CN109188960A - 一种通用气动肌肉嵌入式控制器 - Google Patents

Abstract

一种通用气动肌肉嵌入式控制器，包括控制层、驱动层和感知层；控制层、驱动层与感知层之间互联，控制层负责接收感知层的测量数据，并将控制信号发送给驱动层。驱动层包括PWM信号放大电路和高速开关阀；PWM信号放大电路的输入端与控制层的PWM输出模块连接，接收PWM输出模块产生的PWM信号，PWM信号放大电路的输出端与高速开关阀连接；PWM信号放大电路的电路结构为跟随器和开关三极管串联的形式，没有采用光耦开关，结构简单并且能接收较高频率的输入信号。本发明实现了控制、驱动、感知一体化，驱动板设计实现了200Hz频率输出，相比传统驱动器提高10倍，并且逻辑模块的使用保证两路PWM信号不同时发出而造成冲突。

Description

一种通用气动肌肉嵌入式控制器

技术领域

本发明属于集成控制器领域及高频驱动器领域，具体涉及一种通用气动肌肉嵌入式控制器。

背景技术

气动肌肉作为一种新型的拉伸执行元件，与常规气缸相比，气动肌肉有很大的初始拉力，当收缩运动时，收缩力减小，这使得它可以获得很大加速度的同时平稳地到达目的位置。气动肌肉具有模拟生物肌肉的生理及物理特性的能力，尤其适宜作为生物机器人的驱动器。由于气动肌肉驱动具有轻量、柔性和变刚度等优点，采用气动肌肉驱动的机器人的应用和研究越来越多。

在机器人硬件搭建过程中发现，一个机器人的控制需要多种功能的控制器模块，并且对模块接口的需求量很大。市场现有的控制器普遍存在以下问题：功能单一、接口较少、模块精度不高。这进而导致了机器人硬件选型困难、布线繁杂等问题。另外，气动肌肉的驱动高速开关电磁阀对驱动板的放大频率要求较高，一般电磁阀驱动器的电路板采用光耦芯片作为开关，存在频率较低的问题，只能接收输入频率为不超过20Hz的PWM信号，远不能满足电磁阀的要求，导致了气动肌肉控制效果差，使得控制由气动肌肉构成的机器人系统变得困难。

发明内容

为了克服以上不足，本发明设计一种通用气动肌肉嵌入式控制器。将多种电路和功能集成在控制器上，并且保证各个模块有足够多的接口，可用于有效控制多个气动肌肉。在传统电磁阀驱动板电路的结构基础上做出修改，将光耦芯片去掉，采用改进后的电路原理，优化驱动板的频率特性，从而提高了驱动板的输入频率，从20Hz提高到300Hz，适应了高速开关阀的频率要求。

本发明的技术方案：

一种通用气动肌肉嵌入式控制器，包括控制层、驱动层和感知层；控制层、驱动层与感知层之间互联，控制层负责接收感知层的测量数据，并将控制信号发送给驱动层。

控制层的电路板为控制板，控制板采用子母板结构，母板是通用I/O接口板，母板包括AD/DA转换模块、子板模块、PWM输出模块和电源模块，母板实现多功能集成和多接口输入输出；子板模块采用可替换的微处理器，提高了通用性。AD/DA转换模块包含A/D转换电路和D/A转换电路，AD/DA转换模块通过子板模块与PWM输出模块连接，感知层的传感器采集的模拟量信号传送给，AD/DA转换模块的A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号发送给子板模块；子板模块处理后通过D/A转换电路转换为模拟量信号传送给PWM输出模块；所述电源模块与给AD/DA转换模块、PWM输出模块、驱动层和感知层连接，用于电能供给。

感知层包括气压传感器和位移传感器，气压传感器用于测量气动肌肉的气压，位移传感器测量气动肌肉的长度，并将测量数据传递给控制层。

驱动层的电路板为驱动板，驱动板负责接收控制层发送的PWM控制信号，并根据控制信号驱动气动肌肉；驱动层包括PWM信号放大电路和高速开关阀；PWM信号放大电路的输入端与控制层的PWM输出模块连接，接收PWM输出模块产生的PWM信号，PWM信号放大电路的输出端与高速开关阀连接，PWM信号放大电路将PWM信号放大后，向高速开关阀输出控制信号；

PWM信号放大电路的电路结构为跟随器和开关三极管串联的形式，没有采用光耦开关，结构简单并且能接收较高频率的输入信号，具体结构如下：

PWM输出模块产生的PWM信号分为两路，一路与第一74LS08的反相输入端连接，另一路与第二74LS08的反相输入端连接；微处理器发出逻辑信号Switch分为两路，一路通过74LS14与第一74LS08的同相输入端连接，另一路与第二74LS08的同相输入端连接；

第一74LS08的输出端并联一个10kΩ电阻，10kΩ电阻另一端通过光耦开关接地，第一74LS08的输出端与第一LM324运放的同相输入端连接，第一LM324起到同相电压跟随器的作用，用于增加输入阻抗以及减小驱动器对控制器的压力；第一LM324的电源正极与控制层的电源模块+5V连接，电源负极接地，第一LM324反相输入端与输出端并联；第一LM324的输出端通过100Ω电阻与三极管TIP31的基极串联，三极管的发射极接地，集电极与另一路的三极管的集电极并联。

第二74LS08的输出端并联一个10kΩ电阻，10kΩ电阻另一端通过光耦开关接地，第二74LS08的输出端与第二LM324运放的同相输入端连接，第二LM324起到同相电压跟随器的作用，用于增加输入阻抗以及减小驱动器对控制器的压力；第二LM324的电源正极与控制层的电源模块+5V连接，电源负极接地，第二LM324反相输入端与输出端并联；第二LM324的输出端通过100Ω电阻与第一三极管TIP31的基极串联，第一三极管TIP31的发射极接地，第一三极管TIP31的集电极与另一路的第二三极管TIP31的集电极并联。

两路三极管TIP31的集电极并联且通过二极管与控制层的电源模块+24V连接，高速开关阀的正极与二极管正极并联，高速开关阀的负极与二极管负极并联。

所述电源模块，包括+24V供电电源、+24V转换成+5V的DC-DC电源转换器和+24V转换成+15V的DC-DC电源转换器。+24V转换成+5V的DC-DC电源转换器型号为HZD15D-24D15，将+24V直流电转换为+5V直流电压，用于给A/D转换电路、PWM输出模块、驱动层的运放LM324和感知层的气压传感器供电；+24V转换成+15V的DC-DC电源转换器型号为HZD30D-24S5，将+24V直流电转换为+15V直流电，用于给D/A转换电路和高速开关阀供电。

所述的PWM信号放大电路只有一路PWM信号输入的情况下，一次只输出一路PWM信号，另一路不输出PWM信号；PWM信号放大电路的每两路输出与一个高速开关阀的输入端连接，实现控制高速开关阀的开合，一路控制气动肌肉的充气，另一路控制气动肌肉的放气，两路电路不能同时通入PWM信号；高速开关阀与气动肌肉的输入气路连通，实现气动肌肉的充放气。

所述的气压传感器型号为霍尼韦尔的40PC150G2A；气压传感器与气动肌肉的气路连通，多个气压传感器固定在感知层的电路板，该电路板置于驱动层电路板的上方；位移传感器固定在气动肌肉的一侧，与气动肌肉平行；气压传感器和位移传感器的信号输出端都与控制层的A/D转换电路输入端连接，从而将测量数据传递给控制层。

所述PWM输出模块型号为PCA9685芯片；用I2C总线将微处理器与PWM输出模块连接，从微处理器向PWM生成器输出控制信号；

所述子板模块采用微处理器；本发明采用的微处理器是Arduino mega2560；D/A转换电路与微处理器连接，微处理器向D/A转换电路输出数字信号；A/D转换电路与微处理器连接，A/D转换电路向微处理器输入数字信号；微处理器与PWM输出模块连接，从微处理器向PWM生成器输出控制信号。

TIP31作为放大器，具有性能稳定、价格低廉、便于寻找等优点；和高速开关电磁阀并联的二极管可以起到泄流作用，由于高速开关电磁阀内有电感线圈，在电压突变时电流无法突变，此时二极管消耗掉剩余电能使电磁阀实现高速开关。

本发明的有益效果：

本发明与现有气动肌肉驱动控制器相比，实现了控制、驱动、感知一体化，对控制系统、驱动系统和感知系统进行了高度集成；控制板建立了多功能控制模块，包含了200个输入输出接口，且控制层的子板具有可更换的特性；驱动板设计实现了200Hz频率输出，相比传统驱动器提高10倍，并且逻辑模块的使用保证两路PWM信号不同时发出而造成冲突。

附图说明

图1为本发明通用气动肌肉嵌入式控制器分层结构示意图。

图2为本发明控制层的功能模块连接示意图。

图3为本发明控制层电路板软件架构图。

图4为本发明驱动电路板电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为气动肌肉嵌入式控制器分层结构示意图，整个系统包括：控制层、驱动层、感知层。每一层都有自己的一块主电路板，三块主电路板从下往上堆叠，顺序依次为控制层、驱动层、感知层，相邻主电路板之间用铜柱连接。

图2为控制层功能模块分布示意图，其主要包括电源模块、A/D和D/A转换模块、PWM输出模块、计数器模块。电源模块的供电电源采用+24V直流电源，使用汇众公司的隔离式DC-DC电源转换器HZD15D-24D15，将+24V直流电转换为+5V直流电压，用于给A/D转换电路、PWM信号生成器、计数器和气压传感器供电，用电源转换器HZD30D-24S5将+24V直流电转换为+15V直流电，用于给D/A转换电路和高速开关供电；A/D和D/A转换模块，采用A/D转换电路和D/A转换电路实现；A/D转换电路型号为MAX1270芯片，将接收的数字信号转换为模拟量信号输出，该芯片可独立输出不同占空比的脉冲，具有8路12位精度的模拟量输入，采用SPI协议与之进行数据传输，并在前两个输入通道串联高速开关芯片ADG506进行通道扩展，使其模拟量通道扩展至38路；D/A转换电路型号为AD公司的AD5724R芯片，将接收的数字信号转换为模拟量信号，采用SPI总线协议，通过芯片的片选端口扩展两个芯片实现8路模拟量输出；PWM输出模块采用两个PCA9685芯片实现，芯片的通讯协议为串行通讯I2C协议，每个芯片有16路PWM输出通道，每路输出的精度为12位，其输出频率可调，频率范围为24Hz-1526Hz，能够满足控制要求；计数器模块采用可编程逻辑器件CPLD完成，采用的CPLD型号为ALTER公司的EPM7128SLC-15芯片，CPLD对编码器信号进行倍频、鉴相、计数、锁存等操作，此方案使得该模块易于修改，扩展性强；子板模块选用不同的微处理器，本发明子板采用的微处理器型号为Arduino mega2560，用于接收、处理、输出数字信号，并进行通讯。

图3为控制层电路板软件架构图。电路板的核心为微处理器型Arduino mega2560，实现4个信号的传输，分别为输出模拟量、输入模拟量、给计数器输出信号、输出PWM信号。D/A转换芯片采用AD5724R，使用该芯片通过SPI总线实现从微处理器向外输出模拟量信号；A/D转换芯片采用MAX1270，使用该芯片通过SPI总线实现从外界到微处理器的模拟量输入；PWM信号的生成采用NXP公司的PCA9685，使用该芯片通过I2C总线实现微处理器向外输出PWM信号；通过UART通信协议实现从微处理器向计数器发出控制信号。

图4为驱动层电路原理图。采用电压跟随器和开关三极管串联的形式，按照该原理图焊接电路板。其中使用LM324运放作为同相电压跟随器，其主要作用是增加输入阻抗，以及减小驱动器对控制器的压力；由于运放具有较小的输出阻抗，从而可以更容易驱动下级电路；三极管用TIP31作为放大器使用，它具有性能稳定、价格低廉、便于寻找等优点；和高速开关电磁阀并联的二极管可以起到泄流作用，由于高速开关电磁阀内有电感线圈，在电压突变时电流无法突变，所以此时二极管可以消耗掉剩余电路使电磁阀能高速开关。

Claims (5)

1.一种通用气动肌肉嵌入式控制器，其特征在于，包括控制层、驱动层和感知层；控制层、驱动层与感知层之间互联，控制层负责接收感知层的测量数据，并将控制信号发送给驱动层；

控制层的电路板为控制板，控制板采用子母板结构，母板是通用I/O接口板，母板包括AD/DA转换模块、子板模块、PWM输出模块和电源模块，母板实现多功能集成和多接口输入输出；子板模块采用可替换的微处理器，提高了通用性；AD/DA转换模块包含A/D转换电路和D/A转换电路，AD/DA转换模块通过子板模块与PWM输出模块连接，感知层的传感器采集的模拟量信号传送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号发送给子板模块；子板模块处理后通过D/A转换电路转换为模拟量信号传送给PWM输出模块；所述电源模块与给AD/DA转换模块、PWM输出模块、驱动层和感知层连接，用于电能供给；

感知层包括气压传感器和位移传感器，气压传感器用于测量气动肌肉的气压，位移传感器测量气动肌肉的长度，并将测量数据传递给控制层；

驱动层的电路板为驱动板，驱动板负责接收控制层发送的PWM控制信号，并根据控制信号驱动气动肌肉；驱动层包括PWM信号放大电路和高速开关阀；PWM信号放大电路的输入端与控制层的PWM输出模块连接，接收PWM输出模块产生的PWM信号，PWM信号放大电路的输出端与高速开关阀连接，PWM信号放大电路将PWM信号放大后，向高速开关阀输出控制信号；

PWM信号放大电路的具体结构如下：

PWM输出模块产生的PWM信号分为两路，一路与第一74LS08的反相输入端连接，另一路与第二74LS08的反相输入端连接；微处理器发出逻辑信号Switch分为两路，一路通过74LS14与第一74LS08的同相输入端连接，另一路与第二74LS08的同相输入端连接；

第一74LS08的输出端并联一个10kΩ电阻，10kΩ电阻另一端通过光耦开关接地，第一74LS08的输出端与第一LM324运放的同相输入端连接，第一LM324起到同相电压跟随器的作用，用于增加输入阻抗以及减小驱动器对控制器的压力；第一LM324的电源正极与控制层的电源模块+5V连接，电源负极接地，第一LM324反相输入端与输出端并联；第一LM324的输出端通过100Ω电阻与三极管TIP31的基极串联，三极管的发射极接地，集电极与另一路的三极管的集电极并联；

第二74LS08的输出端并联一个10kΩ电阻，10kΩ电阻另一端通过光耦开关接地，第二74LS08的输出端与第二LM324运放的同相输入端连接，第二LM324起到同相电压跟随器的作用，用于增加输入阻抗以及减小驱动器对控制器的压力；第二LM324的电源正极与控制层的电源模块+5V连接，电源负极接地，第二LM324反相输入端与输出端并联；第二LM324的输出端通过100Ω电阻与第一三极管TIP31的基极串联，第一三极管TIP31的发射极接地，第一三极管TIP31的集电极与另一路的第二三极管TIP31的集电极并联；

两路三极管TIP31的集电极并联且通过二极管与控制层的电源模块+24V连接，高速开关阀的正极与二极管正极并联，高速开关阀的负极与二极管负极并联。

2.如权利要求1所述的一种通用气动肌肉嵌入式控制器，其特征在于，所述电源模块，包括+24V供电电源、+24V转换成+5V的DC-DC电源转换器和+24V转换成+15V的DC-DC电源转换器；+24V转换成+5V的DC-DC电源转换器将+24V直流电转换为+5V直流电压，用于给A/D转换电路、PWM输出模块、驱动层的运放LM324和感知层的气压传感器供电；+24V转换成+15V的DC-DC电源转换器将+24V直流电转换为+15V直流电，用于给D/A转换电路和高速开关阀供电。

3.如权利要求1或2所述的一种通用气动肌肉嵌入式控制器，其特征在于，PWM信号放大电路只有一路PWM信号输入的情况下，一次只输出一路PWM信号，另一路不输出PWM信号；PWM信号放大电路的每两路输出与一个高速开关阀的输入端连接，实现控制高速开关阀的开合，一路控制气动肌肉的充气，另一路控制气动肌肉的放气，两路电路不能同时通入PWM信号；高速开关阀与气动肌肉的输入气路连通，实现气动肌肉的充放气。

4.如权利要求1或2所述的一种通用气动肌肉嵌入式控制器，其特征在于，所述的气压传感器与气动肌肉的气路连通，多个气压传感器固定在感知层的电路板，该电路板置于驱动层电路板的上方；位移传感器固定在气动肌肉的一侧，与气动肌肉平行；气压传感器和位移传感器的信号输出端都与控制层的A/D转换电路输入端连接，从而将测量数据传递给控制层。

5.如权利要求1或2所述的一种通用气动肌肉嵌入式控制器，其特征在于，所述子板模块采用微处理器；D/A转换电路与微处理器连接，微处理器向D/A转换电路输出数字信号；A/D转换电路与微处理器连接，A/D转换电路向微处理器输入数字信号；微处理器与PWM输出模块连接，从微处理器向PWM生成器输出控制信号。