CN108972566B - 一种机器人手爪模组运动控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人手爪模组运动控制系统，包括电源模块、主控模块、CAN通讯模块、手爪模组电机主驱动模块以及手爪电机，电源模块连接主控模块、CAN通讯模块和手爪模组电机主驱动模块，CAN通讯模块连接主控模块，将上位机指令发送给主控模块，主控模块连接手爪模组电机主驱动模块，手爪模组电机主驱动模块包括第一驱动单元和第二驱动单元，第一驱动单元用于执行对手抓电机的步进角度进行相对低细分、并进行相对大电流输出驱动的第一驱动模式，第二驱动单元用于执行对手抓电机的步进角度进行相对高细分、并进行相对小电流输出驱动的第二驱动模式。本发明能够根据场景选择最佳的驱动模式来实现类人手爪取物体动作，从而适配不同的应用场景。

Description

一种机器人手爪模组运动控制系统
技术领域
本发明涉及一种机器人手爪模组运动控制系统。
背景技术
随着工业自动化的蓬勃发展，工业机器人呈现出各式各样的产品类型。传统工业机器人末端工具只是实现对物体的单一抓取，机器人末端工具要实现类人手爪取物体动作，需要设计相应的手爪模组以及手爪模组运动控制系统。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现类人手爪取物体动作的机器人手爪模组运动控制系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机器人手爪模组运动控制系统，包括电源模块、主控模块、CAN通讯模块、手爪模组电机主驱动模块以及手爪电机，所述电源模块连接所述主控模块、所述CAN通讯模块和所述手爪模组电机主驱动模块，用于供给所需的电能，所述CAN通讯模块连接所述主控模块，用于接收上位机指令并将指令发送给所述主控模块以执行运动控制任务，所述主控模块连接所述手爪模组电机主驱动模块，所述手爪模组电机主驱动模块连接所述手抓电机，所述手爪模组电机主驱动模块包括在所述主控模块的控制下切换执行不同驱动模式的第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元用于执行对所述手抓电机的步进角度进行相对低细分、并进行相对大电流输出驱动的第一驱动模式，所述第二驱动单元用于执行对所述手抓电机的步进角度进行相对高细分、并进行相对小电流输出驱动的第二驱动模式。
进一步地：
所述主控模块执行上位机发送过来的控制指令，选择使能不同的驱动芯片来执行相应的驱动模式，通过所述主控模块的IO配置和CLK脉冲来配置电机参数，设置运动角度，调节电机速度，以及控制电机正反转，以此控制手爪抓取阀门的快慢和手爪打开与闭合动作。
所述手抓电机连接的机器人末端手爪采用三指连杆结构，通过所述手爪模组电机主驱动模块控制所述手爪电机运行，带动机器人末端手爪进行类人手指运动，从而实现对物体的抓取和放置。
所述手抓电机采用2相4线1.8度24V的涡杆步进电机来实现驱动动作。
所述主控模块采用的MCU芯片为ARM内核。
所述电源模块包括24V电源、24V降压5V转换模块以及5V降压3.3V转换模块，所述24V降压5V转换模块为DCDC模块，所述5V降压3.3V转换模块为LDO低压差线性稳压器模块。
所述CAN通讯模块通过CAN收发控制器芯片来实现CAN协议和物理总线间的差分传输，通过终端匹配电阻使CAN通讯达到在预定波特率下的传输距离。
所述第一驱动模式将所述手抓电机的运转细分成最低1/16个步进角度，所述第二驱动模式将所述手抓电机的运转细分成最低1/256个步进角度。
通过共同的VREF端电压设置电路设置所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的VREF端的电压以获得各自的输出电流值，其中VREF端电压设置电路按照与VREF端的电压的如下关系建立包括RNF、R20、R11、R13、R12、R14电阻在内的电阻网络，：
其中设置所述第一驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为设置所述第二驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为IO＝VREF÷RNF，其中/> V为所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的输入电压，通过搭配所述电阻网络中不同的阻值设置需要的电流输出值。
还包括内嵌手爪模组电路板，所述电路板呈扇形结构，其半径为35mm，所述电路板中间开直径为8mm的圆形通孔以供电机涡杆穿过电路板，所述电路板在右下方开直径为7mm的圆形通孔穿支杆以支撑终端手爪，并开设有所述电路板的安装固定孔，所述电路板的正面联接手爪结构，所述电路板的背面通过固定铜柱紧挨手爪电机，所述电路板的供电接口、电机接口以及CAN通讯接口设置在所述电路板的背面。
本发明具有如下有益效果：
本发明的机器人手爪模组运动控制系统可以实现对机器人末端手爪结构在不同场景下的运动控制。通过控制手爪电机运行可以带动机器人末端手爪手指运动，从而可以实现类人手对物体的抓取和放置。
本发明的机器人手爪模组运动控制系统可以选择手爪电机驱动模式，从而适配不同的应用场景。在精度要求不高或者电机输出电流要求较高的应用场景，可以选择大电流输出驱动；在控制精度要求高的应用场景，可以选择高细分的驱动，只需要通过使能不同的驱动芯片即可实现相应的控制功能。
在本发明的机器人手爪模组运动控制系统中，能够根据场景选择最佳的驱动模式，选择电机的控制精度。通过选择不同的驱动模式，既可以实现机器人末端手爪对阀门、开关、电源等控制精度要求不高的物体进行手势操作，也可以通过控制手爪电机的运动精度，实现对易碎以及精密物体的抓取。
附图说明
图1为本发明实施例的机器人手爪模组运动控制系统的框图。
图2为本发明实施例的系统电源模块框图。
图3为本发明实施例的24V降压5V电路设计原理图。
图4为本发明实施例的5V降压3.3V电路设计原理图。
图5为本发明实施例的主控模块MCU主要功能PIN脚定义的原理设计图。
图6为本发明实施例的CAN通讯模块设计原理图。
图7为本发明实施例的采用TB6600FG驱动芯片设计的电路原理图。
图8为本发明实施例通过主控MCU的IO端口设置驱动电机的细分数的细分模式设置图。
图9为本发明实施例的VREF端电压设置电路设计原理图。
图10为本发明实施例采用STSPIN820驱动芯片设计的电路原理图。
图11为本发明实施例通过主控MCU IO端口设置驱动电机的细分数的细分模式设置图。
图12为本发明实施例的手爪模块运动控制方法流程图。
图13为本发明实施例的手爪模组运动控制系统电路板正面图。
图14为本发明实施例的手爪模组运动控制系统电路板背面图。
图15为本发明实施例的手爪模组运动控制系统电路板侧视图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种机器人手爪模组运动控制系统，包括电源模块、主控模块、CAN通讯模块、手爪模组电机主驱动模块以及手爪电机，所述电源模块连接所述主控模块、所述CAN通讯模块和所述手爪模组电机主驱动模块，用于供给所需的电能，所述CAN通讯模块连接所述主控模块，用于接收上位机指令并将指令发送给所述主控模块以执行运动控制任务，所述主控模块连接所述手爪模组电机主驱动模块，所述手爪模组电机主驱动模块连接所述手抓电机，所述手爪模组电机主驱动模块包括在所述主控模块的控制下切换执行不同驱动模式的第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元用于执行对所述手抓电机的步进角度进行相对低细分、并进行相对大电流输出驱动的第一驱动模式，所述第二驱动单元用于执行对所述手抓电机的步进角度进行相对高细分、并进行相对小电流输出驱动的第二驱动模式。
参阅图1至图12，在优选的实施例中，所述主控模块执行上位机发送过来的控制指令，选择使能不同的驱动芯片来执行相应的驱动模式，通过所述主控模块的IO配置和CLK脉冲来配置电机参数，设置运动角度，调节电机速度，以及控制电机正反转等，以此控制手爪抓取阀门的快慢和手爪打开与闭合等动作。
在优选的实施例中，所述手抓电机连接的机器人末端手爪采用三指连杆结构，通过所述手爪模组电机主驱动模块控制所述手爪电机运行，带动机器人末端手爪进行类人手指运动，从而实现对物体的抓取和放置。
在优选的实施例中，所述手抓电机采用2相4线1.8度24V的涡杆步进电机来实现驱动动作。
所述主控模块可以采用拥有ARM内核的芯片作为MCU芯片。
参阅图2，在优选的实施例中，所述电源模块包括24V电源、24V降压5V转换模块以及5V降压3.3V转换模块，所述24V降压5V转换模块为DCDC模块，所述5V降压3.3V转换模块为LDO低压差线性稳压器模块。24V降压5V转换模块以及5V降压3.3V转换模块优选采用如图3、4所示的电路设计。
在优选的实施例中，所述CAN通讯模块通过CAN收发控制器芯片来实现CAN协议和物理总线间的差分传输，通过终端匹配电阻使CAN通讯达到在预定波特率下的传输距离。所述CAN通讯模块优选采用如图6所示的电路设计。
参阅图7、图9和图10，在优选的实施例中，通过共同的VREF端电压设置电路设置所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的VREF端的电压以获得各自的输出电流值，其中VREF端电压设置电路按照与VREF端的电压的如下关系建立包括RNF、R20、R11、R13、R12、R14电阻在内的电阻网络，：
其中设置所述第一驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为设置所述第二驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为IO＝VREF÷RNF，其中/> V为所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的输入电压，通过搭配所述电阻网络中不同的阻值设置需要的电流输出值。
参阅图8和图11，在优选的实施例中，所述第一驱动模式将所述手抓电机的运转细分成最低1/16个步进角度，所述第二驱动模式将所述手抓电机的运转细分成最低1/256个步进角度。
参阅图13至图15，在优选的实施例中，所述机器人手爪模组运动控制系统还包括内嵌手爪模组电路板，所述电路板呈扇形结构，其半径为35mm，所述电路板中间开直径为8mm的圆形通孔以供电机涡杆穿过电路板，所述电路板在右下方开直径为7mm的圆形通孔穿支杆以支撑终端手爪，并开设有所述电路板的安装固定孔，所述电路板的正面联接手爪结构，所述电路板的背面通过固定铜柱紧挨手爪电机，所述电路板的供电接口、电机接口以及CAN通讯接口设置在所述电路板的背面。
通过本发明机器人手爪模组运动控制系统，控制手爪电机运行，可以带动机器人末端手爪进行类人手指运动，从而实现对物体的抓取和放置。电机运动控制采用双集成MOS驱动模式，可以根据不同的场景需求，切换最佳的驱动模式。内嵌手爪模组电路板实现在狭小的空间将整套运动控制系统硬件设备嵌入到手爪模组之中。
手爪模组运动控制系统硬件电路
电源模块
整个系统的电源模块如图2所示。采用24V母线电源供电，包括24V电源、24V降压5V转换模块以及5V降压3.3V转换模块。
如图3所示为24V降压5V电路设计原理图，采用MPS的MP2359 DC-DC主控芯片来实现，R30和R24的值分别选用49.9K和9.53K精度为1％的电阻时，通过公式其中，VFB＝0.81V，可以得到5V的电压输出。
如图4所示为5V降压3.3V电路设计原理图，选用AMS1117-3.3型号的LDO转换芯片来实现，其具有较低的噪声和纹波特性。
主控模块
考虑到手爪模组内部尺寸结构等因素，主控模块采用具有ARM Cotex-M3内核的STM32F103C8t6型号主控芯片，其主频可达72MHz，且具有LQFP48最小封装尺寸，可在-40℃～+85℃的温度范围正常工作，可以满足设计和使用需求。如图5所示为主控模块MCU主要功能PIN脚定义的原理设计图。
其中，机器人手爪模组运动控制系统用到的主要PIN脚如下定义：
1、2路时钟CLK信号(TBCK/STCK)定义在TIM1高级定时器上。
2、用于配置驱动芯片的端口定义在通用IO之上，主要包括驱动芯片使能端口(TBEN/STEN)、细分配置端口(TBM1/STM1，TBM2/STM2，TBM3/STM3)、方向控制端口(TBDIR/STDIR)，以及反馈报警端口等。
3、CAN通讯信号CANRX和CANTX定义在内部CAN1通道上。
4、主控模块烧录端口采用STlink方式，其占用SWDIO和SWCLK PIN脚。
5、主控模块采用外部晶振源，定义在OSCIN32和OSCOUT之上，RTC晶振源定义在OSCIN32和OSCOUT32之上。
6、复位信号和启动模式选择分别定义在NRST和BOOT0与BOOT1之上。
CAN通讯模块
手爪模组运动控制系统通过CAN通讯模块来实现上位机对终端工具的控制命令下发，CAN通讯模块完成CAN数据的收发处理。设计采用NXP型号为TJA1050的CAN收发控制器芯片来实现CAN协议和物理总线间的差分传输。如图6所示为CAN通讯模块电路设计原理图，通过R29终端匹配电阻可以使得CAN通讯在波特率为1Mbit/s时，传输距离达到25米。
手爪模组电机主驱动模块
考虑到手爪模组内部空间尺寸有限，因此其手爪模组电机主驱动模块选用既具有集成MOS功能，又满足驱动电流特性的主控芯片。
主驱动模块提供两种驱动模式。具体实例中，第一种驱动模式选用Toshiba的TB6600FG型号集成MOS电机驱动芯片，第二种驱动模式选用ST的STSPIN820型号集成MOS电机驱动芯片。
如图7所示为第一种驱动模式采用的TB6600FG驱动芯片设计的电路原理图。
图7中主要PIN脚功能说明如下：
1、TBM1、TBM2、TBM3通过主控MCU的IO端口设置驱动电机的细分数，如图8所示为其细分模式设置图。
2、TBEN通过主控MCU来控制驱动芯片工作，高电平芯片工作，低电平芯片停止工作。
3、TBRST通过主控MCU控制实现驱动芯片的重启操作，如有低电平芯片将重新启动。
4、TBDIR通过主控MCU来控制电机的运转方向，高电平电机反转，低电平电机正转。
5、TBCK接收主控MCU的PWM脉冲信号，从而使能电机运转，理论上接收到1个脉冲信号，电机将运转1个步进角度。但是，如果设置了细分模式，那么接收到1个脉冲信号，电机将运转设置的细分数个角度。比如，设置细分数为1/16，那么接收到1个脉冲信号，电机将运转1/16个步进角度，对于1.8度的电机来说，即运转度。
6、TQ通过主控MCU的通过IO端口来设置驱动芯片的力矩模式，高电平时有100％的电压比，低电平时有30％的电压比。
7、主控MCU通过检测TBALT的电平变换来获得过温和过流信息。
8、通过设置VREF端的电压可以获得相应的输出电流值，其计算公式为其中VREF和RNF的选择调节范围为0.3V≤VREF≤1.95V和0.11Ω≤RNF≤0.5Ω。
如图9所示为VREF端电压设置电路设计原理图。当电机正常工作的时候，FN/DIS输出低电平，Q1处于截止状态，进而可以得出 而/>其中R11、R13、R12、R14的阻值相同；从而通过搭配不同的阻值，即可设置需要的电流输出值。此外，当电机停止工作的时候，RN/DIS输出高电平，Q1处于导通状态，此时输出电流为0，可以减少驱动芯片的内耗，并减少电机的热噪声。
9、OUTA1、OUTA2和OUTB1、OUTB2直接接步进电机端口。
如图10所示为第二种驱动模式采用STSPIN820驱动芯片设计的电路原理图。
图10中主要PIN脚功能说明如下：
1、STM1、STM2、STM3通过主控MCU IO端口可以设置驱动电机的细分数，其细分模式设置如图11所示。
2、STEN通过主控MCU来控制驱动芯片工作，高电平芯片工作，低电平芯片停止工作。
3、STBY通过主控MCU控制实现驱动芯片的重启操作，如有低电平芯片将重新启动。
4、STDIR通过主控MCU来控制电机的运转方向，高电平电机反转，低电平电机正转。
5、STCK接收主控MCU的PWM脉冲信号，从而使能电机运转，理论上接收到1个脉冲信息，步进电机将运转1个步进角度。但是，如果设置了细分模式，那么接收到1个脉冲信号，电机将运转设置的细分数个角度。比如，设置细分数为1/256，那么接收到1个脉冲信号，电机将运转1/256个步进角度，对于1.8度的电机来说，即运转度。
6、DECAY通过主控MCU的通过IO端口来设置驱动芯片的衰变模式，高电平时有只有慢衰变形式，低电平时有混合衰变形式。
7、由于在同一PCB主板上设计二选一的两种驱动模式，因此VREF电路和采样电阻电路可以共用。对于STSPIN820通过设置VREF端的电压可以获得相应的输出电流值，其计算公式为IO＝VREF÷RNF，如图9所示为VREF端电压设置电路设计原理图。当电机正常工作的时候，FN/DIS输出低电平，Q1处于截止状态，进而可以得出VREF＝IO×RNF，其中 从而通过搭配不同的阻值，即可设置需要的电流输出值。当电机停止工作的时候，FN/DIS输出高电平，Q1处于导通状态，此时输出电流为0，可以减少驱动芯片的内耗，并减少电机的热噪声。
8、OUTA1、OUTA2和OUTB1、OUTB2直接接步进电机端口。
鉴于此，比较两种驱动模式可以得出，当运动控制场景需要高精度操作时，可以使能STSPIN820设计方案，其最大可以设置1/256细分角度；当运动控制场景需要大电流输出时，可以使能TB6600FG设计方案，其最大可以获得4.5A的输出电流值。因此，通过软件控制，系统可以根据实际场景，智能切换选择驱动模式，以此获得最佳的运动控制性能。
手爪模组运动控制流程
如图12所示为手爪模组运动控制系统的控制流程图。手爪模组运动控制系统上电之后完成初始化操作，正常情况下完全受控于上位机，只有接受到上位机的指令后，才能执行操作命令。手爪模组运动控制系统运行时，接收到上位机指令后，即需要去抓阀门、松开阀门或者抓放精密物体等，系统将根据场景选择相应的驱动模式，从而控制手爪电机进行运动，其中控制命令包括：运动的角度，运动的速度，运动的方向，以及选择那种驱动模式来进行电机驱动等。
手爪模组运动控制系统电路板
考虑到手爪模组运动控制系统需要嵌入到手爪模组内部，手爪模组运动控制系统电路板的尺寸有着特别严格的设计要求，电路板设计成扇形结构，其半径为35mm。此外，由于电机涡杆需要穿过电路板，电路板中间还开直径为8mm的圆形通孔。手爪模组内部为支撑终端手爪，还在右下方开直径为7mm的圆形通孔穿支杆。再加上电路板的安装固定孔，实际设计完成的电路板实物图如图13-图15所示。
如图13所示为手爪模组运动控制系统电路板正面图，此面上可联动手爪结构，除了必备元器件布局外，没有留有走线接口。
如图14所示为手爪模组运动控制系统电路板背面图，其通过固定铜柱，紧挨底座电机。因此，电路板供电接口、电机接口、以及CAN通讯接口都留于这一侧，且不会有任何干涉。
如图15所示为手爪模组运动控制系统电路板侧视图。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,包括电源模块、主控模块、CAN通讯模块、手爪模组电机主驱动模块以及手爪步进电机，所述电源模块连接所述主控模块、所述CAN通讯模块和所述手爪模组电机主驱动模块，用于供给所需的电能，所述CAN通讯模块连接所述主控模块，用于接收上位机指令并将指令发送给所述主控模块以执行运动控制任务，所述主控模块连接所述手爪模组电机主驱动模块，所述手爪模组电机主驱动模块连接所述手爪步进电机，所述手爪模组电机主驱动模块包括在所述主控模块的控制下切换执行不同驱动模式的第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元用于执行对所述手爪步进电机的步进角度进行相对低精度细分、并进行相对大电流输出驱动的第一驱动模式，所述第二驱动单元用于执行对所述手爪步进电机的步进角度进行相对高精度细分、并进行相对小电流输出驱动的第二驱动模式；二选一的两种不同控制精度的电机驱动模式共用VREF端电压设置电路和采样电阻电路，通过共同的VREF端电压设置电路设置所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的VREF端的电压以获得各自的输出电流值；其中VREF端电压设置电路按照与VREF端的电压的如下关系建立包括、R20、R11、R13、R12、R14电阻在内的电阻网络：其中设置所述第一驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为，设置所述第二驱动单元的VREF端的电压获得相应的输出电流值关系为/>，其中/>，/>，V为所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的输入电压，通过搭配所述电阻网络中不同的阻值设置需要的电流输出值。
2.如权利要求1所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,所述主控模块执行上位机发送过来的控制指令，选择使能不同的驱动芯片来执行相应的驱动模式，通过所述主控模块的IO配置和CLK脉冲来配置电机参数，设置运动角度，调节电机速度，以及控制电机正反转，以此控制手爪抓取阀门的快慢和手爪打开与闭合动作。
3.如权利要求1或2所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于, 所述手爪步进电机连接的机器人末端手爪采用三指连杆结构，通过所述手爪模组电机主驱动模块控制所述手爪步进电机运行，带动机器人末端手爪进行类人手指运动，从而实现对物体的抓取和放置。
4.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于, 所述手爪步进电机采用２相４线1.8度24V的涡杆步进电机来实现驱动动作。
5.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,所述主控模块采用的MCU芯片为ARM内核。
6.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,所述电源模块包括24V电源、24V降压5V转换模块以及5V降压3.3V转换模块，所述24V降压5V转换模块为DCDC模块，所述5V降压3.3V转换模块为LDO低压差线性稳压器模块。
7.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,所述CAN通讯模块通过CAN收发控制器芯片来实现CAN协议和物理总线间的差分传输，通过终端匹配电阻使CAN通讯达到在预定波特率下的传输距离。
8.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,所述第一驱动模式将所述手爪步进电机的运转细分成最低1/16个步进角度，所述第二驱动模式将所述手爪步进电机的运转细分成最低1/256个步进角度。
9.如权利要求1至2任一项所述的机器人手爪模组运动控制系统，其特征在于,还包括内嵌手爪模组电路板，所述电路板呈扇形结构，其半径为35mm，所述电路板中间开直径为8mm的圆形通孔以供电机涡杆穿过电路板，所述电路板在右下方开直径为7mm的圆形通孔穿支杆以支撑终端手爪，并开设有所述电路板的安装固定孔，所述电路板的正面联接手爪结构，所述电路板的背面通过固定铜柱紧挨手爪步进电机，所述电路板的供电接口、电机接口以及CAN通讯接口设置在所述电路板的背面。
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