CN109048914A - 一种机器人关节伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
仿人机器人具有可移动性，具有很多的自由度，包括双臂、颈部、腰部、双腿等，可以完成更复杂的任务，这些关节要连接在一起，进行统一的协调控制，就对控制系统的可靠性、实时性提出了更高的要求。本发明提出一种机器人关节伺服控制系统，包括中央控制器和关节控制器，所述关节控制器包括控制器外壳和控制器线路板，所述控制器外壳的顶面通过螺丝固定在矩形壳体上，矩形壳体的底面四角位置分别设有一个安装部，矩形壳体两个相对的侧面分别设有一组航空插头，控制器线路板位于矩形壳体内。lvdt位移传感器接口和力传感器接口中设计了专用的调理电路，同时力传感器接口中还有与调理电路相配合的激励信号电路。
Description
技术领域
本发明属于机器人运动控制技术领域，尤其是一种机器人关节伺服控制系统。
背景技术
仿人机器人具有可移动性，具有很多的自由度，包括双臂、颈部、腰部、双腿等，可以完成更复杂的任务，这些关节要连接在一起，进行统一的协调控制，就对控制系统的可靠性、实时性提出了更高的要求。仿生机器人控制技术中通常采用的集中控制系统，控制功能高度集中。为了避免局部的故障而导致系统的整体失效，应考虑采用分布式的控制系统来实现系统的控制功能。
发明内容
本发明提出一种机器人关节伺服控制系统，采用的技术方案如下：
一种机器人关节伺服控制系统，包括中央控制器和关节控制器，所述关节控制器包括控制器外壳和控制器线路板，所述控制器外壳的顶面通过螺丝固定在矩形壳体上，矩形壳体的底面四角位置分别设有一个安装部，矩形壳体两个相对的侧面分别设有一组航空插头，控制器线路板位于矩形壳体内。
进一步的，中央控制器采用双dsp架构，dsp运行期间通过相互间的握手信号实现相互之间的运行状态监督，单个dsp带有独立的看门狗。
进一步的，中央控制器采用芯片的型号为tms320f28335。
进一步的，控制器外壳材质为铝合金。
进一步的，控制器外壳中的线路板通过板对板连接器相连。
进一步的，固定相邻线路板的零件包括螺柱。
进一步的，所述航空插头为关节控制器接口，包括2个lvdt位移传感器接口、2个力传感器接口、2个角度传感器接口、4个油压传感器接口、2个伺服阀驱动接口和1个Can总线接口。
进一步的，lvdt位移传感器接口电路包括第一调理电路。
进一步的，第一调理电路使用的芯片型号为AD698。
进一步的，力传感器接口电路包括第二调理电路和激励信号电路。
进一步的，第二调理电路使用的元器件包括AD620，激励信号电路使用的元器件包括REF-01和OPA551。
进一步的，第二信号调理电路中AD620的2号引脚连接电阻R1、R2，3号引脚连接电阻R3、R4，2号引脚和3号引脚之间并联电容C1，1号引脚和8号引脚之间连接滑动变阻器。
进一步的，REF-01的6号引脚串联电阻R5后连接OPA551的3号引脚，OPA551的6号引脚连接电容C2、电解电容和保险丝，电容C2和电解电容的另一端接地。
进一步的，伺服阀驱动接口中的驱动电路使用的元器件包括AD5754和8引脚封装的LM7372，AD5754的3号引脚连接电阻R6后与LM7372的3号引脚相连，LM7372的1号引脚和7号引脚之间连有电阻R7和R8，R7和R8串联，LM7372的7号引脚和6号引脚之间连有电阻R9，LM7372的6号引脚连接电阻R10后接地。
进一步的，本控制系统还包括CAN控制器，多个关节控制器通过CAN控制器接到CAN-bus上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.关节控制器提供6类共13个控制接口，本身满足典型关节控制用传感器、执行器接口需求，同时控制接口便于拓展，能兼顾机器人其他参数采集。
2.针对仿人机器人关节处安装空间小、仿人机器人本身为电池供电这些特点，为减小关节控制器的体积，关节控制器中的线路板采用中间板形式通过板对板连接器装配在一起并通过螺柱加固，同时采用铝合金外壳减轻关节控制器的重量。
3.关节控制器中lvdt传感器和力传感器接口中分别设计了专门的调理电路，为提高采样精度提供了调试手段。
4.力传感器需要直流偏置作为激励源，本关节控制器采用REF-01设计激励信号电路，幅值10v，误差为0.3％。
5.伺服控制系统包括若干关节控制器和一个中央控制器，其间采用can总线进行组网，波特率1Mbps，采用这种组网结构可及时把故障、超限等信息在任意时刻主发给中央控制器，此外还可以使得控制系统具有可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；关节节点在错误严重的情况下具有自动退出总线。
附图说明
图1是控制器接口示意图；
图2是控制器顶视图；
图3是控制器侧视图；
图4是Lvdt传感器调理电路；
图5是力传感器信号调理电路；
图6是激励信号电路；
图7是DA集成电路芯片示意图；
图8是驱动电路示意图；
图9是DA集成芯片与驱动电路的连接关系示意图。
附图标记说明：
控制器外壳-1，航空接口-2。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明提出的机器人关节伺服控制系统，包括关节控制器，关节控制器包括控制器外壳1和控制器线路板，控制器外壳1的顶面通过螺丝固定在矩形壳体上，矩形壳体的底面四角位置分别设有一个安装部，矩形壳体两个相对的侧面分别设有一组航空插头2，控制器线路板位于矩形壳体内。其中航空插头为关节控制器接口，包括2个lvdt位移传感器接口、2个力传感器接口、2个角度传感器接口、4个油压传感器接口、2个伺服阀驱动接口和1个Can总线接口。
控制器外壳1中的线路板通过板对板连接器相连，同时通过螺柱进行固定。
如图4至图6所示，lvdt位移传感器接口电路包括第一调理电路。第一调理电路使用的芯片型号为AD698，AD698的7号引脚和8号引脚之间并联连个电容，10号引脚和11号引脚之间并联一个电容，19号引脚和20号引脚之间并联一个电容，5号和6号引脚之间连接一个电阻，21号和22号引脚之间并联一个电容，22和23号引脚之间并联一个电容，此电容还并联一个电阻。用lvdt调理芯片AD698进行调理电路的设计，并采用二阶滤波器进行噪声滤除，保证了采样精度和输出精度的0.1％的设计指标，信噪比达到65db。
力传感器接口电路包括第二调理电路和激励信号电路。第二调理电路使用的元器件包括AD620，激励信号电路使用的元器件包括REF-01和OPA551。第二信号调理电路中AD620的2号引脚连接电阻R1、R2，3号引脚连接电阻R3、R4，2号引脚和3号引脚之间并联电容C1，1号引脚和8号引脚之间连接滑动变阻器。REF-01的6号引脚串联电阻R5后连接OPA551的3号引脚，OPA551的6号引脚连接电容C2、电解电容和保险丝，电容C2和电解电容的另一端接地。力传感器的满量程输出只有20mV，因此电路采用AD620差分仪表放大器进行前端设计，共模抑制比达到120db，从而良好地克服了共模噪声，由于仪表放大器具备很高的输入阻抗，高达1G欧姆，因此对于小信号的输入衰减大大降低。力传感器需要直流偏置作为激励源，采用REF-01设计激励信号电路，幅值10v，误差为0.3％。
如图7至图9所示，伺服阀驱动接口中的驱动电路使用的元器件包括AD5754和8引脚封装的LM7372，AD5754的3号引脚连接电阻R6后与LM7372的3号引脚相连，LM7372的1号引脚和7号引脚之间连有电阻R7和R8，R7和R8串联，LM7372的7号引脚和6号引脚之间连有电阻R9，LM7372的6号引脚连接电阻R10后接地。
中央控制器采用双dsp架构，dsp运行期间通过相互间的握手信号实现相互之间的运行状态监督，单个dsp带有独立的看门狗。样无论任何一个dsp运行出现异常，程序将进入安全保护逻辑，从而在异常情况发生时可使仿人机器人的姿态进入安全状态。
本控制系统还包括CAN控制器，多个关节控制器通过CAN控制器接到CAN-bus上。较rs485等传统的异步串行总线，这种连接方式使得通讯网络具有良好的健壮性，可及时把故障、超限等信息在任意时刻主发给中央控制器。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人关节伺服控制系统，包括中央控制器和关节控制器，所述关节控制器包括控制器外壳和控制器线路板，其特征在于，所述控制器外壳的顶面通过螺丝固定在矩形壳体上，矩形壳体的底面四角位置分别设有一个安装部，矩形壳体两个相对的侧面分别设有一组航空插头，控制器线路板位于矩形壳体内。
2.如权利要求1所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，控制器外壳中的线路板通过板对板连接器相连。
3.如权利要求1所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，所述航空插头为关节控制器接口，包括lvdt位移传感器接口、力传感器接口、角度传感器接口、油压传感器接口、伺服阀驱动接口和Can总线接口。
4.如权利要求3所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，lvdt位移传感器接口电路包括第一调理电路。
5.如权利要求4所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，第一调理电路使用的芯片型号为AD698。
6.如权利要求3所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，力传感器接口电路包括第二调理电路和激励信号电路。
7.如权利要求6所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，第二调理电路使用的元器件包括AD620，激励信号电路使用的元器件包括REF-01和OPA551。
8.如权利要求7所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，第二信号调理电路中AD620的2号引脚连接电阻R1、R2，3号引脚连接电阻R3、R4，2号引脚和3号引脚之间并联电容C1，1号引脚和8号引脚之间连接滑动变阻器。
9.如权利要求7所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，REF-01的6号引脚串联电阻R5后连接OPA551的3号引脚，OPA551的6号引脚连接电容C2、电解电容和保险丝，电容C2和电解电容的另一端接地。
10.如权利要求3所述一种机器人关节伺服控制系统，其特征在于，伺服阀驱动接口中的驱动电路使用的元器件包括AD5754和8引脚封装的LM7372，AD5754的3号引脚连接电阻R6后与LM7372的3号引脚相连，LM7372的1号引脚和7号引脚之间连有电阻R7和R8，R7和R8串联，LM7372的7号引脚和6号引脚之间连有电阻R9，LM7372的6号引脚连接电阻R10后接地。
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