一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于ＤＳＰ的模块化机器人独立关节控制器。其技术方案是：电源转换单元１分别与ＣＡＮ通讯单元２、ＤＳＰ芯片３、信息采集反馈单元４、控制驱动单元６、自我保护单元７、接近开关８、直流电源接口９连接，ＤＳＰ芯片３分别与ＣＡＮ通讯单元２、信息采集反馈单元４、控制驱动单元６、自我保护单元７、接近开关８连接，控制驱动单元６分别与自我保护单元７、直流电机５、直流电源接口９连接，信息采集反馈单元４与直流电机５轴连接。该控制器的软件程序集成在ＤＳＰ芯片３中。本发明专利技术结构简单、运算速度快、通讯效率高、能够实现关节精确定位、复位以及零位置检测、具有自我保护功能、扩展方便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器
本专利技术属于机器人运动控制
具体涉及一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器。
技术介绍
随着机器人作业环境及作业任务的日趋复杂，机器人关节控制器正朝着模块化、网络化、计算速度快、功能完善和结构简单的方向发展。将模块化的思想应用到机器人手臂可满足其扩展性的要求(满翠华，范迅.5自由度机器人手臂研究.制造业自动化，2006(10)：75～77)，但该系统以PIC单片机为主控制处理器，CPU负荷大，处理速度不够理想，在一定程度上制约了机器人手臂处理复杂工作的能力。机器人控制系统中引入开放式控制思想，硬件平台由PC104工控机和PMAC2-104多轴运动控制卡组成，采用分层控制作为控制系统的体系结构(方建军.采摘机器人开放式控制系统设计.农业机械学报，2005(36)：83～86)。但由PMAC2-104多轴运动控制卡控制机器人所有关节模块，当机器人自由度较多时，其控制的实时性受到影响，也不太利于系统扩展。用DSP芯片作为机器人各自由度模块的主控制芯片，采用交流伺服电机驱动，(刘鹏飞，韩九强，周挺.基于多DSP的六自由度机器人伺服控制系统.微电子学与计算机，2005(8)；5～9)主控制器的数据处理能力强，满足了机器人实时性的要求，但交流伺服电机供电系统、控制系统较为复杂，不便于安装、维护。另外，采用基于CAN总线的机器人关节伺服分级控制体系结构(何宇等.基于CAN总线的多轴运动控制系统研究.组合机床与自动化加工技术，2004(2)：45～46)，该系统虽具有开放性特点，控制器的工作效率和控制性能得到了提高，但控制部分、驱动部分和供电系统分离，需要设计大量的接口电路，一体化程度不太高，使其扩展性受到了一定程度的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构简单、运算速度快、通讯效率高、能够实现机器人关节精确定位、复位以及零位置检测、具有自我保护功能、扩展方便的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器。-->为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：该独立关节控制器的硬件部分包括电源转换单元、CAN通讯单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、直流电机、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、直流电源接口。电源转换单元分别与CAN通讯单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、直流电源接口连接，DSP芯片分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关连接，控制驱动单元分别与自我保护单元、直流电机、直流电源接口连接，信息采集反馈单元与直流电机轴连接。该机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片中。其中：所述的电源转换单元包括24V电压转换芯片、12V电压转换芯片、5V电压转换芯片，24V电压转换芯片的OUTPUT引脚与12V电压转换芯片的INPUT引脚连接，12V电压转换芯片的OUTPUT引脚与5V电压转换芯片的IN引脚连接。24V电压转换芯片的INPUT引脚与直流电源接口连接，24V电压转换芯片的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元、自我保护单元连接，12V电压转换芯片的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、自我保护单元连接，5V电压转换芯片的OUT引脚分别与DSP芯片、接近开关连接。所述的CAN通讯单元包括CAN驱动芯片、CAN总线连接器。CAN驱动芯片的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器连接，CAN驱动芯片的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。所述的信息采集反馈单元包括滞回比较器、光电编码器。光电编码器的A、B相输出端分别与滞回比较器的1A、2A引脚连接；光电编码器通过联轴器与直流电机轴连接，滞回比较器的1Y、2Y引脚分别与DSP芯片的IOPA2、IOPA3引脚连接，滞回比较器的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。所述的控制驱动单元包括两个桥式驱动芯片、四个场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，一个桥式驱动芯片的HO、LO引脚分别与场效应管Q1、Q2的栅极连接，另一个桥式驱动芯片的HO、LO引脚分别与场效应管Q3、Q4的栅极连接，场效应管Q1、Q3的源极分别与场效应管Q2、Q4的漏极连接，场效应管Q1、Q3的源极分别与两个桥式驱动芯片的Vs引脚连接。一个桥式驱动芯片的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片的PWM1、PWM2引脚连接，另一个桥式驱动芯片的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片的PWM3、PWM4引脚连接，两个桥式驱动芯片的SD引脚分别与自我保护单元连接，两个桥式驱动芯片的VCC引脚分别与电源转-->换单元中的24V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。场效应管Q1、Q3的漏极分别与直流电源接口连接，场效应管Q1、Q3的源极分别与直流电机的输入端连接，场效应管Q2、Q4的源极分别与自我保护单元连接。所述的自我保护单元包括两个运算放大器。第一个运算放大器的InputA1、InputB1分别与第二个运算放大器的OUT引脚连接，第二个运算放大器的IN+引脚通过电阻R接地。第二个运算放大器的IN+引脚与控制驱动单元连接，第二个运算放大器的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接，第一个运算放大器的VCC、InputA2、InputB2引脚分别与电源转换单元中的24V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接，第一个运算放大器的OutputA引脚分别与控制驱动单元中的两个桥式驱动芯片的SD引脚连接，第一个运算放大器的OutputB引脚与DSP芯片的IOPB2引脚连接。所述的接近开关的一端与DSP芯片的I/O端口连接，另一端与电源转换单元中的5V电压转换芯片的OUT引脚连接。所述的模块化机器人独立关节控制器的软件程序的主流程为：首先初始化DSP控制器，进入循环，判断是否接收到CAN总线指令，若未接收到CAN总线指令则继续循环；若接收到CAN总线指令则进入下一步。再判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，若接收到执行零位置检测指令，DSP控制器读取相应关节位置信息，执行回零操作，控制关节运动。此时再判断接近开关是否动作，若接近开关没有动作则关节继续运动；若接近开关动作则电机停止转动，完成零位置检测，返回到接收CAN总线指令，执行下一步程序。若未接收到零位置检测指令，则接收关节的运动控制指令，读取相应关节信息，通过PID控制算法，控制关节动作。此时DSP控制器再判断关节是否正常工作，若关节正常工作，发送相应关节信息至CAN总线；若关节非正常工作，启动自我保护功能、关节停止运动，发送相应关节信息至CAN总线。再判断是否接收到CAN总线运动控制指令，若接收到CAN总线运动控制指令，返回到判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，执行下一步程序；若没有接收到CAN总线运动控制指令，返回到读取相应关节信息，执行下一步程序。由于采用上述技术方案，本专利技术的核心处理器采用高速的数字信号处理芯片，它继承了数字信号处理器的优点，同时又具有微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可以满足运动控制的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＤＳＰ的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于该控制器的硬件部分包括电源转换单元１、ＣＡＮ通讯单元２、ＤＳＰ芯片３、信息采集反馈单元４、直流电机５、控制驱动单元６、自我保护单元７、接近开关８、直流电源接口９，电源转换单元１分别与ＣＡＮ通讯单元２、ＤＳＰ芯片３、信息采集反馈单元４、控制驱动单元６、自我保护单元７、接近开关８、直流电源接口９连接，ＤＳＰ芯片３分别与ＣＡＮ通讯单元２、信息采集反馈单元４、控制驱动单元６、自我保护单元７、接近开关８连接，控制驱动单元６分别与自我保护单元７、直流电机５、直流电源接口９连接，信息采集反馈单元４与直流电机５轴连接；模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在ＤＳＰ芯片３中。

【技术特征摘要】
1、一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于该控制器的硬件部分包括电源转换单元1、CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、直流电机5、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9，电源转换单元1分别与CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9连接，DSP芯片3分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8连接，控制驱动单元6分别与自我保护单元7、直流电机5、直流电源接口9连接，信息采集反馈单元4与直流电机5轴连接；模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片3中。2、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的电源转换单元1包括电压转换芯片10、11、12，电压转换芯片10的OUTPUT引脚与电压转换芯片11的INPUT引脚连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚与电压转换芯片12的IN引脚连接；电压转换芯片10的INPUT引脚与直流电源接口9连接，电压转换芯片10的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元6、自我保护单元7连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、自我保护单元7连接，电压转换芯片12的OUT引脚分别与DSP芯片3、接近开关8连接。3、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的CAN通讯单元2包括CAN驱动芯片14、CAN总线连接器13，CAN驱动芯片14的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器13连接；CAN驱动芯片14的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片3的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片14的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。4、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的信息采集反馈单元4包括滞回比较器15、光电编码器16，光电编码器16的A、B相输出端分别与滞回比较器15的1A、2A引脚连接；光电编码器16通过联轴器与直流电机5轴连接，滞回比较器15的1Y、2Y引脚分别与DSP芯片3的IOPA2、IOPA3引脚连接，滞回比较器15的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。5、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的控制驱动单元6包括桥式驱动芯片17、18、场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，桥式驱动芯片18的HO、LO引脚分别与场效应管Q1、Q2的栅极连接，桥式驱动芯片17的HO、LO引脚分别与场效应管Q3、Q4的栅极连接，场效应管Q1、Q3的源极分别与场效应管Q2、Q4的漏极连接，场效应管Q1、Q3的源极分别与桥式驱动芯片18、17...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴怀宇，王洪荣，张巍，赵伟，程磊，刘亮，方恒，胡琳萍，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]