引腳XINT1上，通過(guò)中斷即可捕捉到Z脈沖，見(jiàn)附圖6。 TMS320F240 DSP芯片選定一個(gè)計(jì)數(shù)器，設(shè)置為雙向加/減計(jì)數(shù)模式。QEP是TMS320F240DSP芯片內(nèi)部的正交編碼器電路單元的輸入口， QEP使能時(shí)，A、 B信號(hào)的兩個(gè)邊沿(上升沿和下降沿)都被QEP計(jì)數(shù)，因此送到計(jì)數(shù)器中的信號(hào)CLK的頻率是A， B信號(hào)脈沖頻率的4倍；QEP的方向檢測(cè)邏輯能夠測(cè)定A， B哪個(gè)脈沖序列領(lǐng)先，然后產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)DIR，控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向。Z信號(hào)可以接到TMS320F240 DSP芯片外部中斷輸入引腳XINT1上，通過(guò)中斷即可捕捉到Z脈沖。
RS-485總線是一種通信總線，TMS320F240 DSP芯片本身不具備RS-485總線接口 ，但是通過(guò)附圖7中采用2個(gè)485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口 RXD和TXD的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平，TMS320F240 DSP的RXD和TXD引腳分別連接到第i片485通信芯片R0和第2片485通信芯片DI的引腳，TMS320F240 DSP的SPISIMO
和SPISOMI連接到MAX485的使能引腳癥，用于控制TMS320F240 DSP芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送口掛接到總線上或和總線分離，見(jiàn)附圖7。 485R-、 485R+、 485W-、 485W+是RS-485總線接線。
本實(shí)用新型工作原理運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法由主計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)主計(jì)算機(jī)還將通過(guò)RS-485總線與各關(guān)節(jié)控制電路通信，負(fù)責(zé)各關(guān)節(jié)控制電路的協(xié)調(diào)工作。每個(gè)關(guān)節(jié)控制電路和一臺(tái)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)反饋裝置等構(gòu)成一個(gè)位置伺服系統(tǒng)，負(fù)責(zé)某一個(gè)關(guān)節(jié)變量的具體控制任務(wù)。
本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)在于具有面積小適合仿人機(jī)器人安裝、控制準(zhǔn)確、抗干擾、實(shí)時(shí)性能好，軟件稍作改動(dòng)即可用于其它關(guān)節(jié)。


圖1為本實(shí)用新型在仿人機(jī)器人一個(gè)6個(gè)自由度機(jī)械臂工作示意圖。圖2為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖的TMS320F240 DSP電路部分。圖4為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖的D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路部分。圖5為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖的基于線形光耦的隔離電路部分。圖6為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖的增量式編碼器信號(hào)處理電路部分。圖7為本實(shí)用新型組成結(jié)構(gòu)圖的RS-485總線接口電路部分。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本實(shí)用新型在仿人機(jī)器人一個(gè)6個(gè)自由度機(jī)械臂工作示意圖，圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)圖，圖3為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)圖的TMS320F240 DSP電路部分。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法由主計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)主計(jì)算機(jī)還將通過(guò)圖7為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)圖的RS-485總線接口電路與各關(guān)節(jié)控制電路通信，負(fù)責(zé)各關(guān)節(jié)控制電路的協(xié)調(diào)工作。主計(jì)算機(jī)路徑規(guī)劃求得的目標(biāo)位置，應(yīng)該換算成增量碼盤(pán)的脈沖數(shù)后，再發(fā)給某個(gè)關(guān)節(jié)控制電路。關(guān)節(jié)控制電路利用它和從增量編碼器實(shí)際測(cè)得的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，此過(guò)程硬件由圖6為本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)圖的增量式編碼器信號(hào)處理電路完成，利用積分分離PID算法求解位置環(huán)的控制量，位置環(huán)控制器的控制量作為速度環(huán)的給定，與速度反饋值比較，再利用積分分離PID算法求解速度環(huán)的控制量，經(jīng)過(guò)限幅后，通過(guò)D/A輸出到驅(qū)動(dòng)器,控制電機(jī)運(yùn)行，此過(guò)程硬件由圖4的D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路和圖5的基于線形光耦的隔離電路完成。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制算法程序包括主程序、各中斷服務(wù)程序及相關(guān)子程序。主程序完成系統(tǒng)的初始化，當(dāng)關(guān)節(jié)控制電路通過(guò)RS-485總線接收到主計(jì)算機(jī)發(fā)送的一個(gè)字節(jié)后，進(jìn)入串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序，把新接收到的字節(jié)讀出，存入內(nèi)存中開(kāi)辟的數(shù)據(jù)接收區(qū)，置標(biāo)志位。由主程序中完成主計(jì)算機(jī)指令的校驗(yàn)、解析、生成相應(yīng)的應(yīng)答信息，之后開(kāi)始發(fā)送應(yīng)答信息。位置環(huán)以及速度環(huán)控制算法在控制周期定時(shí)中斷服務(wù)程序中完成。
權(quán)利要求1、一種仿人機(jī)器人分布式關(guān)節(jié)控制電路，其特征在于，該控制電路包括RS-485總線電路、DSP電路、D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路、基于線形光耦的隔離電路、增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路；它們的連接關(guān)系是DSP電路和RS-485總線相連，DSP電路和D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路相連，D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路和基于線形光耦的隔離電路相連，DSP電路和增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路相連，每個(gè)關(guān)節(jié)控制電路和一臺(tái)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)反饋裝置構(gòu)成一個(gè)位置伺服系統(tǒng)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述的DSP電路由2000系列tms320f240 dsp芯片、晶振電路、上電復(fù)位電路組成，上電復(fù)位電路電阻和電容的連接處引出一端連接到tms320f240 dsp芯片的引腳PORESET ，晶振電路的兩端連接到tms320f240 dsp芯片的xtal2和xtal1引腳。
3、 按照權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，從DSP電路數(shù)據(jù)總線中的DO到Dll接入DAC芯片的DBO到DBll， D/A轉(zhuǎn)換后由DAC芯片的VOUT出來(lái)接到運(yùn)算放大器芯片lm358, dac芯片的片選CS輸入管腳可以接tms320f240 dsp芯片的IS腳，dac芯片的R/W腳與tms320F240 dsp芯片的R/W腳相連，
4、 按照權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于，dac芯片選用dac7621; —片lm358有2個(gè)運(yùn)算放大器。
5、 按照權(quán)利要求l所述的電路，其特征在于，所述的線形光耦的隔離電路，0 10v的模擬信號(hào)接芯片lm358另外一個(gè)運(yùn)算放大器輸入端，運(yùn)算放大器輸出端接線性光耦芯片的leo ano腳，線性光耦芯片的pdo ano接運(yùn)算放大器ad8519芯片的入端，運(yùn)算放大器ad8519芯片輸出端接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，hcnr201兩側(cè)電路應(yīng)采用不同的電源和地，所述的不同的電源和地是指模擬器件的電源和數(shù)字器件的電源；lm358中的兩片運(yùn)算放大器采用控制器輸入的12v電源供電，而ad8519則采用驅(qū)動(dòng)器輸入端提供的10v電壓供電。
6、 按照權(quán)利要求l所述的電路，其特征在于，RS-485總線是一種通信總線，采用2個(gè)485通信芯片MAX485把TMS320F240的串口 RXD和TXD的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平，TMS320F240 DSP的RXD和TXD引腳分別連接到第1片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引腳，TMS320F240 DSP的SPISIMO和SPISOMI連接到MAX485的使能引腳癥，用于控制TMS320F240DSP芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送口掛接到總線上或和總線分離，485R-、 485R+、 485W-、 485W+是RS-485總線接線。
專(zhuān)利摘要一種仿人機(jī)器人分布式關(guān)節(jié)控制電路，屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用和電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。該控制電路包括RS-485總線電路、DSP電路、D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路、基于線形光耦的隔離電路、增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路；它們的連接關(guān)系是DSP電路和RS-485總線相連，DSP電路和D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路相連，D/A轉(zhuǎn)換以及同相比例放大電路和基于線形光耦的隔離電路相連，DSP電路和增量進(jìn)行式編碼器信號(hào)處理電路相連，每個(gè)關(guān)節(jié)控制電路和一臺(tái)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)反饋裝置構(gòu)成一個(gè)位置伺服系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)在于具有簡(jiǎn)單高效、控制準(zhǔn)確、軟件稍作改動(dòng)即可用于其它關(guān)節(jié)、抗干擾、實(shí)時(shí)性能好。
文檔編號(hào)G05B19/414GK201322867SQ20082018285
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者單琳娜, 史慶軍, 周經(jīng)國(guó), 姜重然, 徐斌山, 全 王, 陳文平 申請(qǐng)人:佳木斯大學(xué)