CN103362902B - 腿足式机器人单腿液压伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腿足式机器人单腿液压伺服控制器，包括DSP处理器、伺服作动器，所述DSP处理器通过D/A转换器、功率放大模块与伺服作动器连接，模拟信号通过信号调理模块发送到DSP处理器，开关信号发送到DSP处理器，DSP处理器通过CAN通信模块与上位机连接，所述DSP处理器分别与电源模块、仿真模块、时钟模块、复位模块连接；本发明能够根据指令伺服一条腿上最多4个液压缸的动作，根据相对于腿部基座标的落脚点位置自行规划各个液压缸的运动，能够进行多控制器的并联满足双足、四足甚至多足机器人的伺服控制。

Description

腿足式机器人单腿液压伺服控制器

技术领域

本发明涉及液压驱动的高性能腿足式仿生机器人技术领域，尤其涉及一种具有自主步态规划的腿足式机器人单腿液压伺服控制器。

背景技术

移动机器人主要包括轮式、履带式、腿足式以及其他运动类型的机器人。轮式和履带式机器人主要存在的问题是无法通过较复杂的地形。与此相比，腿足式机器人具有运动灵活和良好的地形适应能力，因此腿足式机器人已成为机器人领域的研究热点。如果选择液压能作为驱动能，可以使机器人具有一定的负载能力，具有较大的的实际使用价值。液压驱动的腿足式机器人主要依赖分布于各个腿上的驱动单元来行走,其运动性能直接取决于液伺服控制系统性能。国内目前有关液压驱动的腿足式机器人控制器介绍还很少，国际上最具代表性的液压驱动腿足式机器人——即波士顿动力公司研制的BigDog，其控制器为一嵌入式计算机PC104。这种由单一控制器组成的控制系统由于受大量传感器信息以及伺服单元增多的影响，其伺服频率以及控制算法的灵活性都受到一定限制。

中国专利文献CN102637036公开了“一种复合式仿生四足机器人控制器”，它以ARM9微处理器作为智能决策器，以FPGA作为步态生成器，以多个DSP芯片作为执行控制器根据关节运动指令来控制四足机器人各条腿上电机的运动。中国专利文献CN102785250公开了“一种四足机器人运动控制器”，该控制器同样以ARM芯片作为主控制器，由DSP芯片作为从控制器来控制四足机器人各关节电机的运动。以上发明都以四足机器人为控制对象，且其控制目标都为直流电机，由于其控制对象以及控制方式的不同决定了其很难向液压驱动的双足、四足或多足机器人上移植。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种腿足式机器人单腿液压伺服控制器；该控制器能够根据指令伺服一条腿上最多4个液压缸的动作，还可以根据相对于腿部基座标的落脚点位置自行规划各个液压缸的运动。此外该控制器根据需要可进行单腿的位置伺服、力伺服、以及基于足底力或关节力的腿部柔顺控制。同时该控制器由于采用CAN总线作为通讯方式使其可以进行多控制器的并联从而可以满足双足、四足甚至多足机器人的伺服控制。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种腿足式机器人单腿液压伺服控制器，包括DSP处理器、伺服作动器，所述DSP处理器通过D/A转换器、功率放大模块与伺服作动器连接，模拟信号通过信号调理模块发送到DSP处理器，开关信号发送到DSP处理器，DSP处理器通过CAN通信模块与上位机连接，所述DSP处理器分别与电源模块、仿真模块、时钟模块、复位模块连接。系统由3块印制电路板通过插针接插的形式叠加而成，其中一块是电源板，一块是DSP核心控制板，另一块板则集成了该系统的其他电路。电源模块用来将输入电压转化为系统需要的电压等级。

DSP处理器采用TMS320F28335型DSP芯片。它通过片内自带的A/D转换芯片实时采集各个作动器的位移信号、力信号以及足底三维力传感器的模拟信号，并且通过端口读取系统的开关信号，然后根据控制计算机的指令按照既定算法对各个数据进行整合处理，最后输出控制信号来控制伺服作动器的运动。为适应高速多通道伺服控制，D/A转换芯片采用了TI公司的DAC7724芯片。它具有4路12位转换通道，转换时间为10us，而且可以实现双向电压输出，因此最多可实现4通道的较高频率的伺服输出。

电源模块的输入电源为直流24V，使用两块MINMAX电源转换模块将直流24V电压分别转化为3.3V和±15V，以满足系统的供电需要。

所述功率放大模块采用三极管2SA1013、及三极管2SC2383组成的OCL功率放大电路，功率放大模块将D/A的输出信号进行功率放大后直接作为系统输出来驱动伺服作动器。

信号调理模块对位置信号、力信号、以及足底三维力传感器信号滤波、以消除外界对系统的干扰。滤波器件主要选用共模信号滤波器，各电源线采用相应的电源滤波器来进行干扰抑制。

所述CAN通信模块用来实现液压伺服控制器之间以及液压伺服控制器与控制计算机之间的通信，CAN通信模块的收发器采用SN65HVD230芯片，与DSP之间采用高速光耦进行隔离。

所述CAN通信模块通过总线传输各液压伺服控制器的PID参数、卡尔曼滤波器参数、以及功率放大器的输出控制参数。

本发明的创新点：

1.本发明系统体积小，结构简单、操作方便，不仅能够实现机器人单腿液压伺服控制，而且能够通过CAN总线实现多个控制器的并联从而完成对双足、四足或者多足机器人的腿部控制；

2.此外该控制器不仅可以根据需要进行关节的位置伺服、力伺服，而且还可以根据足端坐标来规划各个液压缸的运动来实现整条腿的伺服同时还可进行基于足底力的腿部柔顺控制，从而为主控制器节省时间，提高了控制系统的灵活性。

附图说明

图1是本发明提供的单腿液压伺服控制器的结构示意图；

图2是本发明提供的单腿液压伺服控制器的控制原理示意图；

图3是本发明的功能示意图；

图4是本发明提供的单腿液压伺服控制器的前视图；

图5是本发明提供的单腿液压伺服控制器的后视图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1，图2所示，一种腿足式机器人单腿液压伺服控制器，包括DSP处理器、伺服作动器，所述DSP处理器通过D/A转换器、功率放大模块与伺服作动器连接，模拟信号通过信号调理模块发送到DSP处理器，开关信号发送到DSP处理器，DSP处理器通过CAN通信模块与上位机连接，所述DSP处理器分别与电源模块、仿真模块、时钟模块、复位模块连接。系统由3块印制电路板通过插针接插的形式叠加而成，其中一块是电源板，一块是DSP核心控制板，另一块板则集成了该系统的其他电路。电源模块用来将输入电压转化为系统需要的电压等级。

DSP处理器采用TMS320F28335型DSP芯片。它通过片内自带的A/D转换芯片实时采集各个作动器的位移信号、力信号以及足底三维力传感器的模拟信号，并且通过端口读取系统的开关信号，然后根据控制计算机的指令按照既定算法对各个数据进行整合处理，最后输出控制信号来控制伺服作动器的运动。为适应高速多通道伺服控制，D/A转换芯片采用了TI公司的DAC7724芯片。它具有4路12位转换通道，转换时间为10us，而且可以实现双向电压输出，因此最多可实现4通道的较高频率的伺服输出。

电源模块的输入电源为直流24V，使用两块MINMAX电源转换模块将直流24V电压分别转化为3.3V和±15V，以满足系统的供电需要。

功率放大模块采用三极管2SA1013、及三极管2SC2383组成的OCL功率放大电路。它将D/A的输出信号进行功率放大后直接作为系统输出来驱动电液伺服阀。

信号调理模块对位置信号、力信号、以及足底三维力传感器信号滤波、以消除外界对系统的干扰。滤波器件主要选用日本村田公司的共模信号滤波器，此外各电源线也采用了该公司相应的电源滤波器来进行干扰抑制。

CAN通信模块用来实现电液伺服控制器之间以及电液伺服控制器与控制计算机之间的通信，CAN通信模块的收发器采用SN65HVD230芯片、与DSP之间采用高速光耦进行隔离。通过该总线可传输各控制器的PID参数、卡尔曼滤波器参数以及功率放大器的输出等控制参数。

图3所示为本发明电液压伺服控制器的功能示意图。该电液压控制器可通过接收CAN总线的控制指令来实现控制参数设置，包括卡尔曼滤波器参数和PID参数；信号发生设置，以产生正弦波信号、方波信号、三角波信号或电平信号；单关节位置控制；基于腿部基座标的落脚点控制；基于足底力或关节力的足端柔顺控制等。

图4所示为本发明电液伺服控制器的前视图。图中1为通道1接口，2为通道2接口，3为通道3接口，4为足底力传感器接口。其中通道1到通道3的每个通道可单独驱动一路电液伺服阀并采集其压力信号和位移信号。

图5所示为本发明电液伺服控制器的后视图。图中5为开关信号输入接口，6为CAN信号输入接口，7为CAN信号输出接口，8为电源接口，输入电压为直流24V。

本发明的单腿液压伺服控制器主要完成对腿足式机器人单腿3个关节的液压伺服控制，同时通过CAN总线的多设备挂载可实现该伺服控制器的并联从而完成对双足、四足或多足的腿部液压伺服控制。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，包括DSP处理器、伺服作动器，所述DSP处理器通过D/A转换器、功率放大模块与伺服作动器连接，模拟信号通过信号调理模块发送到DSP处理器，开关信号发送到DSP处理器，DSP处理器通过CAN通信模块与上位机连接，所述DSP处理器分别与电源模块、仿真模块、时钟模块、复位模块连接；所述功率放大模块采用三极管2SA1013、及三极管2SC2383组成的OCL功率放大电路，功率放大模块将D/A的输出信号进行功率放大后直接作为系统输出来驱动伺服作动器；

单腿液压伺服控制器通过接收CAN总线的控制指令来实现控制参数设置，包括卡尔曼滤波器参数和PID参数；信号发生设置，以产生正弦波信号、方波信号、三角波信号或电平信号；单关节位置控制；基于腿部基座标的落脚点控制；基于足底力或关节力的足端柔顺控制；

单腿液压伺服控制器主要完成对腿足式机器人单腿3个关节的液压伺服控制，同时通过CAN总线的多设备挂载实现该伺服控制器的并联从而完成对双足、四足或多足的腿部液压伺服控制。

2.如权利要求1所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述DSP处理器采用TMS320F28335型DSP芯片。

3.如权利要求2所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述TMS320F28335型DSP芯片通过片内自带的A/D转换芯片实时采集各个作动器的位移信号、力信号以及足底三维力传感器的模拟信号，通过端口读取系统的开关信号，然后对各个数据进行整合处理，输出控制信号来控制伺服作动器的运动；D/A转换芯片采用DAC7724芯片，实现双向电压输出，实现4通道的较高频率的伺服输出。

4.如权利要求1所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述电源模块的输入电源为直流24V，使用两块MINMAX电源转换模块将直流24V电压分别转化为3.3V和±15V。

5.如权利要求1所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述信号调理模块对位置信号、力信号、以及足底三维力传感器信号滤波、以消除外界对系统的干扰。

6.如权利要求1所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述CAN通信模块用来实现液压伺服控制器之间以及液压伺服控制器与控制计算机之间的通信，CAN通信模块的收发器采用SN65HVD230芯片，与DSP之间采用高速光耦进行隔离。

7.如权利要求1所述的腿足式机器人单腿液压伺服控制器，其特征是，所述CAN通信模块通过总线传输各液压伺服控制器的PID参数、卡尔曼滤波器参数、以及功率放大器的输出控制参数。