CN202053255U - 一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有人机界面功能的多舵机机器手控制系统，包括电源电路、单片机电路、初始位置检测电路、主电流控制电路、舵机PWM控制电路、HMI接口电路及电流检测电路。电源电路为系统提供所需的工作电压，单片机电路经引出线分别与电源电路、初始位置检测电路、主电流控制电路、舵机PWM控制电路、HMI接口电路及电流检测电路相连；舵机PWM控制电路经引出线与主电流控制电路及电流检测电路相连。本实用新型使用价格低、性能适中、稳定可靠并具有RS232接口功能的人机界面，通过与MCU之间的通信实现以舵机为驱动电机的机械手系统控制，并同时具有电流检测、断电保护和机械手初始位置检测等功能。

Description

一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用人机界面通讯技术的运动控制系统，特别是一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统。

背景技术

传统的工业机器人控制一般采用离线编程方式或示教方式，机械手一般采用专用运动控制器配合MCU或DSP控制板方式。这几种控制方式存在交互性差、控制人员无法实时了解机器人或机械手末端执行器当前位姿和速度等信息及无法实时变更控制参数等诸多问题。

经对现有技术的文献检索发现，蔡文明等在《浙江工贸职业技术学院学报》2008年第8卷第3期第25-28页上发表的“人机界面与PLC在物料分拣系统中的应用”，该文采用TP460-T型触摸屏通过与三菱FX2N型PLC硬件的连接，及触摸屏、PLC和机械手之间的通信实现了全新的图形操作界面和物料分拣功能。但这种技术存在系统价格昂贵、需要中间控制PLC、通信环节多和协议复杂的缺点。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，包括：电源电路，单片机电路，所述单片机电路分别连接初始位置检测电路、主电流控制电路、舵机PWM控制电路、HMI接口电路及电流检测电路；其中主电流控制电路连接舵机PWM控制电路，舵机PWM控制电路连接电流检测电路；

所述初始位置检测电路检测最底端舵机和机器手关节的初始位置；

所述人机界面经HMI接口电路发送相应的舵机位置信号至单片机电路；所述单片机电路发送通路信号至主电流控制电路，并根据通信协议发送PWM信号至相应的舵机PWM控制电路，实现舵机和机械手的位置控制；

所述电流检测电路对舵机电流进行I/V转换和放大后馈入单片机电路，经A/D转换后输入舵机PWM控制电路和主电流控制电路；在电流超过舵机的额定电流时，单片机电路发送断路信号至主电流控制电路，关闭主电流电路和相应舵机的PWM信号以实现机械手的过流保护，同时在人机界面HMI显示报警信息。

所述的电源电路，其核心为一块电源管理芯片，用于将外部电源提供的+12V电压转换为+3.3V直流电压，为系统供电。

本实用新型中，所述的单片机电路，其核心为一块MCU芯片，用于急停、初始位置检测、主电流控制电路通断、舵机PWM控制信号输出、与HMI通信及主电流控制电路电流检测等功能。优选地，所述单片机电路包括单片机芯片U2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R1、电阻R2、电感L1、按键开关SW1、发光管LED2、电阻R23、电容C16、电容C22、续流二极管D8及按键开关SW3；单片机芯片U2的引脚VCC端并联后接电源VCC，并分别经电容C3及电容C4去耦至地；单片机芯片U2的引脚GND端并联后接地GND；单片机芯片U2的引脚PB0/ICP端经电阻R2、发光管LED2后接电源VCC；单片机芯片U2的引脚AVEF端经电容C5接地；单片机芯片U2的引脚AVCC端经电感L1上拉至VCC并经电容C6去耦至地；单片机芯片U2的引脚ADC6端经引出线与电流检测电路相连，用于流经主电流控制回路及舵机的电流检测；单片机芯片U2的引脚PC0/ADC0端、引脚PC1/ADC1端、引脚PC2/ADC2端、引脚PC3/ADC3端、引脚PC4/ADC4端及引脚PC5/ADC5端经引出线与舵机PWM控制电路相连，用于驱动舵机PWM信号的转换和缓冲；单片机芯片U2的引脚PC6/RESET端经并联的电阻R23及反向二极管D8上拉至VCC，并经过按键开关SW3、电容C16及电容C22接地；二极管D8构成电容C16及电容C22的泄荷及放电回路；单片机芯片U2的引脚PD0/RXD端、引脚PD1/TXD端经引出线与HMI接口电路相连，用于人机界面与单片机芯片U2的数据通讯；单片机芯片U2的引脚PD3/INT1端经电阻R1上拉至VCC，并经电容C7及按键开关SW1接地，用于系统起始与急停控制；单片机芯片U2的引脚PD4/T0/XCK端经引出线与主电流控制电路相连，用于主电流控制电路的通路、断路控制；单片机芯片U2的引脚PD7/AIN1端经引出线与所述初始位置检测电路相连。

本实用新型中，所述的初始位置检测电路，核心是一反射式光电传感器，用于最底端舵机和关节的初始位置检测。优选地，所述初始位置检测电路包括电阻R37、电阻R38及反射式光电二极管J20；反射式光电二极管J20的引脚GND接地；引脚IN1端经电阻R37上拉至VCC，引脚IN2端经引出线与所述单片机芯片U2的引脚PD7/AIN1端相连用于机器手最下端舵机和机器手关节初始位置检测与反馈。

本实用新型中，所述的主电流控制电路，核心是一大功率MOSFET管和由两个三极管组成的推挽驱动电路，用于在单片机电路控制下的舵机PWM控制电路的驱动电压和驱动电流通断控制。优选地，所述主电流控制电路包括电阻R15、电阻R16、三极管Q8、三极管Q9、二极管D2、二极管D4、电容C13、电容C14及 MOSFET管Q20；所述三极管Q8、三极管Q9的基极并联后经电阻R15与单片机芯片U2的引脚PD4/T0/XCK端相连，三极管Q8的集电极上拉，并经电容C13去耦至地；三极管Q8的发射极与三极管Q9的发射极并联，再经并联的电阻R16及二极管D4与MOSFET管Q20的栅极相连；电阻R16为MOSFET管Q20的限流电阻，二极管D4为MOSFET管Q20的快速泄流电路；MOSFET管Q20的漏极接至V12，并经电容C14接地；MOSFET管Q20的源极经二极管D2和二极管D3上拉，再经引出线与舵机PWM控制电路相连；二极管D2、二极管D3为主电流控制电路的泄荷二极管。

本实用新型中，所述的舵机PWM控制电路，核心是由NPN三极管组成的反相器电路，在单片机电路控制下向舵机发送所需位置控制的PWM信号。优选地，所述舵机PWM控制电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R40、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7及舵机J5、舵机J6、舵机J7、舵机J8、舵机J9、舵机J10；三极管Q2的基极经电阻R3与单片机芯片U2的引脚PC0/ADC0端相连，集电极经电阻R6上拉至VCC并与舵机J5的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J5的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R3、电阻R6及三极管Q2构成舵机J5的反相PWM转换与缓冲电路；三极管Q3的基极经电阻R4与单片机芯片U2的引脚PC3/ADC3端相连，集电极经电阻R7上拉至VCC并与舵机J6的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J6的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R4、电阻R7及三极管Q3构成舵机J6的反相PWM转换与缓冲电路；三极管Q4的基极经电阻R40与单片机芯片U2的引脚PC1/ADC1端相连，集电极经电阻R9上拉至VCC并与舵机J7的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J7的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R40、电阻R9及三极管Q4构成舵机J7的反相PWM转换与缓冲电路；三极管Q5的基极经电阻R8与单片机芯片U2的引脚PC4/ADC4端相连，集电极经电阻R10上拉至VCC并与舵机J8的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J8的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R8、电阻R10及三极管Q5构成舵机J8的反相PWM转换与缓冲电路；三极管Q6的基极经电阻R11与单片机芯片U2的引脚PC2/ADC2端相连，集电极经电阻R13上拉至VCC并与舵机J9的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J9的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R11、电阻R13及三极管Q6构成舵机J9的反相PWM转换与缓冲电路；三极管Q7的基极经电阻R12与单片机芯片U2的引脚PC5/ADC5端相连，集电极经电阻R14上拉至VCC并与舵机J10的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J10的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R12、电阻R14及三极管Q7构成舵机J10的反相PWM转换与缓冲电路。

本实用新型中，所述的HMI接口电路，核心是以TTL/RS232电平转换芯片，同于人机界面和MCU的接口和电平信号转换。优选地，所述HMI接口电路包括接口芯片U3、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11以及电容C12及人机界面J4；接口芯片U3的引脚VCC端接电源VCC，并经电容C8去耦至地；电容C9分别与接口芯片U3的引脚C1+端及引脚C1-端相连，电容C10分别与接口芯片U3的引脚C2+端及引脚C2-端相连，接口芯片U3的引脚V+端经电容C11上拉至VCC，接口芯片U3的引脚V-端经电容C12接地；电容C9、电容C10、电容C11以及电容C12构成接口芯片U3的充放电电容；接口芯片U3的引脚R2OUT端经引出线与单片机芯片U2的引脚PD0/RXD端相连，引脚T2IN端经引出线与单片机芯片U2的引脚PD1/TXD端相连；接口芯片U3的引脚GND端接地；人机界面J4的引脚VDD端接V12电压，引脚DO端与单片机芯片U3的引脚R2IN端相连，引脚DI端与单片机芯片U3的引脚T2OUT端相连，构成HMI接口电路与主控单片机的数据通讯回路；人机界面J4的引脚GND端并联后接地。

本实用新型中，所述的电流检测电路，核心是一反相电源管理芯片和集成运放芯片，用于将采样电阻采集的舵机电流信号放大至0～3V的模拟电压信号。送入单片机电路后经A/D转换换算为流经舵机的电流大小，在电流超过舵机的额定电流后单片机电路送出控制信号至主电流控制电路，系统关断主电流控制电路和相应的PWM控制信号实现机械手在卡死等情况下的过流保护功能。优选地，所述电流检测电路包括反相电源芯片U4、集成运放芯片U5、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C22、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30及电阻R45；电容C17分别与反相电源芯片U4的引脚CAP+端及引脚CAP-端相连；反相电源芯片U4的引脚VI端接电源VCC，引脚VSS端接地，引脚VO端与集成运放芯片U5的引脚V-端相连，并经电容C18去耦至地；电阻R24经引出线与舵机PWM控制电路中舵机J5、舵机J6、舵机J7、舵机J8、舵机J9、舵机J10的引脚GND相连，并经电阻R45和电容C22组成的低通滤波网络及电阻R25与集成运放芯片U5的引脚IN1-端相连；集成运放芯片U5的引脚IN1+端经电阻R27接地，电阻R26分别与集成运放芯片U5的引脚IN1-端及引脚OUT1端相连，构成第一级反相放大电路；集成运放芯片U5的引脚OUT1端经电阻R28与引脚IN2-端相连，引脚IN2+端经电阻R30接地，电阻R29分别与引脚IN2-端及引脚OUT2端相连，构成系统第二级反相放大电路；集成运放芯片U5的引脚OUT2端经引出线与单片机芯片U2的引脚ADC6端相连，构成系统I/V及A/D转换回路；集成运放芯片U5的引脚V+端与电源VCC相连，并经电容C20去耦至地。

本发明的信息处理内容和流程为：系统上电后，初始位置检测电路检测最底端舵机和关节的初始位置。人机界面经HMI接口电路发送相应的舵机位置信号至单片机电路，单片机电路发送“通”信号至主电流控制电路，同时发送PWM信号至相应的舵机PWM控制电路，实现舵机和机械手的位置控制。电流检测电路对使用采样电阻采集的舵机电流进行I/V转换和放大后馈入单片机电路，经A/D转换后换算为流经舵机和主电流电路的电流。在电流超过舵机的额定电流后，单片机电路发送“断”信号至主电流控制回路，关闭主电流电路和相应舵机的PWM信号以实现机械手的过流保护，同时在人机界面HMI提示报警信息。

本发明与传统背景技术相比，所具有的有益效果包括以下几点。

1、性能稳定、价格低廉，采用低成本和高可靠性的HMI人机界面和单片机为控制核心。

2、在线升级功能，选用具有ISP功能的MCU，无需拆卸即可实现控制软件的升级。

3、高可靠性，MCU电路板上含有电流检测环节，便于在舵机过流时实现断电保护功能。采用内置时钟电路和复位电路，进一步提高了EMI/EMC能力。

4、初始位置检测功能，一般的机器手控制系统采用行程开关为位置检测元件，仅具有极限位置检测而无初始位置检测功能。采用反射式光电传感器为初始位置检测元件便于实现零位检测和精确的位置控制。

5、应用范围广，采用MCU内部的软件定时器并结合嵌入式系统编程技术最多可实现35路软件PWM，无需其他硬件电路和芯片即可实现多个以舵机为驱动电机的机械手的协调控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的结构框图。

图2是电源电路原理图。

图3是单片机电路原理图。

图4是初始位置检测电路原理图。

图5是主电流控制电路原理图。

图6是舵机PWM控制电路原理图。

图7是HMI接口电路原理图。

图8是电流检测电路原理图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例包括：电源电路a，单片机电路b，初始位置检测电路c，主电流控制电路d，舵机PWM控制电路e，HMI接口电路f以及电流检测电路g。电源电路a为系统提供所需的工作电压，单片机电路b经引出线分别与电源电路a、初始位置检测电路c、主电流控制电路d、舵机PWM控制电路e、HMI接口电路f及电流检测电路g相连；舵机PWM控制电路e经引出线与主电流控制电路d及电流检测电路g相连。

本实施例系统上电后，初始位置检测电路c检测最底端舵机和关节的初始位置。人机界面经HMI接口电路f发送相应的舵机位置信号至单片机电路b，单片机电路b发送“通”信号至主电流控制电路d，并根据通信协议发送PWM信号至相应的舵机PWM控制电路e，实现舵机和机械手的位置控制。电流检测电路g对使用采样电阻采集的舵机电流进行I/V转换和放大后馈入单片机电路b，经A/D转换后换算为流经舵机和主电流电路的电流。在电流超过舵机的额定电流后，单片机电路发送“断”信号至主电流控制电路d，关闭主电流电路和相应舵机的PWM信号以实现机械手的过流保护，同时在人机界面HMI提示报警信息。

如图2所示，电源电路a包括: 接头J1、二极管D1、电容C1、电源管理芯片U1及电容C2。其中: 接头J1的P2引脚接地，引脚P1输入V12电压，经二极管D1与电源管理芯片U1的Vin引脚相连，并经过电容C1去耦至地。电源管理芯片U1的GND引脚接地，Vout引脚经电容C2去耦至地后为系统提供3.3V电源。

所述的电源管理芯片U1，采用National Semiconductor公司的LM1117-3.3芯片。工作参数: 输入电压范围4.5 ~ 20V，输出电压3.3V，最大输出电流1.2V。

如图3所示，单片机电路b包括: 单片机芯片U2、电容C3 ~ C7、电阻R1~R2、电感L1、按键开关SW1、发光管LED2、电阻R23、电容C16、电容C22、续流二极管D8及按键开关SW3。其中: 单片机芯片U2的VCC引脚并联后接VCC，并经电容C3及C4去耦至地。GND引脚并联后接GND。PB0/ICP引脚经电阻R2及发光管LED2接VCC。电阻R2及发光管LED2组成工作指示回路。AVEF引脚经电容C5接地。AVCC引脚经电感L1上拉至VCC并经电容C6去耦至地。引脚ADC6经引出线与电流检测电路g相连，用于流经主电流控制回路d及舵机的电流检测。PC0/ADC0引脚、PC1/ADC1引脚、PC2/ADC2引脚、PC3/ADC3引脚、PC4/ADC4引脚及PC5/ADC5引脚经引出线与舵机PWM控制电路e相连，用于驱动舵机PWM信号的转换和缓冲。PC6/RESET引脚经并联的电阻R23及反向二极管D8上拉至VCC，并经过按键开关SW3、电容C16及电容C22接地。二极管D8构成电容C16及电容C22的泄荷及放电回路。PD0/RXD引脚、PD1/TXD引脚经引出线与HMI接口电路f相连，用于人机界面与单片机芯片U2的数据通讯。PD3/INT1引脚经电阻R1上拉至VCC，并经电容C7及按键开关SW1接地，用于系统起始与急停控制。PD4/T0/XCK引脚经引出线与主电流控制电路d相连，用于主电流控制电路d的通、断控制。PD7/AIN1引脚经引出线与初始位置检测电路c相连。

所述的单片机芯片U2，为Atmel公司的ATmega8A MCU芯片。工作参数: 8K Flash, 1K SRAM, 512B EEPROM, 最大频率16MHz, +2.7~ 5.5V工作电压，2个带独立预分频器的8位定时器/计数器，1个带预分频器、比较模式和捕捉模式的16位定时器/计数器，3个PWM通道，6通道10位ADC，TWI两线接口，SPI同步串口，可编程串行UART，片上模拟比较器，ISP能力，工作电流3.6mA。

如图4所示，初始位置检测电路c包括:电阻R37~ R38及反射式光电二极管J20。其中:反射式光电二极管J20的GND引脚分别接地。IN1引脚经电阻R37上拉至VCC，IN2引脚经引出线与单片机电路b中单片机芯片U2的PD7/AIN1引脚相连用于机械手最下端舵机和关节初始位置检测与反馈。

所述的反射式光电二极管J20，采用NOHM公司的RPR220反射式光电二极管。工作参数: 前向输入电压5V，电流50mA。输出端集电极-发射极电压30V，发射极-集电极电压正向压降4.5V，集电极电流30mA。探测距离6mm。

如图5所示，主电流控制电路d包括: 电阻R15~ R16、三极管Q8~ Q9、二极管D2~D4、电容C13~ C14及 MOSFET管Q20。其中:三极管Q8、三极管Q9的基极并联后经电阻R15与单片机电路b中单片机芯片U2和PD4/T0/XCK引脚相连，三极管Q8的集电极上拉至V12，并经电容C13去耦至地。三极管Q8的发射极与三极管Q9的发射极并联，再经并联的电阻R16及二极管D4与MOSFET管Q20的G极相连。电阻R16为MOSFET管Q20的限流电阻，二极管D4为MOSFET管Q20的快速泄流电路。MOSFET管Q20的D极接至V12，并经电容C14接地。MOSFET管Q20的源极经二极管D2~D3上拉至V12，再经引出线与舵机PWM控制电路e相连。二极管D2~D3为主电流控制电路d的泄荷二极管。

所述的MOSFET管Q20，为IR公司的IRFP054 MOSFET芯片。工作参数:最大G极连续电流70A10V，G极-源极电压±20V。

如图6所示，舵机PWM控制电路e包括: 电阻R3~ R4、电阻R6~ R14、电阻R40、三极管Q2~Q7及舵机J5~J10。其中，三极管Q2的基极经电阻R3与单片机电路b中单片机芯片U2的PC0/ADC0引脚相连，集电极经电阻R6上拉至VCC并与舵机J5的PWM引脚相连，发射极接地。舵机Q5的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R3、电阻R6及三极管Q2构成舵机J5的反相PWM转换与缓冲电路。三极管Q3的基极经电阻R4与单片机电路b中单片机芯片U2的PC3/ADC3引脚相连，集电极经电阻R7上拉至VCC并与舵机J6的PWM引脚相连，发射极接地。舵机J6的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R4、电阻R7及三极管Q3构成舵机J6的反相PWM转换与缓冲电路。三极管Q4的基极经电阻R40与单片机电路b中单片机芯片U2的PC1/ADC1引脚相连，集电极经电阻R9上拉至VCC并与舵机J7的PWM引脚相连，发射极接地。舵机J7的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R40、电阻R9及三极管Q4构成舵机J7的反相PWM转换与缓冲电路。三极管Q5的基极经电阻R8与单片机电路b中单片机芯片U2的PC4/ADC4引脚相连，集电极经电阻R10上拉至VCC并与舵机J8的PWM引脚相连，发射极接地。舵机J8的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R8、电阻R10及三极管Q5构成舵机J8的反相PWM转换与缓冲电路。三极管Q6的基极经电阻R11与单片机电路b中单片机芯片U2的PC2/ADC2引脚相连，集电极经电阻R13上拉至VCC并与舵机J9的PWM引脚相连，发射极接地。舵机J9的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R11、电阻R13及三极管Q6构成舵机J9的反相PWM转换与缓冲电路。三极管Q7的基极经电阻R12与单片机电路b中单片机芯片U2的PC5/ADC5引脚相连，集电极经电阻R14上拉至VCC并与舵机J10的PWM引脚相连，发射极接地。舵机J10的VIN引脚经引出线与主电流电路d中MOSFET管Q20的源极相连，GND引脚经引出线与电流检测电路g相连。电阻R12、电阻R14及三极管Q7构成舵机J10的反相PWM转换与缓冲电路。

所述的舵机J5~J10，为SM-S4306R机器人用舵机。工作参数:工作电压6V，转速60RPM，力矩6.2Kg．cm。

如图7所示，HMI接口电路包括:接口芯片U3、电容C8~C12及人机界面J4。其中:接口芯片U3的VCC引脚接VCC，并经电容C8去耦至地。电容C9分别与接口芯片U3的C1+引脚及C1-引脚相连，电容C10分别与接口芯片U3的C2+引脚及C2-引脚相连，接口芯片U3的V+引脚经电容C11上拉至VCC，接口芯片U3的V-引脚经电容C12接地。电容C9~C12构成接口芯片U3的充放电电容。接口芯片U3的R2OUT引脚经引出线与单片机电路b中单片机芯片U2的PD0/RXD引脚相连，T2IN引脚经引出线与单片机电路b中单片机芯片U2的PD1/TXD引脚相连。接口芯片U3的GND引脚接地。人机界面J4的VDD引脚接V12，DO引脚与单片机芯片U3的R2IN引脚相连，DI引脚与单片机芯片U3的T2OUT引脚相连，构成HMI与主控单片机的数据通讯回路。人机界面J4的GND引脚并联后接地。

所述的接口芯片U3，为Sipex公司SP3232 3.3TTL/RS232网络接口芯片。工作参数: 工作电压3.0~5.0V，2个RX通道，2个TX通道，工作电流0.3~1.0mA。

所述的人机界面J4，为800640型四线多彩触摸屏。工作参数: 工作电压4.5~25V，工作电流<350mA。

如图8所示，电流检测电路包括:反相电源芯片U4、集成运放芯片U5、电容C17~C20、电容C22、电阻R24~R30及电阻R45。其中: 电容C17分别与反相电源芯片U4的CAP+引脚及CAP-引脚相连。反相电源芯片U4的VI引脚接VCC，VSS引脚接地，VO引脚与集成运放芯片U5的V-引脚相连，并经电容C18去耦至地。电阻R24经引出线与舵机PWM控制电路e中舵机J5~J10并联的GND引脚相连，并经电阻R45和电容C22组成的低通滤波网络及电阻R25与集成运放芯片U5的IN1-引脚相连。集成运放芯片U5的IN1+引脚经电阻R27接地，电阻R26分别与集成运放芯片U5的IN1-引脚及OUT1引脚相连，构成第一级反相放大电路。集成运放芯片U5的OUT1引脚经电阻R28与IN2-引脚相连，IN2+引脚经电阻R30接地，电阻R29分别与IN2-引脚及OUT2引脚相连，构成系统第二级反相放大电路。OUT2引脚经引出线与单片机电路b中单片机芯片U2的ADC6引脚相连，构成系统I/V及A/D转换回路。集成运放芯片U5的V+引脚与VCC相连，并经电容C20去耦至地。

所述的反相电源芯片U4，为Holtek公司HT7660电源反相芯片。工作参数:输入电压3~12V。

所述的集成运放芯片U5，为National Semiconductor公司LM358芯片。工作参数:工作电压3~32V/±1.5~16V，输入偏置电压2mV，带宽1MHz，最大直流电压增益100。

下面对本实施例的具体工作过程说明。

1、  系统上电，初始位置检测电路检测最底端舵机和关节的初始位置。

2、  人机界面经HMI接口电路发送相应的舵机位置信号至单片机电路，单片机电路发送“通”信号至主电流控制电路，主电流控制电路接通。单片机电路同时发送PWM信号至相应的舵机PWM控制电路，实现舵机和机械手的位置控制。

3、  电流检测电路使用采样电阻采集舵机电流，进行I/V转换和放大后馈入单片机电路，再经A/D转换后换算为流经舵机和主电流电路的电流。在电流超过舵机的额定电流后，单片机电路发送“断”信号至主电流控制电路，关闭主电流电路和相应舵机的PWM信号以实现机械手的过流保护，同时在人机界面HMI提示报警信息。

本实用新型使用价格低、性能适中、稳定可靠并具有RS232接口功能的人机界面，通过与MCU之间的通信实现以舵机为驱动电机的机械手系统控制，并同时具有电流检测、断电保护和机械手初始位置检测等功能。

本实用新型提供了一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，包括：电源电路，单片机电路，所述单片机电路分别连接初始位置检测电路、主电流控制电路、舵机PWM控制电路、HMI接口电路及电流检测电路；其中主电流控制电路连接舵机PWM控制电路，舵机PWM控制电路连接电流检测电路；

所述初始位置检测电路检测最底端舵机和机器手关节的初始位置；

所述人机界面经HMI接口电路发送相应的舵机位置信号至单片机电路；所述单片机电路发送通路信号至主电流控制电路，并根据通信协议发送PWM信号至相应的舵机PWM控制电路，实现舵机和机械手的位置控制；

所述电流检测电路对舵机电流进行I/V转换和放大后馈入单片机电路，经A/D转换后输入舵机PWM控制电路和主电流控制电路；在电流超过舵机的额定电流时，单片机电路发送断路信号至主电流控制电路，关闭主电流电路和相应舵机的PWM信号以实现机械手的过流保护，同时在人机界面HMI显示报警信息。

2.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述单片机电路包括单片机芯片U2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R1、电阻R2、电感L1、按键开关SW1、发光管LED2、电阻R23、电容C16、电容C22、续流二极管D8及按键开关SW3；

单片机芯片U2的引脚VCC端并联后接电源VCC，并分别经电容C3及电容C4去耦至地；单片机芯片U2的引脚GND端并联后接地GND；单片机芯片U2的引脚PB0/ICP端经电阻R2、发光管LED2后接电源VCC；单片机芯片U2的引脚AVEF端经电容C5接地；单片机芯片U2的引脚AVCC端经电感L1上拉至VCC并经电容C6去耦至地；单片机芯片U2的引脚ADC6端经引出线与电流检测电路相连，用于流经主电流控制回路及舵机的电流检测；单片机芯片U2的引脚PC0/ADC0端、引脚PC1/ADC1端、引脚PC2/ADC2端、引脚PC3/ADC3端、引脚PC4/ADC4端及引脚PC5/ADC5端经引出线与舵机PWM控制电路相连，用于驱动舵机PWM信号的转换和缓冲；单片机芯片U2的引脚PC6/RESET端经并联的电阻R23及反向二极管D8上拉至VCC，并经过按键开关SW3、电容C16及电容C22接地；二极管D8构成电容C16及电容C22的泄荷及放电回路；单片机芯片U2的引脚PD0/RXD端、引脚PD1/TXD端经引出线与HMI接口电路相连，用于人机界面与单片机芯片U2的数据通讯；单片机芯片U2的引脚PD3/INT1端经电阻R1上拉至VCC，并经电容C7及按键开关SW1接地，用于系统起始与急停控制；单片机芯片U2的引脚PD4/T0/XCK端经引出线与主电流控制电路相连，用于主电流控制电路的通路、断路控制；单片机芯片U2的引脚PD7/AIN1端经引出线与所述初始位置检测电路相连。

3.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述初始位置检测电路包括电阻R37、电阻R38及反射式光电二极管J20；反射式光电二极管J20的引脚GND接地；引脚IN1端经电阻R37上拉至VCC，引脚IN2端经引出线与所述单片机芯片U2的引脚PD7/AIN1端相连用于机器手最下端舵机和机器手关节初始位置检测与反馈。

4.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述主电流控制电路包括电阻R15、电阻R16、三极管Q8、三极管Q9、二极管D2、二极管D4、电容C13、电容C14及 MOSFET管Q20；

所述三极管Q8、三极管Q9的基极并联后经电阻R15与单片机芯片U2的引脚PD4/T0/XCK端相连，三极管Q8的集电极上拉，并经电容C13去耦至地；三极管Q8的发射极与三极管Q9的发射极并联，再经并联的电阻R16及二极管D4与MOSFET管Q20的栅极相连；电阻R16为MOSFET管Q20的限流电阻，二极管D4为MOSFET管Q20的快速泄流电路；MOSFET管Q20的漏极接至V12，并经电容C14接地；MOSFET管Q20的源极经二极管D2和二极管D3上拉，再经引出线与舵机PWM控制电路相连；二极管D2、二极管D3为主电流控制电路的泄荷二极管。

5.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述舵机PWM控制电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R40、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7及舵机J5、舵机J6、舵机J7、舵机J8、舵机J9、舵机J10；

三极管Q2的基极经电阻R3与单片机芯片U2的引脚PC0/ADC0端相连，集电极经电阻R6上拉至VCC并与舵机J5的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J5的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R3、电阻R6及三极管Q2构成舵机J5的反相PWM转换与缓冲电路；

三极管Q3的基极经电阻R4与单片机芯片U2的引脚PC3/ADC3端相连，集电极经电阻R7上拉至VCC并与舵机J6的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J6的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R4、电阻R7及三极管Q3构成舵机J6的反相PWM转换与缓冲电路；

三极管Q4的基极经电阻R40与单片机芯片U2的引脚PC1/ADC1端相连，集电极经电阻R9上拉至VCC并与舵机J7的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J7的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R40、电阻R9及三极管Q4构成舵机J7的反相PWM转换与缓冲电路；

三极管Q5的基极经电阻R8与单片机芯片U2的引脚PC4/ADC4端相连，集电极经电阻R10上拉至VCC并与舵机J8的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J8的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R8、电阻R10及三极管Q5构成舵机J8的反相PWM转换与缓冲电路；

三极管Q6的基极经电阻R11与单片机芯片U2的引脚PC2/ADC2端相连，集电极经电阻R13上拉至VCC并与舵机J9的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J9的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R11、电阻R13及三极管Q6构成舵机J9的反相PWM转换与缓冲电路；

三极管Q7的基极经电阻R12与单片机芯片U2的引脚PC5/ADC5端相连，集电极经电阻R14上拉至VCC并与舵机J10的引脚PWM端相连，发射极接地；舵机J10的引脚VIN端经引出线与主电流电路中MOSFET管Q20的源极相连，引脚GND端经引出线与电流检测电路相连；电阻R12、电阻R14及三极管Q7构成舵机J10的反相PWM转换与缓冲电路。

6.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述HMI接口电路包括接口芯片U3、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11以及电容C12及人机界面J4；

接口芯片U3的引脚VCC端接电源VCC，并经电容C8去耦至地；电容C9分别与接口芯片U3的引脚C1+端及引脚C1-端相连，电容C10分别与接口芯片U3的引脚C2+端及引脚C2-端相连，接口芯片U3的引脚V+端经电容C11上拉至VCC，接口芯片U3的引脚V-端经电容C12接地；

电容C9、电容C10、电容C11以及电容C12构成接口芯片U3的充放电电容；接口芯片U3的引脚R2OUT端经引出线与单片机芯片U2的引脚PD0/RXD端相连，引脚T2IN端经引出线与单片机芯片U2的引脚PD1/TXD端相连；接口芯片U3的引脚GND端接地；

人机界面J4的引脚VDD端接V12电压，引脚DO端与单片机芯片U3的引脚R2IN端相连，引脚DI端与单片机芯片U3的引脚T2OUT端相连，构成HMI接口电路与主控单片机的数据通讯回路；人机界面J4的引脚GND端并联后接地。

7.根据权利要求1所述的一种具有人机界面的多舵机机器手控制系统，其特征在于，所述电流检测电路包括反相电源芯片U4、集成运放芯片U5、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C22、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30及电阻R45；

电容C17分别与反相电源芯片U4的引脚CAP+端及引脚CAP-端相连；反相电源芯片U4的引脚VI端接电源VCC，引脚VSS端接地，引脚VO端与集成运放芯片U5的引脚V-端相连，并经电容C18去耦至地；

电阻R24经引出线与舵机PWM控制电路中舵机J5、舵机J6、舵机J7、舵机J8、舵机J9、舵机J10的引脚GND相连，并经电阻R45和电容C22组成的低通滤波网络及电阻R25与集成运放芯片U5的引脚IN1-端相连；

集成运放芯片U5的引脚IN1+端经电阻R27接地，电阻R26分别与集成运放芯片U5的引脚IN1-端及引脚OUT1端相连，构成第一级反相放大电路；集成运放芯片U5的引脚OUT1端经电阻R28与引脚IN2-端相连，引脚IN2+端经电阻R30接地，电阻R29分别与引脚IN2-端及引脚OUT2端相连，构成系统第二级反相放大电路；集成运放芯片U5的引脚OUT2端经引出线与单片机芯片U2的引脚ADC6端相连，构成系统I/V及A/D转换回路；集成运放芯片U5的引脚V+端与电源VCC相连，并经电容C20去耦至地。

Images