專利名稱：基于通用串行總線接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于通用串行總線(USB)接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，涉及機(jī)器人與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)。
本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)提供一種基于通用串行總線USB接口連結(jié)方式的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包括USB接口單元、數(shù)字信號(hào)處理單元、控制與執(zhí)行單元、傳感器單元以及個(gè)人計(jì)算機(jī)單元等部分。數(shù)字信號(hào)處理單元采用數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)，控制與執(zhí)行單元由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。DSP所處理的信息主要有來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)的任務(wù)解釋、各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)分析以及最后的決策。采用單片機(jī)作為控制與執(zhí)行單元，主要是就DSP的決策完成對(duì)執(zhí)行部件的控制及傳感器數(shù)據(jù)處理。
機(jī)械臂系統(tǒng)與個(gè)人計(jì)算機(jī)的信息交互通過(guò)USB接口來(lái)進(jìn)行。USB接口單元一端連接個(gè)人計(jì)算機(jī)單元，另一端連接數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元還同控制執(zhí)行單元相連，傳感器單元同數(shù)字信號(hào)處理單元以及控制與執(zhí)行單元相連接以組成反饋。
操作人員通過(guò)人機(jī)接口指定機(jī)械臂所要完成的任務(wù)，這個(gè)所要執(zhí)行的任務(wù)由個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口傳送到數(shù)字信號(hào)處理單元，并由數(shù)字信號(hào)處理單元分解為相應(yīng)的控制指令，進(jìn)一步傳送給控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元?？刂婆c執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元可由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)單片機(jī)功能，可以實(shí)現(xiàn)1-6個(gè)關(guān)節(jié)(自由度)的機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)?？刂婆c執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)處理單元傳來(lái)的控制指令控制機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。傳感器單元負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境以及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，并作為反饋信息傳送到數(shù)字信號(hào)處理單元和控制與執(zhí)行單元，這些信息既被用于形成閉環(huán)控制又通過(guò)USB接口被傳遞到個(gè)人計(jì)算機(jī)以供操作人員監(jiān)控。
本發(fā)明的機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃由機(jī)械臂系統(tǒng)本身提供，并非直接來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)，個(gè)人計(jì)算機(jī)只給出任務(wù)說(shuō)明，機(jī)械臂的DSP單元將任務(wù)分解并解釋，并結(jié)合由傳感器傳送來(lái)的反饋信息得到各關(guān)節(jié)相應(yīng)的控制信號(hào)，機(jī)械臂的自主能力很強(qiáng)。
本發(fā)明的基于USB的即插即用式機(jī)械臂系統(tǒng)，其硬件以及軟件都采用模塊化設(shè)計(jì)，因此機(jī)械臂系統(tǒng)的升級(jí)以及功能改變十分方便。USB接口部分獨(dú)立分離設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)械臂采用其他的即插即用方式時(shí)，只需更改USB接口部分就可以了，整個(gè)系統(tǒng)十分靈活。
本發(fā)明的系統(tǒng)利用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械臂即插即用式的控制。USB提供了熱拔插功能，并被當(dāng)前主流操作系統(tǒng)(如Windows98、2000、NT)支持；通過(guò)USB接口，個(gè)人計(jì)算機(jī)可以方便地對(duì)機(jī)械臂動(dòng)態(tài)控制，并且動(dòng)態(tài)地得到參數(shù)配置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制信號(hào)以及圖像信號(hào)的傳遞。當(dāng)前最新的USB2.0版本提供了最高達(dá)480Mbit/s的通訊帶寬，完全滿足機(jī)械臂的控制以及圖像信號(hào)的傳遞。通過(guò)USB接口的電器特性以及個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)USB的支持，機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能。這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)械臂的使用更加靈活、方便，特別適合服務(wù)類機(jī)械臂。
圖2為USB與DSP接口以及數(shù)據(jù)傳輸說(shuō)明圖。
圖3為DSP和控制與執(zhí)行單元(由8051實(shí)現(xiàn))的連接圖，以及8051對(duì)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂速度反饋說(shuō)明圖。
圖4為DSP接收USB數(shù)據(jù)軟件流程圖。
圖5為DSP發(fā)送數(shù)據(jù)到USB軟件流程圖。
圖6為DSP與8051接口軟件流程圖。
圖7為8051對(duì)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)程序以及速度反饋程序流程圖。
由

圖1所示，機(jī)械臂系統(tǒng)的即插即用技術(shù)由USB接口實(shí)現(xiàn)，USB由Intel提出，其提供了熱拔插的功能，并被當(dāng)今主流的操作系統(tǒng)支持；對(duì)于機(jī)械臂的處理單元，由兩部分構(gòu)成，數(shù)字信號(hào)處理單元由DSP構(gòu)成，其本身的硬件特性使得DSP在對(duì)數(shù)字信號(hào)處理方面比一般的X86處理器有著極大的優(yōu)勢(shì)。其所要處理工作主要有來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)的任務(wù)解釋、各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)分析以及最后的決策。采用一塊單片機(jī)作為控制與執(zhí)行單元，主要是就DSP的決策完成對(duì)執(zhí)行部件的控制及傳感器數(shù)據(jù)處理。傳感器單元包括視覺(jué)、位置傳感器(視需要可加入聽(tīng)覺(jué)、聲納、力覺(jué)等多種類型傳感器)。位置傳感器與單片機(jī)、電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)位置控制，視覺(jué)傳感器將圖像信號(hào)通過(guò)USB口傳于PC機(jī)，以便于操作者觀察。
基于USB的即插即用機(jī)械臂軟件結(jié)構(gòu)包括人機(jī)接口部分、USB接口部分、控制數(shù)據(jù)DSP處理及傳感器融合部分、DSP與單片機(jī)通訊部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分。通過(guò)人機(jī)接口模塊，操作人員可以發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求以及通過(guò)圖像對(duì)機(jī)械臂當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。USB接口部分由兩個(gè)模塊組成，一個(gè)是個(gè)人計(jì)算機(jī)中USB上位機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要完成個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)特殊USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?，另一部分是下位機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成USB的功能設(shè)定?？刂茢?shù)據(jù)DSP處理及傳感器融合部分完成了DSP對(duì)來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)的任務(wù)信息的變換，并得到可以直接控制執(zhí)行部件的執(zhí)行信號(hào)，同時(shí)通過(guò)多個(gè)傳感器送來(lái)的信息進(jìn)行融合，得到當(dāng)前機(jī)械臂狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)決定執(zhí)行信號(hào)的發(fā)送，這些執(zhí)行信號(hào)由DSP傳送給控制與執(zhí)行單元?？刂婆c執(zhí)行單元接收來(lái)自DSP的執(zhí)行信號(hào)，對(duì)執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)位置傳感器的反饋信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制。
由圖2可見(jiàn)，USB協(xié)議由芯片AN2131實(shí)現(xiàn)。個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)自身的USB主接口把數(shù)據(jù)傳送到AN2131，后者將傳來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到先入先出芯片(FIFO)，DSP通過(guò)讀寫(xiě)FIFO做到對(duì)USB端口的訪問(wèn)。AN2131采用Bulk模式傳輸數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中采用單向先入先出芯片(單向FIFO)。共采用兩片，一片用于發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖，另一片用于接收數(shù)據(jù)緩沖(就DSP端來(lái)看)。
數(shù)字信號(hào)處理單元DSP與單片機(jī)(8051)的連接，以及8051對(duì)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂速度反饋見(jiàn)圖3。這一模塊從DSP處得到下一步的速度，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂改變速度，達(dá)到給定。DSP與8051的通訊量不大，采用軟件仿真IIC方式實(shí)現(xiàn)二者的通訊。8051通過(guò)I/O口直接發(fā)送脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制機(jī)械臂的運(yùn)行。機(jī)械臂上安裝霍爾元件編碼器，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)其向8254計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖，8254通過(guò)計(jì)數(shù)這些脈沖得到機(jī)械臂的當(dāng)前運(yùn)行角速度。
根據(jù)圖4、圖5，數(shù)字信號(hào)處理單元DSP與USB接口芯片AN2131通過(guò)先入先出芯片(FIFO)連接。這樣，DSP讀數(shù)據(jù)的操作只是對(duì)于FIFO而言。只有一些控制同步信號(hào)要在DSP與AN2131之間傳輸。DSP對(duì)FIFO的讀寫(xiě)通過(guò)FIFO滿以及FIFO空兩個(gè)標(biāo)志得到控制。當(dāng)DSP從AN2131處接收數(shù)據(jù)時(shí)，判斷FIFO空標(biāo)志，F(xiàn)IFO內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，空標(biāo)志為真，此時(shí)DSP等待直到有數(shù)據(jù)為止，空標(biāo)志為假則收數(shù)據(jù)，收完后返回。當(dāng)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)到AN2131時(shí)，DSP判斷FIFO滿標(biāo)志，如果FIFO滿，則暫停寫(xiě)FIFO操作，并發(fā)送中斷給AN2131，通知其讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，AN2131讀取完畢后給DSP發(fā)送中斷作為應(yīng)答，DSP收到應(yīng)答后恢復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送。
根據(jù)圖6，數(shù)字信號(hào)處理單元DSP與單片機(jī)8051通訊軟件模擬IIC方式實(shí)現(xiàn)。DSP端利用多通道緩沖串行接口McBSP模擬IIC總線。首先在DSP端將機(jī)械臂各自由度的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為控制字；然后設(shè)定McBSP接口為通用輸入輸出模式GPIO，通過(guò)寫(xiě)McBSP接口控制字來(lái)控制其用于模擬IIC總線的管腳電平；最后根據(jù)IIC總線協(xié)議將控制字發(fā)送給單片機(jī)8051。
根據(jù)圖7，機(jī)械臂通過(guò)PID算法進(jìn)行控制。其中單片機(jī)8051通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器8254得到各關(guān)節(jié)的速度。由DSP計(jì)算得到一個(gè)自由度的運(yùn)行速度，此速度即為要達(dá)到的設(shè)定速度，通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器8254在設(shè)定時(shí)間(10ms)內(nèi)的計(jì)數(shù)值得到該自由度當(dāng)前的速度，將設(shè)定速度以及當(dāng)前速度代入PID算法中，得到控制量，此控制量為單片機(jī)向該自由度下一步發(fā)送的脈沖周期。單片機(jī)8051通過(guò)I/O口發(fā)送脈沖給機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)脈沖周期改變機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度。
權(quán)利要求
1.一種基于通用串行總線接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于機(jī)械臂系統(tǒng)與個(gè)人計(jì)算機(jī)的信息交互通過(guò)串行總線USB接口來(lái)進(jìn)行，USB接口單元一端連接個(gè)人計(jì)算機(jī)單元，另一端連接數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元還同控制執(zhí)行單元相連，傳感器單元同數(shù)字信號(hào)處理單元以及控制與執(zhí)行單元相連接以組成反饋，機(jī)械臂所要執(zhí)行的任務(wù)由個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口傳送到數(shù)字信號(hào)處理單元，并由數(shù)字信號(hào)處理單元分解為相應(yīng)的控制指令，進(jìn)一步傳送給控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元，控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)處理單元傳來(lái)的控制指令控制機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器單元感知外界環(huán)境以及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，并作為反饋信息傳送到數(shù)字信號(hào)處理單元和控制與執(zhí)行單元，這些信息既被用于形成閉環(huán)控制又通過(guò)USB接口被傳遞到個(gè)人計(jì)算機(jī)以供操作人員監(jiān)控。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于通用串行總線接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于數(shù)字信號(hào)處理單元及控制與執(zhí)行單元分別由數(shù)字信號(hào)處理器件DSP以及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，DSP所處理的信息主要有來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)的任務(wù)解釋、各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)分析以及最后的決策，單片機(jī)就DSP的決策完成對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的控制及傳感器數(shù)據(jù)處理。
3.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于通用串行總線接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于硬件及軟件都采用模塊化設(shè)計(jì)，USB提供熱拔插功能，并被當(dāng)前主流操作系統(tǒng)支持。
全文摘要
一種基于通用串行總線USB接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，機(jī)械臂所要執(zhí)行的任務(wù)由個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口傳送到數(shù)字信號(hào)處理單元，并由數(shù)字信號(hào)處理單元分解為相應(yīng)的控制指令，由控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元控制機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器單元感知外界環(huán)境以及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)并反饋到數(shù)字信號(hào)處理單元和控制與執(zhí)行單元，形成閉環(huán)控制并傳遞到個(gè)人計(jì)算機(jī)以供操作人員監(jiān)控。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械臂即插即用式的控制，硬件及軟件都采用模塊化設(shè)計(jì)，使機(jī)械臂的使用更加靈活，升級(jí)以及功能改變十分方便，特別適合服務(wù)類機(jī)械臂。
文檔編號(hào)G06F9/00GK1434391SQ0311547
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者蘇劍波, 張克軍, 席裕庚, 朱莉, 戴先中, 馬旭東 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)