CN201322867Y - 一种仿人机器人分布式关节控制电路 - Google Patents

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陈文平
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Abstract

一种仿人机器人分布式关节控制电路，属于计算机应用和电子电路设计技术领域。该控制电路包括：RS－485总线电路、DSP电路、D/A转换以及同相比例放大电路、基于线形光耦的隔离电路、增量进行式编码器信号处理电路；它们的连接关系是DSP电路和RS－485总线相连，DSP电路和D/A转换以及同相比例放大电路相连，D/A转换以及同相比例放大电路和基于线形光耦的隔离电路相连，DSP电路和增量进行式编码器信号处理电路相连，每个关节控制电路和一台电机、驱动器、检测反馈装置构成一个位置伺服系统。优点在于具有简单高效、控制准确、软件稍作改动即可用于其它关节、抗干扰、实时性能好。

Description

一种仿人机器人分布式关节控制电路
技术领域
本实用新型涉及计算机应用和电子电路设计技术领域，特别是提供了一种仿人机器人分布式关节控制电路。
技术背景
仿人机器人具有很多的自由度，每个自由度可以由关节控制电路控制其动作，关节控制电路的性能对运动轨迹至关重要。以往采用的集中控制系统，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系统的整体失效，降低了系统的可靠性和稳定性，因此考虑采用分布式的关节控制电路实现的控制功能。
发明内容
本实用新型专利的目的在于提供一种仿人机器人分布式关节控制电路，克服以往采用的集中控制系统，控制功能高度集中、协调性能差和较大的超调等缺点，并具有简单高效、控制准确、软件稍作改动即可用于其它关节、抗干扰、实时性能好等特点。
本实用新型的控制电路包括，RS-485总线电路、DSP电路、D/A转换以及同相比例放大电路、基于线形光耦的隔离电路、增量进行式编码器信号处理电路。它们的连接关系是DSP电路和RS-485总线相连，完成了和主计算机通信，DSP电路和D/A转换以及同相比例放大电路相连，完成了D/A转换以及同相比例放大，D/A转换以及同相比例放大电路和基于线形光耦的隔离电路相连，完成了抗干扰，DSP电路和增量进行式编码器信号处理电路相连，完成了检测速度和位置。每个关节控制电路和一台电机、驱动器、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统，负责某一个关节变量的具体控制任务。
软件主要由主程序、串口数据接收中断服务程序、控制周期定时中断服务程序组成。运动规划算法由主计算机来实现，同时主计算机还将通过RS-485总线与各关节控制电路通信，负责各关节控制电路的协调工作。
所述的DSP电路由TI公司的2000系列TMS320F240 DSP芯片、晶振电路、上电复位电路组成，上电复位电路电阻和电容的连接处引出一端连接到TMS320F240 DSP芯片的引脚 ，晶振电路的两端连接到TMS320F240 DSP芯片的XTAL2和XTAL1引脚，见附图3。TMS320F240 DSP芯片时钟频率可达20MHz，具有高速的处理能力，片内资源丰富，特别是它特有的内置事件管理器模块，使其在电机控制领域具有非常广泛的应用。该芯片本身尺寸很小，需要外扩的资源不多，节省了电路板的空间。
从DSP电路数据总线中的D0到D11接入DAC芯片(选用DAC7621)的DB0到DB11，D/A转换后由DAC芯片的VOUT出来接到运算放大器芯片LM358(一片LM358有2个运算放大器)其中1个运算放大器的输入端构成的同相比例放大电路，把0～4.095V的信号放大2.5倍，得到0～10V的模拟信号。DAC芯片的片选
Figure Y20082018285500022
输入管脚可以接TMS320F240 DSP芯片的
Figure Y20082018285500023
脚，DAC芯片的R/
Figure Y20082018285500024
脚与TMS320F240 DSP芯片的R/
Figure Y20082018285500024
脚相连，见附图4。
如果驱动和控制器不进行隔离，尖峰将破坏控制器电路中的器件，例如RAM。因此，设计了线形光耦的隔离电路。0～10V的模拟信号接芯片LM358另外一个运算放大器输入端，将输入0～10V电压转换成20mA以内的电流信号，运算放大器输出端接线性光耦芯片(选用HCNR201)的LEO ANO脚，线性光耦芯片的PDO ANO接运算放大器AD8519芯片的入端，运算放大器AD8519芯片输出端接电机驱动器，见附图5。线性光耦芯片起到隔离电流的关系，且输入电流和输出电流呈线性关系。显然，HCNR201两侧电路应采用不同的电源和地，所述的不同的电源和地是指模拟器件的电源和数字器件的电源。LM358中的两片运算放大器采用控制器输入的12V电源供电，而AD8519则采用驱动器输入端提供的10V电压供电。
为了测量电机的位置，通过增量进行式编码器信号处理电路的信号输入接口、电阻和AM26C32编码芯片输出的3个通道的RS-422差分信号转换成TTL电平，得到A，B，Z 3路信号。A，B信号可以接TMS320F240 DSP芯片，TMS320F240 DSP芯片包含在DSP电路中，内部的输入口：CAP1、CAP3、XINT3引脚和CAP2、CAP4引脚，Z信号可以接到TMS320F240 DSP芯片外部中断输入引脚XINT1上，通过中断即可捕捉到Z脉冲，见附图6。TMS320F240 DSP芯片选定一个计数器，设置为双向加/减计数模式。QEP是TMS320F240 DSP芯片内部的正交编码器电路单元的输入口，QEP使能时，A、B信号的两个边沿(上升沿和下降沿)都被QEP计数，因此送到计数器中的信号CLK的频率是A，B信号脉冲频率的4倍；QEP的方向检测逻辑能够测定A，B哪个脉冲序列领先，然后产生一个方向信号DIR，控制计数器的计数方向。Z信号可以接到TMS320F240 DSP芯片外部中断输入引脚XINT1上，通过中断即可捕捉到Z脉冲。
RS-485总线是一种通信总线，TMS320F240 DSP芯片本身不具备RS-485总线接口，但是通过附图7中采用2个485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL电平转换为RS-485电平，TMS320F240 DSP的RXD和TXD引脚分别连接到第1片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引脚，TMS320F240 DSP的SPISIMO和SPISOMI连接到MAX485的使能引脚
Figure Y20082018285500025
，用于控制TMS320F240 DSP芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离，见附图7。485R-、485R+、485W-、485W+是RS-485总线接线。
本实用新型工作原理：运动规划算法由主计算机来实现，同时主计算机还将通过RS-485总线与各关节控制电路通信，负责各关节控制电路的协调工作。每个关节控制电路和一台电机、驱动器、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统，负责某一个关节变量的具体控制任务。
本实用新型优点在于具有面积小适合仿人机器人安装、控制准确、抗干扰、实时性能好，软件稍作改动即可用于其它关节。
附图说明
图1为本实用新型在仿人机器人一个6个自由度机械臂工作示意图。
图2为本实用新型组成结构图。
图3为本实用新型组成结构图的TMS320F240 DSP电路部分。
图4为本实用新型组成结构图的D/A转换以及同相比例放大电路部分。
图5为本实用新型组成结构图的基于线形光耦的隔离电路部分。
图6为本实用新型组成结构图的增量式编码器信号处理电路部分。
图7为本实用新型组成结构图的RS-485总线接口电路部分。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1为本实用新型在仿人机器人一个6个自由度机械臂工作示意图，图2为本实用新型结构图，图3为本实用新型结构图的TMS320F240 DSP电路部分。运动规划算法由主计算机来实现，同时主计算机还将通过图7为本实用新型结构图的RS-485总线接口电路与各关节控制电路通信，负责各关节控制电路的协调工作。主计算机路径规划求得的目标位置，应该换算成增量码盘的脉冲数后，再发给某个关节控制电路。关节控制电路利用它和从增量编码器实际测得的脉冲数进行比较，此过程硬件由图6为本实用新型电路结构图的增量式编码器信号处理电路完成，利用积分分离PID算法求解位置环的控制量，位置环控制器的控制量作为速度环的给定，与速度反馈值比较，再利用积分分离PID算法求解速度环的控制量，经过限幅后，通过D/A输出到驱动器，控制电机运行，此过程硬件由图4的D/A转换以及同相比例放大电路和图5的基于线形光耦的隔离电路完成。整个运动控制算法程序包括主程序、各中断服务程序及相关子程序。主程序完成系统的初始化，当关节控制电路通过RS-485总线接收到主计算机发送的一个字节后，进入串口数据接收中断服务程序，把新接收到的字节读出，存入内存中开辟的数据接收区，置标志位。由主程序中完成主计算机指令的校验、解析、生成相应的应答信息，之后开始发送应答信息。位置环以及速度环控制算法在控制周期定时中断服务程序中完成。

Claims (6)

1、一种仿人机器人分布式关节控制电路，其特征在于，该控制电路包括：RS-485总线电路、DSP电路、D/A转换以及同相比例放大电路、基于线形光耦的隔离电路、增量进行式编码器信号处理电路；它们的连接关系是DSP电路和RS-485总线相连，DSP电路和D/A转换以及同相比例放大电路相连，D/A转换以及同相比例放大电路和基于线形光耦的隔离电路相连，DSP电路和增量进行式编码器信号处理电路相连，每个关节控制电路和一台电机、驱动器、检测反馈装置构成一个位置伺服系统。
2、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的DSP电路由2000系列TMS320F240DSP芯片、晶振电路、上电复位电路组成，上电复位电路电阻和电容的连接处引出一端连接到TMS320F240DSP芯片的引脚，晶振电路的两端连接到TMS320F240DSP芯片的XTAL2和XTAL1引脚。
3、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，从DSP电路数据总线中的D0到D11接入DAC芯片的DB0到DB11，D/A转换后由DAC芯片的VOUT出来接到运算放大器芯片LM358，DAC芯片的片选
Figure Y20082018285500022
输入管脚可以接TMS320F240DSP芯片的
Figure Y20082018285500023
脚，DAC芯片的R/
Figure Y20082018285500024
脚与TMS320F240DSP芯片的R/
Figure Y20082018285500024
脚相连，
4、按照权利要求3所述的电路，其特征在于，DAC芯片选用DAC7621；一片LM358有2个运算放大器。
5、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的线形光耦的隔离电路，0～10V的模拟信号接芯片LM358另外一个运算放大器输入端，运算放大器输出端接线性光耦芯片的LEO ANO脚，线性光耦芯片的PDO ANO接运算放大器AD8519芯片的入端，运算放大器AD8519芯片输出端接电机驱动器，HCNR201两侧电路应采用不同的电源和地，所述的不同的电源和地是指模拟器件的电源和数字器件的电源；LM358中的两片运算放大器采用控制器输入的12V电源供电，而AD8519则采用驱动器输入端提供的10V电压供电。
6、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，RS-485总线是一种通信总线，采用2个485通信芯片MAX485把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL电平转换为RS-485电平，TMS320F240DSP的RXD和TXD引脚分别连接到第1片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引脚，TMS320F240DSP的SPISIMO和SPISOMI连接到MAX485的使能引脚
Figure Y20082018285500025
，用于控制TMS320F240DSP芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离，485R-、485R+、485W-、485W+是RS-485总线接线。
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