CN102642209A - 一种七自由度力反馈手控器测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种七自由度力反馈手控器测控系统，其特征在于包括微处理器模块、位置检测模块、力反馈模块、通讯接口模块和电源模块。位置检测模块检测手控器的七个自由度的位置信息；力反馈模块为手控器各自由度提供反馈力/力矩；通讯接口模块用于手控器测控系统与计算机之间的通讯，通讯方式包括USB通信和串口通信；功能键为手控器提供复位、扩展行程、记录当前位置信息的功能；电源模块为整个手控器测控系统提供电源。本发明采用增量式光电编码盘测量七自由度手控器的位置信息，采用直流伺服电机为七自由度手控器提供七自由度反馈力/力矩，满足七自由度力反馈遥操作的要求。

Description

一种七自由度力反馈手控器测控系统

一、技术领域

本发明涉及一种七自由度力反馈手控器测控系统，可广泛应用于多自由度力反馈遥操作场合，如航空航天、医疗、虚拟现实等。

二、背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力触觉反馈的人机接口装置。机器人手控器是常见的机器人遥操作人机接口装置，它一方面测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或者虚拟现实中的虚拟机械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力触觉临场感效果，从而实现带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感觉。七自由度力反馈手控器能够满足多自由度带力反馈遥操作的要求，可应用于航空航天、医疗、抢险救援、虚拟现实等领域，具有广泛的应用价值。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高系统稳定性和可靠性的七自由度力反馈手控器测控系统。

本发明采用如下技术方案：

一种七自由度力反馈手控器测控系统，包括：微处理器模块、位置检测模块、力反馈模块、通讯接口模块及电源模块，在微处理器模块上分别连接有位置检测模块和力反馈模块，位置检测模块包括含有第一至第七光电编码盘的光电编码电路、含有第一至第七光耦合器的第一光电隔离电路、含有第一至第三计数器的脉冲计数电路及含有第一至第四D触发器的鉴相电路，光电编码电路中的7个光电编码盘分别用于接收七自由度力反馈手控器的7个自由度的位置信号，且每个光电编码盘产生A相脉冲信号和B相脉冲信号，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第三计数器，脉冲计数电路的输出端和控制端与微处理器模块的计数数据端口和计数控制端口相连，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号和7路B相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第四D触发器，鉴相电路的输出端与微处理器模块的方向数据端口相连，力反馈模块包括含有第一至第四非门的反相电路，含有第八至第九光耦合器的第二光电隔离电路，含有第一至第二D/A转换器的D/A转换电路，含有第一至第七电机驱动器的电机驱动电路，含有第一至第七直流电机的电机组，反向电路中的4个非门的输入端分别与微处理器模块的力反馈数据输出端和力反馈控制输出端相连，第一至第四非门的4个输出端分别通过第八至第九光耦合器传送至第一至第二D/A转换器，第一至第二D/A转换器的14个输出端分别通过第一至第七电机驱动器传送至第一至第七直流电机，第一至第七直流电机通过堵转方式为手控器的各个自由度提供反馈力/力矩。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明七自由度力反馈手控器测控系统可测量手控器七个自由度的位置信息和为手控器各自由度提供反馈力/力矩，满足多自由度力反馈遥操作的要求。

2、本发明七自由度力反馈手控器测控系统具有串口通讯接口和USB通讯接口，满足不同应用场合对通讯接口的要求，扩大了手控器的使用范围。

3、本发明七自由度力反馈手控器测控系统通过功能键模块，为手控器提供复位、扩展行程、记录当前位置信息的功能，满足遥操作过程中的特殊需求。

4、本发明七自由度力反馈手控器测控系统的位置检测模块采用独立的位置检测模块(包括脉冲计数电路和鉴相电路)对编码盘的脉冲信号进行计数，既减轻了对微处理器资源的占用，而且当单片机程序跑飞时，位置检测模块依旧能够记录手控器的位置信息，使得单片机重新正常工作后依旧能够获取到手控器准确的位置信息，保证了系统的稳定性和可靠性。现有手控器测控系统中采用微处理器直接对编码盘的脉冲进行计数以获得手控器的位置信息，当微处理器中的程序跑飞时不能记录到手控器正确的位置信息。

5、本发明七自由度力反馈手控器测控系统力反馈模块中采用直流电机堵转的形式为手控器提供反馈力/力矩，效率高、控制过程简单。

四、附图说明

图1是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的系统组成框图。

图2是本发明七自由度力反馈手控器测控系统位置检测模块组成框图。

图3是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的光电编码盘电路和第一光电隔离电路。

图4是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的脉冲计数电路。

图5是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的鉴相电路。

图6是本发明七自由度力反馈手控器测控系统力反馈模块组成框图。

图7是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的反相电路、第二光电隔离电路及D/A转换电路。

图8是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的电机驱动电路。

图9是本发明七自由度力反馈手控器测控系统通信接口模块组成框图。

图10是本发明七自由度力反馈手控器测控系统通信接口模块电路图

图11是本发明七自由度力反馈手控器测控系微处理器电路图。

图12是本发明七自由度力反馈手控器测控系统电源模块组成框图。

图13是本发明七自由度力反馈手控器测控系统电源模块电路图。

图14是本发明七自由度力反馈手控器测控系统下位机软件流程图。

五、具体实施方式

下面结合附图详细说本发明的具体实施步骤。

参阅图1，本发明七自由度力反馈手控器测控系统，包括：微处理器模块1、位置检测模块2、力反馈模块3、通讯接口模块4和电源模块5。采用增量式光电编码盘测量手控器的位置信息，采用直流伺服电机堵转的形式为手控器提供反馈力/力矩。微处理器模块1通过通讯接口模块4与计算机进行通信，通信方式包括串口通信和USB通信。位置检测模块2将检测到的手控器各自由度的位置信息送至微处理器模块1，微处理器模块1将处理后的位置信息通过通讯接口模块4送至计算机；微处理器模块1通过通讯接口模块4接收计算机的反馈力信息，微处理器模块1将处理后的反馈力信息通过力反馈模块3向手控器输出反馈力/力矩。

参阅图2，位置检测模块包括光电编码盘201、第一光电隔离电路202、脉冲计数电路203、盘鉴相电路204。

光电编码电路201中第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)选用增量式光电编码盘，光电隔离电路202中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)选用双路高速光耦HCPL-2630，脉冲计数电路203中第一至第三计数器(U2-8-U2-10)选用8254芯片，第一电平转换器(U2-11)选用SN74CBTD3384芯片，鉴相电路204中第一至第四鉴相器(U2-12-U2-15)选用D触发器7474芯片，第二电平转换器(U2-16)选用SN74CBTD3384芯片，光电编码电路201中第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)分别与电机组305中第一至第七直流电机的输出轴(Motor_Shaft1-Motor_Shaft7)相连，第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)的A、B相脉冲输出端分别与光电隔离电路202中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的发光管的两个负极(HCPL-2630的引脚1、4)相连，第一至第七光耦合器的输出端(HCPL-2630的引脚7、6)分别连接一个连接上拉电阻，第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的电源端(HCPL-2630的引脚8)与D+5V电源相连，光电隔离电路202中第一至第三光耦合器(U2-1-U2-3)的第一输出端(HCPL-2630的引脚7)分别与脉冲计数电路203中第一计数器(U2-8)的第一至第三脉冲输入端(8254的引脚9、15、18)相连，第四至第六光耦合器(U2-4-U2-6)的第一输出端(HCPL-2630的引脚7)分别与脉冲计数电路203中第二计数器(U2-9)的第一至第三脉冲输入端(8254的引脚9、15、18)相连，第七光耦合器(U2-1-U2-3)的第一输出端(HCPL-2630的引脚7)与脉冲计数电路203中第三计数器(U2-10)的第一脉冲输入端(8254的引脚9)相连，脉冲计数电路203中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的数据端口(8254的引脚8-1)并联，并通过第一电平转换器(U2-11)与微处理器模块1的计数数据端口相连，脉冲计数电路203中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的写信号端口(8254的引脚23)和读信号端口(8254的引脚22)分别并联，并通过第一电平转换器(U2-11)与微处理器模块1的计数控制端口相连，脉冲计数电路203中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的地址信号线和片选信号线(8254的引脚19、20、21)与微处理器模块1的计数控制端口相连，第一光电隔离电路202中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的第一、第二输出端分别与鉴相电路204中第一至第四D触发器(U2-12-U2-15)的输入端相连，鉴相电路204中第一至第四D触发器(U2-12-U2-15)的7个输出端分别通过第二电平转换器与微处理器模块1的方向数据输入端口相连。8254和SN74CBTD3384其他引脚接法参照其技术手册。

参阅图6，力反馈模块包括反相电路301、第二光电隔离电路302、D/A转换电路303、电机驱动电路304、电机组305。

反相电路301中第一至第四非门(U3-1A-U3-1D)选用7404芯片，第二光电隔离电路302中第八至第九光耦合器选用高速光耦HCPL-2630，D/A转换电路303中第一至第二D/A转换器选用具有SPI接口的D/A芯片TLV5630芯片，电机驱动电路304中第一至第七电机驱动器选用MAXON公司的ADS50/5型电机驱动器，ADS50/5驱动器上有Power模块、Signal模块、Encoder模块，反相电路301中第一至第四非门的输入端(7404的引脚1，3，5，9)分别与微处理器模块1的力反馈数据输出端相连和力反馈控制输出端相连，反相电路301中第一至第四非门的输出端(7404的引脚2，4，6，8)分别通过1个电阻与第二光电隔离电路302中第八、第九光耦合器的4个发光管的两个负极(HCPL-2630的引脚1、4)相连，第八、第九光耦合器的4个输出端分别连接1个上拉电阻，第一至第二D/A转换器(U3-4、U3-5)的串行数据输入端(TLV5630的引脚2)和串行时钟输入端(TLV5630的引脚3)分别并联，并分别与第二光电隔离电路302中第八光耦合器(U3-2)的第一和第二输出端(HCPL-2630的引脚7、6)相连，D/A转换电路303中第一至第二D/A转换器(U3-4、U3-5)的14个输出端分别与电机驱动电路304中第一至第七电机驱动器(U3-6-U3-12)的输入端(Signal模块的引脚1、2)相连，第一至第七电机驱动器(U3-6-U3-12)的输出端(Power模块的引脚1，2)分别与电机组305中第一至第七直流电机相连。驱动器驱动器其他引脚的接法参照技术手册。

参阅图9，通讯接口模块包括串口通讯接口电路401、USB通讯接口电路402。

串口通讯接口电路401中电平转换芯片U4-1的TTL电平输入端(max3232的引脚11)与微处理器的UART输出端TX相连；U4-1的TTL电平输出端(max3232的引脚12)与微处理器的UART输入RX端相连。U4-1的232电平输出端(max3232的引脚14)与DB9接口的引脚2相连；U4-1的232电平输入端(max3232的引脚13)与DB9接口的引脚3相连；DB9接口的引脚5、外壳引脚10和外壳引脚11与地(DGND)相连。电平转换芯片U4-1外围电路的接法参照技术手册。

USB接口电路402中总线端口瞬态抑制器(U4-2)选用SN75240芯片，SN75240的通道C、D分别与微处理器的USB接口相连，且SN75240的通道C、D与USB接口的引脚2、3之间分别串接一个电阻R4-3、R4-4。U4-2其他外围电路接法参照技术手册。USB接口选用B型USB接口，USB接口的VBUS引脚(USB接口的引脚1)与微处理器的USB的VBUS相连，USB接口外壳(USB接口引脚0)与地(DGND)相连。

参阅图11，微处理器模块1中微处理器选用型号为C8051F340的混合信号单片机，C8051F340的引脚15-22作为计数数据端口，C8051F340的引脚47，48，30-25作为计数控制端口，C8051F340的引脚38-32作为方向数据端口微处理器SPI总线的MOSI端、SCLK端作为力反馈数据输出端，C8051F340的引脚47，48作为力反馈控制输出端，C8051F340的引脚1作为UART的RX引脚，C8051F340的引脚2作为UART的TX引脚，C8051F340的引脚8作为USB的D+引脚，C8051F340的引脚9作为USB的D-引脚，C8051F340的引脚12作为USB的VBUS引脚。

参阅图12，电源模块包括开关电源模块501、第一5V降压电路502、第二5V降压电路503、第一3.3V降压电路504。

开关电源模块501由两个独立的开关电源(S-100-12)U7-1、U7-2组成，S-100-12型开关电源为单端12V输出，功率为100W的开关电源。U7-1、U7-2的交流输入端与3芯电源插头的对应引脚相连；第一5V降压电路502采用降压芯片LM1085-5.0，其外围电路接法参照其技术手册，输入端+12V为+12V电压，输出端+5V为5.0V电压；第二5V降压电路503采用降压芯片LM1085-5.0，其外围电路接法参照其技术手册，输入端D+12V为+12V电压，输出端D+5V为5.0V电压；第一3.3V降压电路504采用降压芯片LM1117-3.3，其外围电路接法参照其技术手册，输入端D+5V为+5V电压，输出端+3.3V为3.3V电压。

参阅图14，下位机软件即C8051F340单片机软件，包括主循环801、中断服务程序802。

主循环801中“初始化”包括系统时钟初始、I/O口初始化、USB0初始化、UART初始化、外部总线EMI初始化、SPI0初始化，系统时钟初始化包括选择片内时钟振荡器，设置系统时钟为24MHz，I/O口初始化包括使能交叉开关、为UART0、SPI0分配引脚、交叉开关跳过P1.3、P1.6、P1.7、P3.0-P3.7引脚，设置P0、P3端口、P1.0、P1.1、P1.2为推挽输出方式，USB0初始化包括初始化USB时钟、使能USB中断、设置USB工作模式为全速模式，UART初始化包括使能UART0、设置波特率、初始化UART0时钟、使能UART中断，外部总线EMI初始化包括使能EMI总线、设置EMI工作在址线、数据线复用方式，SPI初始化包括设置SPI0工作在主方式、在SCL第2个边沿采集数据、SCLK在空闲时处于低电平，使能SPI0，设置SPI时钟为1/2系统时钟，C8051F340的控制命令参见技术手册，所述的主循环801中“8254初始化”包括对计数电路203中第一至第三计数器(8254)的初始化，初始化的内容包括对每片8254中各个通道工作方式的设计和向个技术通道写入计数初值，设置工作方式为方式0、二进制计数方式、先读/写低8位数据，再读/写高8位数据，8254的读写控制命令参见技术手册，所述的主循环801中“TLV5630初始化”包括选择DA转换基准电压为片内2V基准电压、设置TLV5630工作在快速模式，TLV5630的控制命令参见技术手册，所述的主循环801中“顺序读取7路8254计数值”即分别读取计数电路203中U2-8的通道0、通道1、通道2、U2-9的通道0、通道1、通道2、U2-10的通道0的计数值，并将其存入相应的寄存器，8254的读写控制命令参见技术手册，所述的主循环801中“读取方向数据”即读取方向数据端口(C8051F340的P2.0-P2.6引脚)的状态，并将引脚状态放入相应的寄存器，所述的主循环801中“计算各自由度的位置值”即根据读取到的8254计数值和读取到的方向数据计算出各自由度的位置值，并将计算好的数值存入相应的寄存器，所述的主循环801中“USB发送数据”即将计算好的各自由度的位置值通过USB发送给计算机，USB发送命令参见C8051F340技术手册，所述的主循环801中“UART发送数据”即将计算好的各自由度的位置值通过UART0发送给计算机，UART发送命令参见C8051F340技术手册，所述的中断服务程序802中“USB接收数据”、“UART接收数据”分别表示从USB0端口和从UART0读取计算机发送来的数据，计算机发送来的数据包括DA通道号和相应DA通道要转换的数值，“SPI0发送数据”即将从计算机接收到的数据用SPI0发送给TLV5630，TI、RI分别为UART0的发送中断标志和接收中断标志，USB0、UART0、SPI0的读写命令、的读写命令参见技术手册。

Claims (4)

1.一种七自由度力反馈手控器测控系统，包括：微处理器模块(1)、通讯接口模块(4)及电源模块(5)，其特征在于，在微处理器模块(1)上分别连接有位置检测模块(2)和力反馈模块(3)，所述位置检测模块(2)包括含有第一至第七光电编码盘的光电编码电路(201)、含有第一至第七光耦合器的第一光电隔离电路(202)、含有第一至第三计数器的脉冲计数电路(203)及含有第一至第四D触发器的鉴相电路(204)，所述光电编码电路(201)中的7个光电编码盘分别用于接收七自由度力反馈手控器的7个自由度的位置信号，且每个光电编码盘产生A相脉冲信号和B相脉冲信号，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第三计数器，脉冲计数电路(203)的输出端和控制端与微处理器模块(1)的计数数据端口和计数控制端口相连，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号和7路B相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第四D触发器，鉴相电路(204)的输出端与微处理器模块(1)的方向数据端口相连，所述力反馈模块(3)包括含有第一至第四非门的反相电路(301)，含有第八至第九光耦合器的第二光电隔离电路(302)，含有第一至第二D/A转换器的D/A转换电路(303)，含有第一至第七电机驱动器的电机驱动电路(304)，含有第一至第七直流电机的电机组(305)，所述的反向电路(301)中的4个非门的输入端分别与微处理器模块(1)的力反馈数据输出端和力反馈控制输出端相连，第一至第四非门的4个输出端分别通过第八至第九光耦合器传送至第一至第二D/A转换器，第一至第二D/A转换器的14个输出端分别通过第一至第七电机驱动器传送至第一至第七直流电机，第一至第七直流电机通过堵转方式为手控器的各个自由度提供反馈力/力矩。

2.根据权利要求1所述的七自由度力反馈手控器测控系统，其特征在于所述的光电编码电路(201)中第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)选用增量式光电编码盘，光电隔离电路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)选用双路高速光耦HCPL-2630，脉冲计数电路(203)中计数器选用8254芯片，第一电平转换器选用SN74CBTD3384芯片，鉴相电路(204)中鉴相器选用D触发器7474芯片，第二电平转换器选用SN74CBTD3384芯片，光电编码电路(201)中第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)分别与电机组(305)中第一至第七直流电机的输出轴(Motor_Shaft1-Motor_Shaft7)相连，第一至第七光电编码盘(Encoder1-Encoder7)的A、B相脉冲输出端分别与光电隔离电路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的发光管的两个负极相连，第一至第七光耦合器的输出端分别连接一个连接上拉电阻，第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的电源端与D+5V电源相连，光电隔离电路(202)中第一至第三光耦合器(U2-1-U2-3)的第一输出端分别与脉冲计数电路(203)中第一计数器(U2-8)的第一至第三脉冲输入端相连，第四至第六光耦合器(U2-4-U2-6)的第一输出端分别与脉冲计数电路(203)中第二计数器(U2-9)的第一至第三脉冲输入端相连，第七光耦合器(U2-1-U2-3)的第一输出端与脉冲计数电路(203)中第三计数器(U2-10)的第一脉冲输入端相连，脉冲计数电路(203)中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的数据端口并联，并通过第一电平转换器(U2-11)与微处理器模块(1)的计数数据端口相连，脉冲计数电路(203)中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的写信号端口和读信号端口分别并联，并通过第一电平转换器(U2-11)与微处理器模块(1)的计数控制端口相连，脉冲计数电路(203)中第一至第三计数器(U2-8、U2-9、U2-10)的地址信号线和片选信号线与微处理器模块(1)的计数控制端口相连，第一光电隔离电路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1-U2-7)的第一、第二输出端分别与鉴相电路(204)中第一至第四D触发器(U2-12-U2-15)的输入端相连，鉴相电路(204)中第一至第四D触发器(U2-12-U2-15)的7个输出端分别通过第二电平转换器与微处理器模块(1)的方向数据输入端口相连。

3.根据权利要求1所述的七自由度力反馈手控器测控系统，其特征在于力反馈模块(3)中，反相电路(301)中第一至第四非门选用7404芯片，第二光电隔离电路(302)中第八至第九光耦合器选用高速光耦HCPL-2630，D/A转换电路(303)中第一至第二D/A转换器选用具有SPI接口的D/A芯片TLV5630芯片，电机驱动电路(304)中第一至第七电机驱动器选用MAXON公司的ADS50/5型电机驱动器，ADS50/5驱动器上有Power模块、Signal模块、Encoder模块，反相电路(301)中第一至第四非门的输入端分别与微处理器模块(1)的力反馈数据输出端相连和力反馈控制输出端相连，反相电路(301)中第一至第四非门的输出端分别通过1个电阻与第二光电隔离电路(302)中第八、第九光耦合器的4个发光管的负极相连，第八、第九光耦合器的4个输出端分别连接1个上拉电阻，第一至第二D/A转换器(U3-4、U3-5)的串行数据输入端和串行时钟输入端分别并联，并分别与第二光电隔离电路(302)中第八光耦合器(U3-2)的第一和第二输出端相连，D/A转换电路(303)中第一至第二D/A转换器(U3-4、U3-5)的14个输出端分别与电机驱动电路(304)中第一至第七电机驱动器(U3-6-U3-12)的输入端相连，第一至第七电机驱动器(U3-6-U3-12)的输出端分别与电机组(305)中第一至第七直流电机相连。

4.根据权利要求1所述的七自由度力反馈手控器测控系统，其特征在于微处理器模块(1)中微处理器选用型号为C8051F340的混合信号单片机，C8051F340的引脚15-22作为计数数据端口，C8051F340的引脚47，48，30-25作为计数控制端口，C8051F340的引脚38-32作为方向数据端口，微处理器SPI总线的MOSI端、SCLK端作为力反馈数据输出端，C8051F340的引脚47，48作为力反馈控制输出端。

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