CN105353670A

CN105353670A - 基于嵌入式的仿人机器人运动控制器

Info

Publication number: CN105353670A
Application number: CN201510604246.4A
Authority: CN
Inventors: 姜大伟; 张邦成; 高智; 田园; 柳虹亮; 宁腾飞; 赵俊鹏; 宋国亚; 常笑鹏; 吴桐; 王坤; 孟令松; 陈司昱
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-02-24

Abstract

基于嵌入式的仿人机器人运动控制器。本发明借助于CPLD可编程逻辑控制单元，构成嵌入式实时控制器，它具有ARM微处理器与语音模块、触摸屏、键盘及鼠标等输入设备接口；ARM微处理器输入口接收输入设备的输入信号，语音模块用于检测声音控制命令和语音播报；触摸屏作为输入输出单元，通过触摸屏界面可以手动输入命令，也可以显示仿人机器人每个关节的运行状态；键盘与鼠标作为ARM芯片的输入单元，可用于更改电机参数设置；ARM微处理器实时处理输入信号并与CPLD可编程逻辑控制单元通信，CPLD可编程逻辑控制单元用于地址译码，并将指令以广播式发送给多个C8051单片机；它将指令转换为脉冲，控制步进电机驱动器，步进电机驱动电机转动或停止。

Description

基于嵌入式的仿人机器人运动控制器

技术领域

本发明是一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，尤其是涉及一种采用ARM微处理器(4)和uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的嵌入式控制器，用于控制多轴电机联动，属于机器人技术领域。

背景技术

在本发明之前，纵观国内外对多轴电机联动控制的驱动，其控制方式有多种。国外的运动控制器设计方向有三种特点：基于计算机标准总线的运动控制器；Soft型开放式运动控制器；嵌入式结构的运动控制器。美国DeltaTau数字系统公司的基于DSP技术的PMAC运动控制器，该产品使用Motorola的DSP560002为核心中央处理器，技术很成熟，其特点在于功能强大，适用于复杂运动控制的场合，如机器人等。但其控制点数少，增加控制点数的同时，价格则增加很多，在普通控制场合并不能推广。

发明内容

本发明的目的就是克服上述缺陷，提供一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器。

本发明的技术方案是：

一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，该控制器可以控制二十轴自由度联动，并能对编码器和重力加速度传感器反馈的信号有处理能力。本发明的技术方案是：一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于语音模块、触摸屏和键盘鼠标分别接在ARM微处理器的语音接口、触摸屏接口及键盘鼠标接口，ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信，并将指令串传输给CPLD复杂可编程逻辑单元输入接口，CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码，并输出给单片机，单片机控制步进电机驱动芯片，驱动步进电机动作，步进电机动作的状态由信号反馈单元反馈给单片机，实现闭环控制；

语音模块是以LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。LD3320的数据线、地址线采用并行方式直接与ARM微处理器相接，均采用1k欧上拉电阻，A0用于判断是数据段还是地址段；控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB以及中断返回信号INTB与ARM微处理器相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作；

ARM微处理器选用ST公司的基于ARMCortex-M3内核的32位处理器STM32F104ZET6芯片作为主控制器芯片。采用嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ来实现统一的任务调度和外围设备管理；

复杂可编程逻辑单元选用EPM3256ATI144系列CPLD芯片作为地址译码和数据传输。CPLD芯片采用四线制与单片机连接，其中两根线用于地址选择标志位和单片机使能信号，另外两根线作为串口的接收和发送，用于传输数据。CPLD芯片采用广播式控制，保证多个电机运动的一致性，可控制二十轴电机联动；

信号反馈单元是由绝对式编码器和重力加速度传感器组成，将步进电机(8)的转速及步进电机所在平面的倾斜角度反馈给单片机，单片机处理编码器反馈的数据，实时控制电机的转速并对电机的角度进行补偿，同时将重力加速度传感器反馈的数据传送给ARM微处理器，由ARM微处理器根据D-H坐标运算，对仿人机器人行走中的每一个关节进行正运动分析和逆运动分析，并将仿人机器人行走时位姿中存在的危险点建立一个库，以满足最大稳定裕度的情况为前提，调节稳定裕度最小的一个关节的电机，使仿人机器人行走更加稳定。

本发明的优点和效果在于外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现对多轴步进电机的速度和定位控制。本发明利用语音模块，对语音命令进行采集，也可以使用触摸屏手动输入命令，利用鼠标和键盘接口，外接鼠标和键盘，辅助命令输入，使用简单方便。控制芯片采用uC/OS-Ⅱ实时操作系统对控制系统的各个模块进行调度，并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能，提供了简洁、友好的人机交互界面，能够显示仿人机器人每个关节电机的运行状态。

本发明的其它优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1是本发明控制器的结构原理方框示意图；

图2是ARM与CPLD通信I/O分配图；

图3是本发明的具体电路原理图；

图4是本发明的语音采集模块；

图5是本发明的单片机(6)外围电路；

图6是本发明的电机驱动电路；

图7是本发明控制器的电源电路；

具体实施方式

1.ARM微处理器是一种基于精解指令集计算机(RISC)原理而设计的高端微控制器，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，这样的简化实现了高的指令吞吐量、出色的中断响应、高性价比的处理器宏单元，既可以运行操作系统，又可以做实时控制使用，与DSP相比，DSP主要是用来计算的数据信号，比如进行加密解密、调制解调等，DSP主要的优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度，而ARM微处理器具有比较强的事务管理功能，可以用于运行应用程序等，其优势主要体现在控制方面，更加适合于工业控制、电机驱动等，另外，ARM微处理器架构是面向低预算市场设计的，成本要比DSP低得多。

2.CPLD复杂可编程逻辑器件用于指令编译并寻址，主要功能是为ARM微处理器节省接口，减少ARM微处理器发送指令时占用的时间，为ARM微处理器运算位姿算法，节省时间，使系统响应速度快，控制更加精准。

3.如图1所示：语音模块、触摸屏、键盘鼠标分别接ARM微处理器的语音模块接口、触摸屏接口、鼠标键盘接口，ARM微处理器是采用STM32F104系列芯片，其主频高达72MHz，内置高速存储器(512KB的闪存和64KB的SRAM)，具有1.25Mips/MHz的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件基础，它具有112个通用输入输出口，本发明正是利用了其中的38个GPIO与外围部件并行传输数据。

4.如图2所示：ARM微处理器与CPLD通过22个接口连接即可，其中两个是串口线，剩余的二十根是C8051地址的标志位，CPLD芯片通过4个接口与C8051直接相连，其中两个是RX、TX串口线，其余两个是CE、CS是C8051的使能信号和片选标志位，CPLD可以控制二十个自由度联动，每个自由度占用4个接口，二十个自由度共占用CPLD芯片80个I/O口，CPLD芯片与ARM通讯占用22个I/O口，CPLD芯片共消耗了102个I/O口，所以本发明的芯片是选择CPLD芯片的EPM3256ATI144系列芯片。

5.如图3所示：P1单元件是标准10针的JTAG下载接口，其中引脚1是测试时钟输入TCK，与微处理芯片的PA14引脚相连，引脚3是测试数据输出TDO，与微处理芯片的PB3引脚相连，引脚4是参考电压输入，与芯片工作电压3.3V相同，引脚5是测试模式选择TMS，与微处理芯片的PA13引脚相连，引脚6是测试复位nRST，与微处理芯片的nRST引脚相连，引脚9是测试数据输入TDI，与微处理芯片的PA15引脚相连，引脚10是GND。

6.语音模块采用LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。

7.如图4所示：LD3320的数据线、地址线(P0～P7)采用并行方式直接与STM32F104ZET6芯片GPIO(PB0～PB9)相接，均采用1k欧上拉电阻，其中PB3接口与标准的10针JTAG测试输出引脚TDO连接，PB4与JTAG测试复位引脚连接，A0用于判断是数据段还是地址段；控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB、中断返回信号INTB以及时钟信号CLK分别与STM32F104ZET6芯片GPIO(PD0～PD5)相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作。

8.触摸屏选择台达A系列HMIDOP，触摸屏接口与ARM微处理器的GPIO(PA9、PA10)串口相连，通过对触摸屏程序的编写，可以实现人机接口界面上直接更改电机的参数，如转动的角度、启动和停止时的加减速度，在显示界面上，建立19个自由度的连杆机构，每个自由度代表一个关节的电机，当电机在转动时，显示界面上也可以看到运动的状态。

9.步进电机驱动电路是由C8051F410系列单片机和THB6064H驱动芯片组成。

10如图5所示，J4单元是四线接口，用于单片机程序下载，单片机I/O(P0.4～P0.7)端口与CPLD芯片相连，用于传输指令，单片机使能信号CE与单片机的P0.7相连，单片机片选信号CS与单片机的P0.6相连，单片机串口接收端RX与单片机的P0.5相连，单片机串口发送端TX与单片机的P0.4相连，C8051F410单片机的ADC子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器(AMUX0)和一个200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器，片内SilionLabs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在线系统调试，本发明采用C2进行下载调试单片机程序，P0.3、P0.2、P0.1分别与驱动芯片的M1、M2、M3连接，P0.0控制驱动参考电压Vref，P1.7、P1.6、P1.5分别与驱动芯片的Enable、CW/CCW、CLK连接，P1.2、P1.3、P1.4是反馈信号接口，可以输入加速度传感器反馈信号和编码器反馈信号。

11.选择THB6064H作为步进电机的驱动芯片，驱动芯片的外围电路。

12.如图6所示，THB6064H芯片共有7个控制引脚，4个输出引脚，M1、M2、M3引脚是细分数选择端，Vref是参考电压输入端，当Vref为高电位时，使NPN型三极管Q2导通，电阻R5经Q2接地，此时，PNP型三极管Q1导通，Q1管的集电极和发射极将电阻R2、二极管D2短路，使Vref的电压升高，Vref≈(5-1)/(4.7+1)V,当Vref为低电位时，使NPN型三极管Q2截止，电阻R5变为高电位，此时，PNP型三极管Q1截止，电阻R2、二极管D2参与分压电路，使Vref的电位降低，Vref≈(5-0.7)/(10+4.7+1)V，通过调节Vref引脚的高低电位，可以实现驱动芯片输出管脚的电流值，从而使步进电机转动时的电流大，停止时步进电机也用一定的抱闸电流，驱动芯片的输出引脚OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B分别与两相混合式步进电机的四根线连接，Enable是驱动芯片的使能端，当Enable＝0时，驱动芯片的所有输出为零，当Enable＝1时，驱动芯片正常工作，CW/CCW为步进电机转动方向控制端，CW/CCW为低电平时，电机正转，CW/CCW为高电平时，电机反转，CLK为脉冲输入端，通过调节输入脉冲的占空比，可以调节步进电机的转速，CLK为-0.2～VDD的方波，脉冲频率最高为200KHz，脉冲宽度最小为2.3us。

Claims

1.基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于语音模块、触摸屏和键盘鼠标分别接在ARM微处理器的语音接口、触摸屏接口及键盘鼠标接口，ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信，并将指令串传输给CPLD输入接口，CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码，并输出给单片机，单片机控制驱动芯片，驱动步进电机动作，步进电机动作的状态和位姿信号由信号反馈单元反馈给单片机，实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于语音模块是以LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。LD3320的数据线、地址线采用并行方式直接与ARM微处理器相接，均采用1k欧上拉电阻，A0用于判断是数据段还是地址段；控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB以及中断返回信号INTB与ARM微处理器相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于ARM微处理器选用ST公司的基于ARMCortex-M3内核的32位处理器STM32F104ZET6芯片作为主控制器芯片。采用嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ来实现统一的任务调度和外围设备管理。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于复杂可编程逻辑单元选用EPM3256ATI144系列CPLD芯片作为地址译码和数据传输。CPLD芯片采用四线制与单片机连接，其中两根线用于地址选择标志位和单片机使能信号，另外两根线作为串口的接收和发送，用于传输数据。CPLD芯片采用广播式控制，保证多个电机运动的一致性，可控制二十轴电机联动。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于信号反馈单元是由绝对式编码器和重力加速度传感器组成，将步进电机的转速及步进电机所在平面的倾斜角度反馈给单片机，单片机处理编码器反馈的数据，实时控制电机的转速并对电机的角度进行补偿，同时将重力加速度传感器反馈的数据传送给ARM微处理器，由ARM微处理器根据D-H坐标运算，对仿人机器人行走中的每一个关节进行正运动分析和逆运动分析，并将仿人机器人行走时位姿中存在的危险点建立一个库，以满足最大稳定裕度的情况为前提，调节稳定裕度最小的一个关节的电机，使仿人机器人行走更加稳定。