CN108312147A - 驱动器以及带有该驱动器的机器人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种驱动器以及带有该驱动器的机器人灵巧手。该驱动器包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述现场可编程门阵列模块，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。本申请解决了用于机器人灵巧手的驱动器精度较低的技术问题。

Description

驱动器以及带有该驱动器的机器人灵巧手

技术领域

本申请涉及自动控制领域，具体而言，涉及一种驱动器以及带有该驱动器的机器人灵巧手。

背景技术

机器人灵巧手，属于高精度精密复杂的控制系统，尤其在精度控制上需要位置和一些抓紧动作，这就要求驱动器必须有更完善的性能指标，并加上一些传感器的采集信号，才能配合机器人灵巧手完成各种不同的复杂动作甚至是仿人动作。

发明人发现，通常用于机器人灵巧手的驱动器达不到高精度的控制要求以及高精度的动作控制。

针对相关技术中用于机器人灵巧手的驱动器精度较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种驱动器，以解决用于机器人灵巧手的驱动器精度较低的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种驱动器，其特征在于，包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

进一步地，所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器、多路驱动芯片，所述数字信号处理器与所述驱动芯片相连，用以通过所述数字信号处理器上的接口传输：PWM信号和方向信号；其中，所述驱动芯片至少包括：五路。

进一步地，多路所述驱动芯片分别通过霍尔传感器电路与多路电机电性连接。

进一步地，数字信号处理模块还用于控制与多路电路连接的手指的位置，所述数字信号处理模块还包括：电位计，用于安装于每根手指的第一个关节处；其中，所述电位计每一个电压值对应当前手指的位置信息。

进一步地，数字信号处理模块还用于处理手指的握力感应，所述数字信号处理模块还包括：薄膜压力传感器，用于安装于每根手指的端部；其中，每根所述手指通过：第一关节、第二关节以及第三关节，所述第一关节、第二关节以及第三关节与电机通过拉线联动控制，所述薄膜压力传感器与压力传感器处理电路连接。

进一步地，所述现场可编程门阵列模块包括：与422接口电路通讯连接的第一TTL串口，用以与外部总线进行通讯；与数字信号处理模块连接的第二TTL串口，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种机器人灵巧手，包括：所述的驱动器和手指结构，所述手指结构分别与所述驱动器电性连接。

进一步地，所述驱动器中的数字信号处理模块采用驱动芯片为DRV10970。

进一步地，所述驱动器与所述手指结构分别连接，用于控制所述手指结构移动至预设指令位置且控制手指的握力至预设数值。

进一步地，所述手指结构包括：第一关节、第二关节以及第三关节；所述第一关节、所述第二关节以及所述第三关节通过钢丝线和扭簧联动且与电力输出端连接；当电机正转则手指回拉；当电机反转则手指展开回位。

通过本申请中的该驱动器能够实现：手指关节速度控制、关节位置控制以及手指握力压感测量控制。同时，配合数字信号处理模块中DSP处理器，能够实现整个手指的三个参数的闭环控制。

在本申请实施例中，采用现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块的方式，通过所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述现场可编程门阵列模块，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，达到了两者分工合作又密切配合的目的，从而实现了手指驱动器的技术性能达到最优的技术效果，进而解决了用于机器人灵巧手的驱动器精度较低的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的驱动器示意图；

图2是图1中的数字信号处理模块示意图；

图3是优选实施例中图1的数字信号处理模块示意图；

图4是优选实施例中图1的数字信号处理模块示意图；

图5是图1中的现场可编程门阵列模块示意图；

图6是现场可编程门阵列模块的工作原理示意图；

图7是数字信号处理模块的工作原理示意图；

图8是数字信号处理芯片和驱动芯片的两路信号波形图；

图9是手指位置控制方案示意图；

图10是手指握力感特性曲线示意图；

图11是后端处理电路示意图；

图12是压力感应反馈信息示意图；

图13是单个编码器示意图；以及

图14是多个编码器级联示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

采用双核处理器FPGA加上DSP的方案实现，FPGA处理器负总线上的通讯，命令帧协议解析。DPS处理器则负责控制电机以及传感器信号采集处理，两者之间通过串口进行数据的交互。

如图1所示，本申请中的驱动器，包括：现场可编程门阵列模块10和数字信号处理模块20，所述现场可编程门阵列模块10用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块20，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

在本申请实施例中，采用现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块的方式，通过所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述现场可编程门阵列模块，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，达到了两者分工合作又密切配合的目的，从而实现了手指驱动器的技术性能达到最优的技术效果，进而解决了用于机器人灵巧手的驱动器精度较低的技术问题。

如图5所示，所述现场可编程门阵列模块10包括：与422接口电路通讯连接的第一TTL串口101，用以与外部总线进行通讯；与数字信号处理模块连接的第二TTL串口102，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

现场可编程门阵列模块10负责和机器人系统总线通讯，通讯接口为全双工422，数据通信速率为5Mbps，该驱动器设计为可以多个驱动器进行级联同时工作。FPGA处理器本身引脚的信号为TTL串口信号，通过外部的转换电路转换成标准的422接口电路，其电路原理图如图6所示，现场可编程门阵列就实现了和外部总线进行422通讯的方案。而和内部通信(DSP通讯)，通过TTL串口进行通讯，因为本身DSP处理器也是TTL串口，电平接口在电气规格上完全兼容。

如图2和图7所示，作为本实施例中的优选，所述数字信号处理模块20包括：数字信号处理器201、多路驱动芯片202，所述数字信号处理器201与所述驱动芯片202相连，用以通过所述数字信号处理器上的接口传输：PWM信号和方向信号；其中，所述驱动芯片至少包括：五路。具体地，如图8所示，该芯片和DSP控制器接口为两路信号，如图8所示，其中，一路信号为PWM信号，控制电机的转速，不同占空比决定不同的速度，一路为方向信号，控制电机的方向，高电平电机正转或者手指握紧，低电平电机反转或者手指展开，其他四路都是一样，这样就实现了手指关节的正反转控制和手指动作的快慢控制。此外，在一些实施例中个，多路所述驱动芯片分别通过霍尔传感器电路与多路电机电性连接。

如图3所示，作为本实施例中的优选，数字信号处理模块20还用于控制与多路电路连接的手指的位置，所述数字信号处理模块20还包括：电位计203，用于安装于每根手指的第一个关节处；其中，所述电位计每一个电压值对应当前手指的位置信息。

具体地，如图9所示，手指的位置控制方案设计为：在每根手指的第一个关节处(靠近掌心关节处)，安装有一个高精度的电位计，电位计阻值为5K，精度1％，转动角度范围为270度，当手指关节转动时，会带着电位计一起转动，此时电位计的读数会发生变换，在0到电源VCC(3.3V)之间会有一个电压值的读数，该读数经过一个RC滤波电路之后给到DSP处理器的ADC引脚作为采集处理，每一个电压值都对应着当前手指的一个位置信息，这样就得到了手指的一个位置反馈信息，形成了一个手指的位置闭环控制。

如图4所示，作为本实施例中的优选，数字信号处理模块还用于处理手指的握力感应，所述数字信号处理模块20还包括：薄膜压力传感器204，用于安装于每根手指的端部；其中，每根所述手指通过：第一关节、第二关节以及第三关节，所述第一关节、第二关节以及第三关节与电机通过拉线联动控制，所述薄膜压力传感器与压力传感器处理电路连接。

具体地，如图10所示的特性曲线，手指的握力感应设计方案为：在每个手指的最末端(指尖处)，安装有一个圆形的薄膜压力传感器，直径大小为10MM，厚度为0.2MM，包在手指的末端，当手指抓取东西时，会挤压薄膜压力传感器，传感器的电阻值会发生变化，并且压力值越大，传感器输出电阻值就越小。输出信号经过后端电路处理后，如图11所示，RV为薄膜压力传感器，R为固定阻值电阻，U为运算放大器，这样就得到了当前手指的受到的压力值和输出一个电压值的对应关系图表，如图12所示，电压值给到DSP处理器的ADC引脚作为采集处理，这样，就得到了手指的一个压力感应反馈信息，形成了一个手指的压力感应闭环控制，这样五根手指各自都安装一个薄膜压力传感器，整个手就可以抓取一些物体或东西，并且进行抓取不同的物体而试压的压力不同，可进行整个手部抓握力的控制。

根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述驱动器的机器人灵巧手，如图13-14所示，该装置包括：驱动器和手指结构，所述手指结构分别与所述驱动器电性连接。

如图7所示，优选地，所述驱动器中的数字信号处理模块采用驱动芯片为DRV10970。所述驱动器与所述手指结构分别连接，用于控制所述手指结构移动至预设指令位置且控制手指的握力至预设数值。所述手指结构包括：第一关节、第二关节以及第三关节；所述第一关节、所述第二关节以及所述第三关节通过钢丝线和扭簧联动且与电力输出端连接；当电机正转则手指回拉；当电机反转则手指展开回位。

具体地，数字信号处理模块中的DSP处理器负责控制5路电机，一个手指由一个电机进行控制，每个手指的三个关节由一根钢丝线进行拉线控制，钢丝线一端固定在电机的输出轴上，这样就是5个电机分别驱动5个手指进行来回转动，电机正转，手指就往回拉，电机反正释放钢丝线，每个关节处装有扭簧，在扭簧的作用下，手指将会展开回到原位或者起始的零位，

该驱动设计方案为DSP作为主控制器芯片，然后每一路电机有一个电机驱动芯片，型号为DRV10970，如图9所示，电机带有霍尔传感器，输出经过传感器电路处理，反馈给驱动芯片做反馈速度控制，驱动额定电压为直流12V，该芯片自带电机过流过温保护，可防止电机出现过流现象，

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种驱动器，其特征在于，包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块，用于驱动与多路电机分别连接的手指转动，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器、多路驱动芯片，

所述数字信号处理器与所述驱动芯片相连，用以通过所述数字信号处理器上的接口传输：PWM信号和方向信号；

其中，所述驱动芯片至少包括：五路。

3.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，多路所述驱动芯片分别通过霍尔传感器电路与多路电机电性连接。

4.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，数字信号处理模块还用于控制与多路电路连接的手指的位置，所述数字信号处理模块还包括：

电位计，用于安装于每根手指的第一个关节处；

其中，所述电位计每一个电压值对应当前手指的位置信息。

5.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，数字信号处理模块还用于处理手指的握力感应，所述数字信号处理模块还包括：

薄膜压力传感器，用于安装于每根手指的端部；

其中，每根所述手指通过：第一关节、第二关节以及第三关节，所述第一关节、第二关节以及第三关节与电机通过拉线联动控制，所述薄膜压力传感器与压力传感器处理电路连接。

6.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述现场可编程门阵列模块包括：

与422接口电路通讯连接的第一TTL串口，用以与外部总线进行通讯；

与数字信号处理模块连接的第二TTL串口，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

7.一种机器人灵巧手，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的驱动器和手指结构，

所述手指结构分别与所述驱动器电性连接。

8.根据权利要求7所述的机器人灵巧手，其特征在于，所述驱动器中的数字信号处理模块采用驱动芯片为DRV10970。

9.根据权利要求7所述的机器人灵巧手，其特征在于，所述驱动器与所述手指结构分别连接，用于控制所述手指结构移动至预设指令位置且控制手指的握力至预设数值。

10.根据权利要求7所述的机器人灵巧手，其特征在于，所述手指结构包括：第一关节、第二关节以及第三关节；所述第一关节、所述第二关节以及所述第三关节通过钢丝线和扭簧联动且与电力输出端连接；当电机正转则手指回拉；当电机反转则手指展开回位。