CN106003051A - 一种基于fpga的七自由度力反馈主操作手控制系统 - Google Patents

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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/161—Hardware, e.g. neural networks, fuzzy logic, interfaces, processor

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，包括FPGA芯片、USB芯片、磁编码器脉冲输出电路、直流电机驱动电路。其中FPGA包括：磁编码器脉冲计数模块、正运动学计算模块、USB Slave FIFO读写模块、初始化及回零控制模块、直流电机控制模块。本发明利用FPGA可编程逻辑体系结构在芯片接口设计、编程及应用中的灵活性，以及在并行运行体系结构设计中的优势，大大减少集成芯片数量，降低硬件电路设计及调试难度，工程实现容易。

Description

一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统
技术领域
本发明涉及一种力反馈主操作手控制系统，并基于FPGA实现编码器脉冲计数、正运动学计算及直流电机驱动功能。
背景技术
力反馈主操作手是遥操作过程中的关键部件，是从端机械手进行实时运动控制的输入设备，又是反映从端机械手与环境之间相互作用力的一种力觉输出设备。作为人与机器人之间建立紧密动态耦合的重要接口，它可以向操作系统传送位姿、速度等多种信息；同时可以接受控制系统发来的力/力矩等环境信息，以便为操作者提供力觉临场感，实现对机器人的有效干预和控制。随着遥操作机器人在外科手术中应用的不断发展，力反馈主手发挥着越来越重要的作用。
目前商业化比较成功的Intuitive Surgical公司的达芬奇系统的主手为串联型结构，有8个运动自由度(7个自由度用来控制位置和姿态，1个自由度用来控制从手末端夹钳的开合角度)。该主手运动灵活，运动空间大，但是没有力反馈，医生无法感受器械接触到组织的物理特性，无法控制末端器械的力度。
哈尔滨工业大学基于国家“863”计划项目“微创腹腔外科手术机器人”设计的力反馈主手为串并联混合型7自由度结构，并实现了4自由度力反馈(三维空间力反馈和夹持力反馈)，其控制系统采用传统的工控主机+多轴运动控制卡+伺服驱动器实现，系统不够紧凑并且很难保证控制系统实时力反馈效果。
瑞士Force Dimension公司利用Delta并联机构原理成功开发出三自由度和六自由度力反馈设备，其控制系统实现中将运动控制和伺服电机驱动集成到PCB板，使力反馈设备结构紧凑且有很好的实时力反馈效果，但控制系统使用大量IC芯片，使硬件电路结构复杂，调试困难且不便于产品后期扩展升级。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，包括FPGA芯片、USB芯片、磁编码器脉冲输出电路和直流电机驱动电路，所述，所述FPGA芯片包括：磁编码器脉冲计数模块、正运动学计算模块、USB Slave FIFO读写模块、初始化及回零控制模块和直流电机控制模块；
磁编码器脉冲输出电路根据电机正反转方向输出A、B两相相差±90°的脉冲信号；直流电机驱动电路根据输入的PWM控制信号输出大电流电机驱动信号，通过改变PWM控制信号占空比控制直流电机转速；
所述磁编码器脉冲计数模块对磁编码器脉冲输出电路输出的脉冲计数，并根据电机正反转加减脉冲计数器值；
所述正运动学计算模块根据脉冲计数器值、编码器单位脉冲对应的电机旋转弧度、主操作手机械结构尺寸以及正运动学公式计算出末端点空间位置坐标及姿态值；
所述USB Slave FIFO读写模块实现FPGA芯片与USB芯片之间数据的传输；
所述初始化及回零控制模块在控制系统接收到上位机发送的回零命令后，控制电机按一定方向旋转使主操作手回到机械零点并清零脉冲计数器的值；
所述直流电机控制模块输出上位机经过逆运动学计算后发送来的电机的PWM控制信号到直流电机驱动电路。
进一步，电机正转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为低电平；电机反转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为高电平。
进一步，所述磁编码器脉冲计数模块对磁编码器脉冲输入电路的A相脉冲上升沿计数，并根据电机正反转时B相电平高低加减脉冲计数器值。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明所述的七自由度力反馈主操作手控制系统，采用与目前力反馈主操作手控制系统不一样的系统结构，提供一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，利用FPGA可编程逻辑体系结构在芯片接口设计、编程及应用中的灵活性，以及在并行运行体系结构设计中的优势，大大减少集成芯片数量，降低硬件电路设计及调试难度，使控制系统结构紧凑，并能够满足力反馈实时性效果。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统的结构示意图；
图2为磁编码器输出脉冲信号示意图；
图3为直流电机PWM占空比控制信号示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明所述的基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，包括FPGA芯片、USB芯片、磁编码器脉冲输出电路、直流电机驱动电路。其中FPGA芯片包括：磁编码器脉冲计数模块、正运动学计算模块、USB Slave FIFO读写模块、初始化及回零控制模块、直流电机控制模块。
磁编码器脉冲输出电路根据电机正反转方向输出A、B两相相差±90°的脉冲信号；直流电机驱动电路根据输入的PWM控制信号输出大电流电机驱动信号，通过改变PWM控制信号占空比控制直流电机转速；
所述磁编码器脉冲计数模块对磁编码器脉冲输出电路输出的脉冲计数，并根据电机正反转加减脉冲计数器值；
所述正运动学计算模块根据脉冲计数器值、编码器单位脉冲对应的电机旋转弧度、主操作手机械结构尺寸以及正运动学公式计算出末端点空间位置坐标及姿态值；
所述USB Slave FIFO读写模块实现FPGA芯片与USB芯片之间数据的传输；即从USB芯片端点2读取从上位机发送的数据，并往USB芯片端点6写入七路编码器计数器值和末端点空间位置及姿态值。
所述初始化及回零控制模块在控制系统接收到上位机发送的回零命令后，控制电机按一定方向旋转使主操作手回到机械零点并清零脉冲计数器的值；
所述直流电机控制模块输出上位机经过逆运动学计算后发送来的电机的PWM控制信号到直流电机驱动电路。
如图2所示给出了电机正反转时磁编码器输出的A、B两相脉冲信号，信号相位相差90°，所使用的磁编码器型号为Maxon MR编码器，旋转一周脉冲数为512个。正转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为低电平；反转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为高电平。由于本发明用于七自由度力反馈主操作手控制系统，因此磁编码器脉冲计数模块分别对此七路磁编码器脉冲输入电路的A相脉冲上升沿计数，并根据电机正反转时B相电平高低加减脉冲计数器值。
USB Slave FIFO读写模块能够实现FPGA芯片与USB芯片之间数据的传输，数据通讯频率为4KHz，并以时间片形式实现数据读写；上位机通过USB芯片发送7路电机PWM控制数据共16Byte到USB端点2FIFO，FPGA在读时间片检测到端点2非空标志后读取端点2FIFO中的数据并立即更新电机控制寄存器；上位机读取端点6FIFO数据后标志位会置空，FPGA在写时间片检测到端点6空标志后往端点6FIFO写入七路编码器计数器值以及末端点空间位置和姿态值共32Byte。
直流电机控制模块根据电机控制寄存器输出七个电机的PWM控制信号到直流电机驱动电路，直流电机驱动电路使用集成的电机驱动芯片L6202，根据输入的PWM控制信号能够输出最大1.5A的电流信号，能够驱动15W直流电机，通过改变PWM控制信号占空比来控制直流电机转速，如图3所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，其特征在于：包括FPGA芯片、USB芯片、磁编码器脉冲输出电路和直流电机驱动电路，所述FPGA芯片包括：磁编码器脉冲计数模块、正运动学计算模块、USB Slave FIFO读写模块、初始化及回零控制模块和直流电机控制模块；
磁编码器脉冲输出电路根据电机正反转方向输出A、B两相相差±90°的脉冲信号；直流电机驱动电路根据输入的PWM控制信号输出大电流电机驱动信号，通过改变PWM控制信号占空比控制直流电机转速；
所述磁编码器脉冲计数模块对磁编码器脉冲输出电路输出的脉冲计数，并根据电机正反转加减脉冲计数器值；
所述正运动学计算模块根据脉冲计数器值、编码器单位脉冲对应的电机旋转弧度、主操作手机械结构尺寸以及正运动学公式计算出主操作手末端点空间位置坐标及姿态值；
所述USB Slave FIFO读写模块实现FPGA芯片与USB芯片之间数据的传输；
所述初始化及回零控制模块在控制系统接收到上位机发送的回零命令后，控制电机按一定方向旋转使主操作手回到机械零点并清零脉冲计数器的值；
所述直流电机控制模块输出上位机经过逆运动学计算后发送来的电机的PWM控制信号到直流电机驱动电路。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，其特征在于：电机正转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为低电平；电机反转时，A相脉冲上升沿时B相脉冲为高电平。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的七自由度力反馈主操作手控制系统，其特征在于：所述磁编码器脉冲计数模块对磁编码器脉冲输入电路的A相脉冲上升沿计数，并根据电机正反转时B相电平高低加减脉冲计数器值。
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