CN105171746A - 一种机器人灵巧手的驱动模块及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人灵巧手的驱动模块及控制方法。其包括总线接口、电机驱动模块、传感器模块；电机驱动电路包括第一译码器、数据锁存模块、驱动芯片模块；传感器模块包括第二译码器、数据收发模块、传感器接口模块。驱动模块接收外部信号控制电机驱动模块，并反馈传感器模块信号至外部，从而驱动机器人灵巧手运行。数据锁存模块锁存控制电机的信息，数据收发模块输送传感器信息；总线包括地址总线、数据总线及控制总线，总线用于驱动模块与外部通信。本发明具有采集多传感器信息、驱动多电机的特点，结构简单，扩展方便，能够满足多传感器多自由度多指机器人灵巧手的驱动控制要求，结合灵巧手可广泛应用于机器人行业。

Description

一种机器人灵巧手的驱动模块及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人灵巧手的控制系统研究领域，特别涉及一种多传感器多自由度多指的机器人灵巧手的驱动模块及控制方法。

背景技术

随着科技的发展，人类对机器人的需求越来越大。特别是对拟人机器人，随机器人技术越来越成熟，生活中出现越来越多的拟人机器人，同时人类对拟人机器人的似人程度的要求越来越高，出现了不少拟人手的灵巧手。

目前出现了各种各样的灵巧手，对机器人灵巧手的控制方式，国内外都有研究，主要的控制方式有：利用数据手套控制灵巧手；在灵巧手指端和手掌上安装空间位置跟踪器，通过跟踪器检测灵巧手的姿态数据，达到控制灵巧手的目的；利用摄像头捕捉操作人员的手势，将其映射成机器人灵巧手姿态来控制灵巧手。这些控制方式存在成本高，操作性差、通用性差等缺陷。

本发明采用一种扩展性良好的能实现闭环控制的驱动模块，其能满足不同自由度、多传感器的灵巧手的驱动要求，可以内置或外接控制器，具有可扩展性强、通用性强、驱动性能好等优点，而且其硬件成本低廉。

发明内容

本发明的主要目的，针对一种新型的多传感器多自由度多指机器人灵巧手，提供一种成本低廉、驱动性能好、可扩展、通用性强，满足多传感器多自由度多指机器人灵巧手的控制需求的驱动模块。它能实现对多传感器多自由度多指机器人灵巧手的驱动控制，具有结构简单、控制灵活、操作简单等特点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

本发明的一种机器人灵巧手的驱动模块，包括总线接口、电机驱动模块及传感器模块；所述总线接口通过总线与电机驱动模块及传感器模块电气连接；所述电机驱动模块包括依次电气连接的第一译码器、数据锁存模块、驱动芯片模块；所述第一译码器及数据锁存模块分别与总线接口电气连接；所述驱动芯片模块与一机器人灵巧手上的电机电气连接；所述传感器模块包括依次电气连接的第二译码器、数据收发模块、传感器接口模块；所述第二译码器及数据收发模块分别与总线接口连接；所述传感器接口模块与所述机器人灵巧手的传感器电气连接。

所述总线接口是所述机器人灵巧手的驱动模块与一控制器电气连接的接口；所述总线包括地址总线、数据总线及控制总线；所述地址总线分别与第一译码器及第二译码器电气连接；所述控制总线及数据总线均分别与数据锁存模块及数据收发模块电气连接。

所述数据锁存模块包括n(n≥1)个数据锁存，所述驱动芯片模块包括4n个驱动芯片，所述电机包括4n个直流电机；所述第一译码器，其输入端通过地址总线与总线接口电气连接，输出端与数据锁存的使能端连接，其用于使能或者停止某个数据锁存工作；所述数据锁存，其输入端与数据总线电气连接，输出端与驱动芯片的输入端电气连接，其用于传输和锁存控制器发出的控制信息；所述驱动芯片，其输出端与直流电机电气连接，其接收来自数据锁存的数据，直接驱动直流电机的正转、反转或者停止运动，其用于驱动直流电机运行；所述直流电机，指安装在所述机器人灵巧手内，实现指节自由度的电机；所述直流电机的数量与机器人灵巧手自由度的数量相同。

本发明所述电机驱动模块包括4n路电机驱动支路，每一个支路均有一个驱动芯片，多个支路共用一个数据锁存。

所述数据收发模块包括m(m≥1)个数据收发器；所述传感器接口模块包括8m个传感器接口；所述传感器包括8m个不用种类的传感器；所述数据收发器，其使能端与第二译码器电气连接，输入端与传感器接口电气连接，输出端与总线接口电气连接，其用于传输传感器的状态数据；所述第二译码器，其输入端通过地址总线与总线接口电气连接，用于使能或者停止某个数据收发工作。所述传感器接口，其输出端与传感器连接，其用于连接所述机器人灵巧手上的传感器；所述传感器，指安装在所述机器人灵巧手上的不同种类的传感器。

本发明所述传感器模块包括8m路传感器采集支路，每一路均有一个传感器接口，一个传感器接口与一个传感器电气连接，多路支路共用一个数据收发器。

所述不同种类的传感器包括位置传感器、触碰传感器、温度传感器及湿度传感器，它们的数量均是多个且不等；所述位置传感器指安装在所述机器人灵巧手指节间、手掌体与指节间的传感器，其是反映所述机器人灵巧手的指节位置关系的传感器；所述触碰传感器是指安装在所述机器人灵巧手上指节顶部及手掌盖上的传感器，其是反映所述机器人灵巧手触碰外部环境及抓取物品情况的传感器；所述温度传感器是指安装在所述机器人灵巧手上用来检测外部环境或者物品的温度的传感器；所述湿度传感器是指安装在所述机器人灵巧手上用来检测外部环境或者物品的湿度的传感器；所述温度传感器及湿度传感器，它们分别安装在所述机器人灵巧手上的不同部位，部分安装在手指的不同指节表面，部分安装在手掌表面；所述指节包括上指节、中指节及下指节；所述手掌包括手掌体及手掌盖。

本发明的一种机器人灵巧手的驱动模块还包括独立电源，所述独立电源单独给驱动芯片模块供电，并且所述独立电源的电压可调。

所述与本发明的机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器采用内置方式或者外接方式与驱动模块电气连接；所述内置方式，指控制器设于驱动模块内；所述外接方式，指控制器设于所述驱动模块外，其通过总线接口与驱动模块电气连接。

所述与本发明的机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器，采用个人电脑、工控机或嵌入式系统；所述嵌入式系统包括处理器及外围电路；所述处理器采用DSP、ARM、PLC、单片机或其它具有处理器功能的芯片；所述外围电路指维持处理器正常工作的电路；

所述与本发明的机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器，其接收来自上位机、遥控器或控制器内部的输入模块的控制指令；所述上位机，采用工控机、个人PC、平板电脑、智能手机、嵌入式设备或其它终端机，上位机与控制器相互交换数据，控制器把所述驱动模块的信息传送给上位机，上位机对信息分析、处理后，发送控制指令至控制器，控制器解析指令后控制驱动模块驱动机器人灵巧手；所述控制指令是指提供给控制器的控制信息，其包括多个字节。

本发明的一种机器人灵巧手的驱动模块的控制方法，包括控制电机运行及反馈传感器信息；驱动模块接收控制器发出的信号，通过总线将信号传输给电机驱动模块及传感器模块；或通过总线将传感器模块的信号反馈给所述控制器。所述控制电机运行是指：所述第一译码器接收所述控制总线上的信号，译码后选择某一数据锁存工作，控制总线控制数据锁存处于传输数据状态，数据总线传输数据到所述数据锁存上，然后数据锁存输出信号到所述驱动芯片，所述驱动芯片驱动相应的所述直流电机运行。所述反馈传感器信息是指：所述传感器检测机器人灵巧手的姿态信息及外部的环境信息，经过传感器接口将信息传输给数据收发器，所述第二译码器接收控制总线上的信号，译码后使能某一数据收发器工作，然后数据收发器传输数据到数据总线，总线接口将数据传送到控制器。所述控制器接收控制指令及驱动模块反馈的传感器信息，综合分析处理后，发送信号至所述电机驱动模块，驱动电机运行，从而驱动机器人灵巧手。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的驱动模块中的电机驱动模块具有多路电机驱动支路，能同时驱动多个电机；

2、本发明的驱动模块中的传感器模块具有多路传感器采集支路，能同时采集多个及多种传感器信息；

3、本发明的驱动模块可以内置或者外接控制器，模块兼容性好，可以单独作为机器人灵巧手的控制装置，也可以作为一个模块，应用于机械手或者机器人的控制系统中；

4、本发明产生控制指令的方式多样化，可以通过上位机、遥控器或者控制器内部的输入模块产生，控制方式灵活多样；

5、本发明的电机驱动模块中驱动芯片采用独立电源供电，且电源电压可调，可以满足不同工作电压的驱动芯片的要求，可以驱动不同工作电压的电机，能为机器人灵巧手的自由度提供不同的驱动力；

6、本发明的驱动模块由电机驱动模块及传感器模块组成，模块结构清晰，可扩展性好，扩展方便；能满足多种不同自由度、不同传感器、多指机器人灵巧手的驱动需要；

7、本发明的驱动模块硬件成本低廉，运行可靠性高，负载能力强，具有较优的控制性能和稳定性。

附图说明

图1为本发明的驱动模块的结构框图；

图2为本发明的电机驱动模块的结构框图；

图3为本发明的传感器模块的结构框图；

图4为本发明的传感器的组成结构框图；

图5为本发明的驱动模块内置控制器的结构框图；

图6为本发明的驱动模块外接控制器的结构框图；

图7为本发明的控制器的结构框图；

图8为本发明的实施例的控制对象机器人灵巧手的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的一些实施例作进一步详细说明。

实施例一

参见图8，本发明以五指十四自由度多传感器的机器人灵巧手为控制对象的驱动模块为实施例，灵巧手具有十四个直流电机及四十八个传感器，其中四十八个传感器包括二十八个位置传感器、十三个触碰传感器、五个温度传感器、两个湿度传感器，本实施例的驱动模块能处理四十八个传感器信息及驱动十四个直流电机，当然处理传感器及驱动直流电机的数目可以根据不同自由度、不同传感器数目的机器人灵巧手的需求改变。

参见图1，本实施例的一种机器人灵巧手的驱动模块10000，包括总线接口900、电机驱动模块及传感器模块；所述总线接口900通过总线与电机驱动模块及传感器模块电气连接；所述电机驱动模块包括依次电气连接的第一译码器700、数据锁存模块100、驱动芯片模块200；所述第一译码器700及数据锁存模块100分别与总线接口900电气连接；所述驱动芯片模块与一机器人灵巧手上的电机300电气连接；所述传感器模块包括依次电气连接的第二译码器701、数据收发模块400、传感器接口模块500；所述第二译码器701及数据收发模块400分别与总线接口900连接；所述传感器接口模块500与所述机器人灵巧手的传感器600电气连接。

请结合图1、5及6，本实施例所述总线接口900是所述机器人灵巧手的驱动模块10000与一控制器1电气连接的接口；所述总线包括地址总线、数据总线及控制总线；所述地址总线分别与第一译码器及700第二译码器701电气连接；所述控制总线及数据总线均分别与数据锁存模块100及数据收发模块400电气连接。

参见图1，本实施例的一种机器人灵巧手的驱动模块10000还包括独立电源800，所述独立电源单独给驱动芯片模块200供电，并且所述独立电源800的电压可调。

参见图2，所述数据锁存模块100包括n(n≥1)个数据锁存，本实施例中，n为4，即数据锁存100包括数据锁存101～数据锁存n+100（n=4）；所述驱动芯片模块200包括4n个驱动芯片，n为4时，驱动芯片模块200包括十六个驱动芯片，分别是驱动芯片201～驱动芯片4n+200(n=4)，本实施例中，只需要利用其中的十四个驱动芯片；所述电机300包括4n个直流电机，n为4时，电机300包括十六个直流电机，分别是直流电机301～直流电机4n+300(n=4)，本实施例中，只需要使用到其中的十四个直流电机；所述第一译码器700，其输入端通过地址总线与总线接口900电气连接，输出端与数据锁存的使能端连接，用于使能或者停止某个数据锁存工作；所述数据锁存，其输入端与数据总线电气连接，输出端与驱动芯片的输入端电气连接，其用于传输和锁存控制器1发出的控制信息；所述驱动芯片，其输出端与直流电机电气连接，其接收来自数据锁存的数据，直接驱动直流电机的正、反向或者停止运动，其用于驱动直流电机运行；所述直流电机，指安装在所述机器人灵巧手内，实现指节自由度的电机300，请结合图8；所述直流电机的数量与所述机器人灵巧手自由度的数量相同，本实施例中为十四个。

本实施例所述电机驱动模块包括十四路电机驱动支路，每一个支路均有一个驱动芯片，四个支路共用一个数据锁存。

参见图3，所述数据收发模块400包括数据收发器401～数据收发器m+400(m>1)，共m个，本实施例中m=6；所述传感器接口模块500包括传感器接口501～传感器接口8m+500(m=6)，共48个，本实施例中共48个；所述传感器600包括传感器601～传感器8m+600(m=6)，本实施例中共48个不用种类的传感器；所述数据收发器400，其使能端与第二译码器701电气连接，输入端与传感器接口电气连接，输出端与总线接口900电气连接，其用于传输传感器600的状态数据；所述第二译码器701，其输入端通过地址总线与总线接口900电气连接，输出端与数据收发器的使能端电气连接，其用于使能或者停止某个数据收发器工作。所述传感器接口，其输出端与传感器600连接，其用于连接所述机器人灵巧手上的传感器600；所述传感器600，指安装在所述机器人灵巧手上的不同种类传感器600。

本实施例所述传感器模块包括四十八路传感器采集支路，每一路均有一个传感器接口，一个传感器接口与一个传感器电气连接，多路支路共用一个数据收发器。

参见图4，所述不同种类的传感器600包括位置传感器600-1、触碰传感器600-2、温度传感器600-3及湿度传感器600-4，它们的数量均是多个且不等，本实施例中，共有四十八个传感器600，其包括二十八个位置传感器600-1、十三个触碰传感器600-2、五个温度传感器600-3、两个湿度传感器600-4；请结合图8，所述位置传感器600-1指安装在所述机器人灵巧手指节间、手掌体8与指节间的传感器，其是反映所述机器人灵巧手的指节位置关系的传感器；所述触碰传感器600-2是指安装在所述机器人灵巧手上指节顶部及手掌盖7上的传感器，其是反映所述机器人灵巧手触碰外部环境及抓取物品情况的传感器；所述温度传感器600-3是指安装在所述机器灵巧手上用来检测外部环境或者物品的温度的传感器；所述湿度传感器600-4是指安装在所述机器灵巧手上用来检测外部环境或者物品的湿度的传感器；所述温度传感器600-3及湿度传感器600-4，它们分别安装在所述机器人灵巧手上的不同部位，部分安装在手指的不同指节表面，部分安装在手掌表面；所述指节包括上指节4、中指节5及下指节6；所述手掌包括手掌体8及手掌盖7。

参见图6，本实施例中，采用外接方式连接控制器1与驱动模块10000，控制器1设于所述驱动模块10000外，其通过总线接口900与驱动模块10000电气连接。

所述与本实施例的机器人灵巧手的驱动模块10000电气连接的控制器1，采用嵌入式系统；参见图7，所述嵌入式系统包括处理器10及外围电路；所述处理器采用ARM芯片；所述外围电路指维持处理器正常工作的电路。

参见图7，所述与本实施例的机器人灵巧手的驱动模块10000电气连接的控制器1，其接收来自控制器1内部的输入模块11的控制指令；所述控制指令是指提供给控制器的控制信息，其包括多个字节。

本实施例的一种机器人灵巧手的驱动模块10000的控制方法，包括控制电机运行及反馈传感器信息；驱动模块10000接收控制器1发出的信号，通过总线将信号传输给电机驱动模块及传感器模块；或通过总线将传感器模块的信号反馈给所述控制器1。所述控制电机运行是指：所述第一译码器700接收所述控制总线上的信号，译码后选择数据锁存101工作，控制总线控制数据锁存101处于传输数据状态，数据总线传输数据到所述数据锁存101上，然后数据锁存101输出信号到所述驱动芯片201，所述驱动芯片201驱动相应的所述直流电机301运行；其它电机的运行控制类似，不同之处是选择不同的数据锁存工作，数据锁存输出信号到不同的驱动芯片，驱动芯片驱动不同的直流电机。所述反馈传感器信息是指：所述传感器601检测机器人灵巧手的姿态信息及外部的环境信息，经过传感器接口501将信息传输给数据收发器401，所述第二译码器701接收控制总线上的信号，译码后使能数据收发器401工作，然后数据收发器401传输数据到数据总线，总线接口900将数据传送到控制器1；其它的传感器信息反馈类似，不同之处是不同传感器连接不同的传感器接口，第二译码器701选择不同的数据收发器将数据反馈至控制器1。所述控制器1接收控制指令及驱动模块10000反馈的传感器信息，综合分析处理后，发送信号至所述电机驱动模块，驱动电机300运行，从而驱动机器人灵巧手。

实施例二

本实施例除下述特征外其它结构同实施例一：参见图5，本实施例的控制器1设于驱动模块10001内，即驱动模块10001集成控制器1于一体。

实施例三

本实施例除下述特征外其它结构同实施例一：参见图7，本实施例的控制器1的控制指令来自与遥控器3；遥控器3发送控制指令至控制器1，控制器1解析指令后控制驱动模块10000驱动机器人灵巧手。

实施例四

本实施例除下述特征外其它结构同实施例一：参见图5，本实施例的控制器1的控制指令来自上位机2；所述上位机2，采用个人PC，上位机2与控制器1相互交换数据，控制器1把所述驱动模块10000的信息传送给上位机2，上位机2对信息分析、处理后，发送控制指令至控制器1，控制器1解析指令后控制驱动模块10000驱动机器人灵巧手。

实施例五

本实施例除下述特征外其它结构同实施例四：本实施例所述上位机2，采用嵌入式设备。

虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种机器人灵巧手的驱动模块，包括总线接口、电机驱动模块及传感器模块；所述总线接口通过总线与电机驱动模块及传感器模块电气连接；

所述电机驱动模块包括依次电气连接的第一译码器、数据锁存模块、驱动芯片模块；所述第一译码器及数据锁存模块分别与总线接口电气连接；所述驱动芯片模块与一机器人灵巧手上的电机电气连接；

所述传感器模块包括依次电气连接的第二译码器、数据收发模块、传感器接口模块；所述第二译码器及数据收发模块分别与总线接口连接；所述传感器接口模块与所述机器人灵巧手的传感器电气连接。

2.根据权利要求1所述的机器人灵巧手的驱动模块，其特征在于，所述总线接口是所述机器人灵巧手的驱动模块与一控制器电气连接的接口；所述总线包括地址总线、数据总线及控制总线；所述地址总线分别与第一译码器及第二译码器电气连接；所述控制总线及数据总线均分别与数据锁存模块及数据收发模块电气连接。

3.根据权利要求1所述的机器人灵巧手的驱动模块，其特征在于，所述数据锁存模块包括n(n≥1)个数据锁存，所述驱动芯片模块包括4n个驱动芯片，所述电机包括4n个直流电机；

所述第一译码器，其输入端通过地址总线与总线接口电气连接，输出端与数据锁存的使能端连接；其用于使能或者停止某个数据锁存工作；

所述数据锁存，其输入端与数据总线电气连接，输出端与驱动芯片的输入端电气连接，其用于传输和锁存控制器发出的控制信息；

所述驱动芯片，其输出端与直流电机电气连接；其接收来自数据锁存的数据，直接驱动直流电机的正转、反转或者停止运动，其用于驱动直流电机运行；

所述直流电机，指安装在所述机器人灵巧手内，实现指节自由度的电机；所述直流电机的数量与机器人灵巧手自由度的数量相同。

4.根据权利要求1所述的机器人灵巧手的驱动模块，其特征在于，所述数据收发模块包括m(m≥1)个数据收发器；所述传感器接口模块包括8m个传感器接口；所述传感器包括8m个不用种类的传感器；

所述数据收发器，其使能端与第二译码器电气连接，输入端与传感器接口电气连接，其用于传输传感器的状态数据；

所述第二译码器，其输入端通过地址总线与总线接口电气连接，输出端与数据收发器的使能端电气连接，其用于使能或者停止某个数据收发工作；

所述传感器接口，其输出端与传感器连接，其用于连接所述机器人灵巧手上的传感器；

所述传感器，指安装在所述机器人灵巧手上的不同种类的传感器。

5.根据权利要求1或4所述的机器人灵巧手的驱动模块，其特征在于，所述不同种类的传感器包括位置传感器、触碰传感器、温度传感器及湿度传感器，它们的数量均是多个且不等；所述位置传感器指安装在所述机器人灵巧手指节间、手掌体与指节间的传感器，其是反映所述机器人灵巧手的指节位置关系的传感器；所述触碰传感器是指安装在所述机器人灵巧手上指节顶部及手掌盖上的传感器，其是反映所述机器人灵巧手触碰外部环境及抓取物品情况的传感器；所述温度传感器是指安装在所述机器人灵巧手上用来检测外部环境或者物品的温度的传感器；所述湿度传感器是指安装在所述机器人灵巧手上用来检测外部环境或者物品的湿度的传感器；

所述温度传感器及湿度传感器，它们分别安装在所述机器人灵巧手上的不同部位，部分安装在手指的不同指节表面，部分安装在手掌表面；所述指节包括上指节、中指节及下指节；所述手掌包括手掌体及手掌盖。

6.根据权利要求1所述的机器人灵巧手的驱动模块，其特征在于，还包括独立电源，所述独立电源单独给驱动芯片模块供电，并且所述独立电源的电压可调。

7.根据权利要求2所述与机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器，其特征在于，所述控制器采用内置方式或者外接方式与驱动模块电气连接；所述内置方式，指控制器设于驱动模块内；所述外接方式，指控制器设于所述驱动模块外，其通过总线接口与驱动模块电气连接。

8.根据权利要求7所述与机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器，其特征在于，采用个人电脑、工控机或嵌入式系统；所述嵌入式系统包括处理器及外围电路；所述处理器采用DSP、ARM、PLC、单片机或其它具有处理器功能的芯片；所述外围电路指维持处理器正常工作的电路。

9.根据权利要求7所述与机器人灵巧手的驱动模块电气连接的控制器，其特征在于，其接收来自上位机、遥控器或控制器内部的输入模块的控制指令；所述上位机，采用工控机、个人PC、平板电脑、智能手机、嵌入式设备或其它终端机，上位机与控制器相互交换数据，控制器把所述驱动模块的信息传送给上位机，上位机对信息分析、处理后，发送控制指令至控制器，控制器解析指令后控制驱动模块驱动机器人灵巧手；

所述控制指令是指提供给控制器的控制信息，其包括多个字节。

10.一种基于权利要求1所述的机器人灵巧手的驱动模块的控制方法，包括控制电机运行及反馈传感器信息；驱动模块接收控制器发出的信号，通过总线将信号传输给电机驱动模块及传感器模块；或通过总线将传感器模块的信号反馈给所述控制器；

所述控制电机运行是指：所述第一译码器接收所述控制总线上的信号，译码后选择某一数据锁存工作，控制总线控制数据锁存处于传输数据状态，数据总线传输数据到所述数据锁存上，然后数据锁存输出信号到所述驱动芯片，所述驱动芯片驱动相应的所述直流电机运行；

所述反馈传感器信息是指：所述传感器检测机器人灵巧手的姿态信息及外部的环境信息，经过传感器接口将信息传输给数据收发器，所述第二译码器接收控制总线上的信号，译码后使能某一数据收发器工作，然后数据收发器传输数据到数据总线，总线接口将数据传送到控制器；

所述控制器接收控制指令及驱动模块反馈的传感器信息，综合分析处理后，发送信号至所述电机驱动模块，驱动电机运行，从而驱动机器人灵巧手。