CN101797752A - 仿人机器人一体化关节驱动器 - Google Patents

Abstract

仿人机器人一体化关节驱动器，涉及机器人关节驱动控制系统。解决了现有的关节驱动器体积大、重量沉、功率密度不好控制的问题，它包括功率板、控制板和驱动控制电源，功率板包括直流-直流变换器、三相逆变桥电路、母线电压检测电路、驱动/过流保护电路、电流检测电路和驱动控制接口电路，所述控制板包括控制器、码盘处理模块、SCI接口电路、CAN接口电路和电源接口电路，采用DSP控制芯片，实现交流伺服电机的运动控制功能，根据采样得到的电机电流以及转子位置信息，输出驱动控制信号，实现和上位机的通讯，通过上位机来实现集中监控管理。适用于要求体积小、重量轻、功率密度高的机器人关节驱动控制领域。

Description

仿人机器人一体化关节驱动器

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及机器人关节驱动控制系统。

背景技术

机器人是一个多学科和技术相交叉结合的应用领域。它集中了机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术、人工智能、仿生学等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平，是目前科技发展最活跃的领域之一。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。其最终研究目标为：研制出具备人类特征,在相当程度上替代人类并服务于人类,且能够与人类和谐共处的高级智能机器人。运动的平稳性和智能性、多自由度关节机构的模块化设计是仿人机器人的运动机构灵活自如的移动的保证。一体化关节机构由伺服电机、谐波减速器等构成，仿人机器人一体化关节驱动器的设计，是运动执行机构灵活运动的控制关键。针对仿人机器人的特殊应用环境，对于关节驱动器的体积、重量、功率密度等的要求非常苛刻。

发明内容

本发明为了解决现有的关节驱动器体积大、重量沉、功率密度不好控制的问题，提出一种仿人机器人一体化关节驱动控制系统。

仿人机器人一体化关节驱动控制系统，包括功率板、控制板和驱动控制电源，

所述功率板包括直流-直流变换器、三相逆变桥电路、母线电压检测电路、驱动/过流保护电路、电流检测电路和驱动控制接口电路、第一逆变采样线圈和第二逆变采样线圈，

所述控制板包括DSP控制器、码盘处理模块、SCI接口电路、CAN接口电路和电源接口电路，

直流-直流变换器和三相逆变桥电路并联在输入直流电源的正负极之间，并且直流-直流变换器的输出端与驱动控制电源的输入端相连，驱动控制电源分别为电源接口电路、驱动控制接口电路、驱动/过流保护电路和母线电压检测电路提供电能，三相逆变桥电路的三相输出端分别与伺服电动机的三相插座连接，母线电压检测电路的信号输入端与输入直流电源的正极相连，母线电压检测电路的信号输出端与驱动控制接口电路的电压输入端相连，第一逆变采样线圈串联在三相逆变桥电路的A相输出端上，并且与驱动/过流保护电路的第一保护电流输入端相连，第二逆变采样线圈串联在三相逆变桥电路的B相输出端上，并且与驱动/过流保护电路的第二保护电流输入端相连，驱动/过流保护电路的驱动信号输出端与三相逆变桥电路的驱动信号输入端相连，驱动/过流保护电路的信号通讯端与驱动控制接口电路的驱动/过流信号通讯端相连，三相逆变桥电路的电流信号输出端与电流检测电路的信号输入端相连，电流检测电路的信号输出端与驱动控制接口电路的电流信号输入端相连，

DSP控制器内部固化有电源及状态监测/保护与报警模块、PWM脉冲宽度调制发生器、ADC数模转换器、CAP无载波幅相调制器、QEP正交编码脉冲调制器、CAN接口模块、SCI接口模块、转子位置监测模块、转速监测模块、电流控制器、速度控制器和位置控制器，驱动控制接口电路的电源及状态监测信号通讯口与电源及状态监测/保护与报警模块的信号通讯口相连，驱动控制接口电路的PWM脉冲宽度调制的信号输入端与PWM脉冲宽度调制发生器的信号输出端相连，驱动控制接口电路的数字信号输出端与ADC数模转换器的信号输入端相连，ADC数模转换器的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，电源接口电路的信号输出端与DSP控制器的电压信号输入端相连，码盘处理模块的信号输入端与伺服电动机的编码器信号输出端相连，码盘处理模块的信号输出端分别与CAP无载波幅相调制器的信号输入端和QEP正交编码脉冲调制器的信号输入端相连，CAP无载波幅相调制器的信号输出端和QEP正交编码脉冲调制器的信号输出端相连同时与转子位置监测模块的信号输入端相连，转子位置监测模块的信号输出端分别与PWM脉冲宽度调制发生器的信号输入端、位置控制器的信号输入端、转速监测模块的信号输入端相连，转速监测模块的信号输出端与速度控制器的信号输入端相连，CAN接口模块用于接收网络信号，CAN接口模块的信号通讯端与电流控制器的信号通讯端、速度控制器的信号通讯端和位置控制器的信号通讯端相连，SCI接口模块用于接收上位机信号，SCI接口模块的信号通讯端与电流控制器的信号通讯端、速度控制器的信号通讯端和位置控制器的信号通讯端相连，速度控制器的信号输出端与电流控制器的速度信号输入端相连，电流控制器的电流信号输出端与PWM脉冲宽度调制发生器的电流信号输入端相连。

本发明能够实现机器人一体化关节驱动电机的转矩控制、速度控制及位置控制，能够实现正弦波和方波两种驱动方式，具备PCB安装方式，可方便地安装在机器人内部。本发明所设计的一体化关节驱动器具有体积小，重量轻，功率密度高，输出功率范围广，散热快等特点。适用于机器人关节驱动控制领域，尤其是要求体积小、重量轻、功率密度高的机器人关节驱动控制领域。 

附图说明

图1为仿人机器人一体化关节驱动控制系统结构示意图。图2为驱动控制电源的结构图。 

具体实施方式

 具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，仿人机器人一体化关节驱动控制系统，包括功率板1、控制板2和驱动控制电源3，

所述功率板1包括直流-直流变换器1-1、三相逆变桥电路1-2、母线电压检测电路1-3、驱动/过流保护电路1-4、电流检测电路1-5和驱动控制接口电路1-6、第一逆变采样线圈L1和第二逆变采样线圈L2，

所述控制板2包括DSP控制器2-1、码盘处理模块2-2、SCI接口电路2-3、CAN接口电路2-4和电源接口电路2-5，

直流-直流变换器1-1和三相逆变桥电路1-2并联在输入直流电源的正负极之间，并且直流-直流变换器1-1的输出端与驱动控制电源3的输入端相连，驱动控制电源3分别为电源接口电路2-5、驱动控制接口电路1-6、驱动/过流保护电路1-4和母线电压检测电路1-3提供电能，三相逆变桥电路1-2的三相输出端分别与伺服电动机的三相插座连接，母线电压检测电路1-3的信号输入端与输入直流电源的正极相连，母线电压检测电路1-3的信号输出端与驱动控制接口电路1-6的电压输入端相连，第一逆变采样线圈L1串联在三相逆变桥电路1-2的A相输出端上，并且与驱动/过流保护电路1-4的第一保护电流输入端相连，第二逆变采样线圈L2串联在三相逆变桥电路1-2的B相输出端上，并且与驱动/过流保护电路1-4的第二保护电流输入端相连，驱动/过流保护电路1-4的驱动信号输出端与三相逆变桥电路1-2的驱动信号输入端相连，驱动/过流保护电路1-4的信号通讯端与驱动控制接口电路1-6的驱动/过流信号通讯端相连，三相逆变桥电路1-2的电流信号输出端与电流检测电路1-5的信号输入端相连，电流检测电路1-5的信号输出端与驱动控制接口电路1-6的电流信号输入端相连，

DSP控制器2-1内部固化有电源及状态监测/保护与报警模块2-1-1、PWM脉冲宽度调制发生器2-1-2、ADC数模转换器2-1-3、CAP无载波幅相调制器2-1-4、QEP正交编码脉冲调制器2-1-5、CAN接口模块2-1-6、SCI接口模块2-1-7、转子位置监测模块2-1-8、转速监测模块2-1-9、电流控制器2-1-10、速度控制器2-1-11和位置控制器2-1-12，驱动控制接口电路1-6的电源及状态监测信号通讯口与电源及状态监测/保护与报警模块2-1-1的信号通讯口相连，驱动控制接口电路1-6的PWM脉冲宽度调制的信号输入端与PWM脉冲宽度调制发生器2-1-2的信号输出端相连，驱动控制接口电路1-6的数字信号输出端与ADC数模转换器2-1-3的信号输入端相连，ADC数模转换器2-1-3的信号输出端与电流控制器2-1-10的信号输入端相连，电源接口电路2-5的信号输出端与DSP控制器2-1的电压信号输入端相连，码盘处理模块2-2的信号输入端与伺服电动机的编码器信号输出端相连，码盘处理模块2-2的信号输出端分别与CAP无载波幅相调制器2-1-4的信号输入端和QEP正交编码脉冲调制器2-1-5的信号输入端相连，CAP无载波幅相调制器2-1-4的信号输出端和QEP正交编码脉冲调制器2-1-5的信号输出端相连同时与转子位置监测模块2-1-8的信号输入端相连，转子位置监测模块2-1-8的信号输出端分别与PWM脉冲宽度调制发生器2-1-2的信号输入端、位置控制器2-1-12的信号输入端、转速监测模块2-1-9的信号输入端相连，转速监测模块2-1-9的信号输出端与速度控制器2-1-11的信号输入端相连，CAN接口模块2-1-6用于接收网络信号，CAN接口模块2-1-6的信号通讯端与电流控制器2-1-10的信号通讯端、速度控制器2-1-11的信号通讯端和位置控制器2-1-12的信号通讯端相连，SCI接口模块2-1-7用于接收上位机信号，SCI接口模块2-1-7的信号通讯端与电流控制器2-1-10的信号通讯端、速度控制器2-1-11的信号通讯端和位置控制器2-1-12的信号通讯端相连，速度控制器2-1-11的信号输出端与电流控制器2-1-10的速度信号输入端相连，电流控制器2-1-10的电流信号输出端与PWM脉冲宽度调制发生器2-1-2的电流信号输入端相连。

母线电压检测电路1-3监测的直流母线电压范围：10V~60V。母线电压检测电路1-3使用电阻串联分压结构，输出经滤波输入到DSP控制器2-1的ADC数模转换器2-1-3。驱动器在正常工作时，实时监视直流母线电压状况，一旦出现过压或者欠压等异常情况，及时报警并停止系统运行。

驱动/过流保护电路1-4通过串联在母线上的电阻获得母线电流，当直流母线上电流超过限制时，能够输出保护开关信号到控制板2，控制板2上DSP控制器2-1的ADC数模转换器2-1-3检测到保护信号后，能够切断六路驱动输出信号，停止系统运行。

控制板2上DSP控制器2-1依靠ADC数模转换器2-1-3监测到的电流采样值和码盘处理模块2-2发送的转子位置信息，通过PWM脉冲宽度调制发生器2-1-2发出六路脉宽调制PWM控制信号，以控制三相逆变桥电路1-2中开关管的开通和关闭。通过编程可以实现一体化关节的转矩、转速和位置控制。根据负载转矩和定位精度的要求可以实现正弦波驱动和方波驱动的切换。

电流检测电路1-5使用运放来对电流采样信号进行调理，之后送入DSP控制器2-1的ADC数模转换器2-1-3。

码盘处理模块2-2，能够接收编码器的位置霍尔信号，以及位置脉冲信号。模拟量控制电路可以实现外部的模拟量给定控制。霍尔信号和位置脉冲信号可以是差分输入或者单端输入。

SCI接口电路2-3和CAN接口电路2-4能够实现与上位机的通讯，并可实现联网控制。驱动器可与上位机通过CAN接口电路2-4连接，通过上位机实现多个机器人关节驱动器的协调控制，进而实现仿人机器人的复杂动作。驱动器可与网络通过SCI接口电路2-3串行通讯接口进行连接，通过上位机监控软件，可以方便地实现驱动器的控制及状态监测。

本发明的一体化关节驱动器的功率板与控制板间通过插针焊接，功率板粘接在散热片上，依靠PCB作为媒介，直接把热量传递到散热片上，塑料外壳直接扣在驱动器PCB板上方，外壳上留出必要的接插针通孔用于电气连接。外形设计可方便地安装在机器人内部。

本发明一体化关节驱动控制系统优点在于，基于高度集成的功能结构，实现了仿人机器人一体化关节驱动器的设计。结构紧凑、功能齐全、可靠性高、可移植性好，便于在仿人机器人中安装和调试。由于体积的缩小，重量大为减轻，功率密度显著提高，适合于机器人等高端应用场合。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于仿人机器人一体化关节驱动控制系统，还包括EEPROM存储器2-6，所述EEPROM存储器2-6的通讯口与DSP控制器2-1的通讯口相连。

EEPROM存储器2-6与DSP控制器2-1互联，用于存储控制参数，驱动器初始化时可自主调用合适的控制参数。驱动器运行时，可以根据需要从EEPROM存储器2-6中加载适当的控制参数，以达到最佳性能。

具体实施方式三、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一中驱动控制电源3的进一步说明，驱动控制电源3包括第一降压转换器3-1、第二降压转换器3-2和第三降压转换器3-3，所述第一转换器3-1的输入端与外部直流电压输入端相连，第一转换器3-1将电压转换为12.5V，第二降压转换器3-2的输入端与第一转换器3-1的输出端相连，第二降压转换器3-2将电压转换为5V，第三降压转换器3-3的输入端与第二转换器3-2的输出端相连，第三降压转换器3-3输出电压3.3V和1.8V。

驱动控制电源3采用降压级联结构设计，实现电源的分级输出，为驱动器提供驱动电源及辅助电源。

驱动控制电源3输入为直流电压，驱动控制电源3经第一降压转换器3-1输出12.5V的开关管驱动电源；12.5V电压经第二降压转换器3-2输出5V电源，用于CAN接口电路2-4的电源及转子位置监测模块2-1-8的电源；5V电压经第三降压转换器3-3输出3.3V和1.8V电源，为DSP控制器2-1和SCI接口电路2-3供电。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施一或二的不同之处在于SCI接口电路2-3为RS-232串行通讯接口电路。

计算机通过RS-232串行通讯接口电路进行连接，通过上位机监控软件，可以方便地实现仿人机器人一体化关节驱动控制系统的控制及状态监测。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施一或二的不同之处在于DSP控制器2-1采用TI公司的TMS320F28xx系列DSP控制芯片。

具体实施方式六、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或四的不同之处在于三相逆变桥电路1-2采用六个MOSFET和第一电阻R1和第二电阻R2组成，每两个MOSFET串连在一起组成的一桥臂，三个桥臂并联构成A、B、C三相桥臂，A相桥臂的下桥臂开关管与第一电阻R1的一端相连，B相桥臂的下桥臂开关管与第二电阻R2的一端相连，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端分别与电流检测电路1-5的信号输入端相连。

三相逆变桥电路1-2采用六个MOSFET分立元件搭建，构成A、B、C三相桥臂，在A、B两相的下桥臂开关管与电流采样电阻连接。

开关管驱动电路使用自举电路设计，可实现六路隔离驱动。每个桥臂的两个开关管的驱动信号之间包含死区。

具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于第一电阻R1和第二电阻R2阻值范围10mΩ~20mΩ。 

 

Claims (7)

1.仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于它包括功率板(1)、控制板(2)和驱动控制电源(3)，

所述功率板(1)包括直流-直流变换器(1-1)、三相逆变桥电路(1-2)、母线电压检测电路(1-3)、驱动/过流保护电路(1-4)、电流检测电路(1-5)和驱动控制接口电路(1-6)、第一逆变采样线圈(L1)和第二逆变采样线圈(L2)，

所述控制板(2)包括DSP控制器(2-1)、码盘处理模块(2-2)、SCI接口电路(2-3)、CAN接口电路(2-4)和电源接口电路(2-5)，

直流-直流变换器(1-1)和三相逆变桥电路(1-2)并联在输入直流电源的正负极之间，并且直流-直流变换器(1-1)的输出端与驱动控制电源(3)的输入端相连，驱动控制电源(3)分别为电源接口电路(2-5)、驱动控制接口电路(1-6)、驱动/过流保护电路(1-4)和母线电压检测电路(1-3)提供电能，三相逆变桥电路(1-2)的三相输出端分别与伺服电动机的三相插座连接，母线电压检测电路(1-3)的信号输入端与输入直流电源的正极相连，母线电压检测电路(1-3)的信号输出端与驱动控制接口电路(1-6)的电压输入端相连，第一逆变采样线圈(L1)串联在三相逆变桥电路(1-2)的A相输出端上，并且与驱动/过流保护电路(1-4)的第一保护电流输入端相连，第二逆变采样线圈(L2)串联在三相逆变桥电路(1-2)的B相输出端上，并且与驱动/过流保护电路(1-4)的第二保护电流输入端相连，驱动/过流保护电路(1-4)的驱动信号输出端与三相逆变桥电路(1-2)的驱动信号输入端相连，驱动/过流保护电路(1-4)的信号通讯端与驱动控制接口电路(1-6)的驱动/过流信号通讯端相连，三相逆变桥电路(1-2)的电流信号输出端与电流检测电路(1-5)的信号输入端相连，电流检测电路(1-5)的信号输出端与驱动控制接口电路(1-6)的电流信号输入端相连，

DSP控制器(2-1)内部固化有电源及状态监测/保护与报警模块(2-1-1)、PWM脉冲宽度调制发生器(2-1-2)、ADC数模转换器(2-1-3)、CAP无载波幅相调制器(2-1-4)、QEP正交编码脉冲调制器(2-1-5)、CAN接口模块(2-1-6)、SCI接口模块(2-1-7)、转子位置监测模块(2-1-8)、转速监测模块(2-1-9)、电流控制器(2-1-10)、速度控制器(2-1-11)和位置控制器(2-1-12)，驱动控制接口电路(1-6)的电源及状态监测信号通讯口与电源及状态监测/保护与报警模块(2-1-1)的信号通讯口相连，驱动控制接口电路(1-6)的PWM脉冲宽度调制的信号输入端与PWM脉冲宽度调制发生器(2-1-2)的信号输出端相连，驱动控制接口电路(1-6)的数字信号输出端与ADC数模转换器(2-1-3)的信号输入端相连，ADC数模转换器(2-1-3)的信号输出端与电流控制器(2-1-10)的信号输入端相连，电源接口电路(2-5)的信号输出端与DSP控制器(2-1)的电压信号输入端相连，码盘处理模块(2-2)的信号输入端与伺服电动机的编码器信号输出端相连，码盘处理模块(2-2)的信号输出端分别与CAP无载波幅相调制器(2-1-4)的信号输入端和QEP正交编码脉冲调制器(2-1-5)的信号输入端相连，CAP无载波幅相调制器(2-1-4)的信号输出端和QEP正交编码脉冲调制器(2-1-5)的信号输出端相连同时与转子位置监测模块(2-1-8)的信号输入端相连，转子位置监测模块(2-1-8)的信号输出端分别与PWM脉冲宽度调制发生器(2-1-2)的信号输入端、位置控制器(2-1-12)的信号输入端、转速监测模块(2-1-9)的信号输入端相连，转速监测模块(2-1-9)的信号输出端与速度控制器(2-1-11)的信号输入端相连，CAN接口模块(2-1-6)用于接收网络信号，CAN接口模块(2-1-6)的信号通讯端与电流控制器(2-1-10)的信号通讯端、速度控制器(2-1-11)的信号通讯端和位置控制器(2-1-12)的信号通讯端相连，SCI接口模块(2-1-7)用于接收上位机信号，SCI接口模块(2-1-7)的信号通讯端与电流控制器(2-1-10)的信号通讯端、速度控制器(2-1-11)的信号通讯端和位置控制器(2-1-12)的信号通讯端相连，速度控制器(2-1-11)的信号输出端与电流控制器(2-1-10)的速度信号输入端相连，电流控制器(2-1-10)的电流信号输出端与PWM脉冲宽度调制发生器(2-1-2)的电流信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于驱动控制电源(3)包括第一降压转换器(3-1)、第二降压转换器(3-2)和第三降压转换器(3-3)，所述第一转换器(3-1)的输入端与外部直流电压输入端相连，第一转换器(3-1)将电压转换为12.5V，第二降压转换器(3-2)的输入端与第一转换器(3-1)的输出端相连，第二降压转换器(3-2)将电压转换为5V，第三降压转换器(3-3)的输入端与第二转换器(3-2)的输出端相连，第三降压转换器(3-3)输出电压3.3V和1.8V。

3.根据权利要求1或2所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于SCI接口电路(2-3)为RS-232串行通讯接口电路。

4.根据权利要求1或2所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于DSP控制器(2-1)采用TI公司的TMS320F28xx系列DSP控制芯片。

5.根据权利要求3所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于DSP控制器(2-1)采用TI公司的TMS320F28xx系列DSP控制芯片。

6.根据权利要求1或2所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于三相逆变桥电路(1-2)采用六个MOSFET和第一电阻(R1)和第二电阻(R2)组成，每两个MOSFET串连在一起组成的一桥臂，三个桥臂并联构成A、B、C三相桥臂，A相桥臂的下桥臂开关管与第一电阻(R1)的一端相连，B相桥臂的下桥臂开关管与第二电阻(R2)的一端相连，第一电阻(R1)的一端和第二电阻(R2)的一端分别与电流检测电路(1-5)的信号输入端相连。

7.根据权利要求6所述的仿人机器人一体化关节驱动控制系统，其特征在于第一电阻(R1)和第二电阻(R2)阻值范围10mΩ~20mΩ。

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