模块化高精度机器人关节控制器

摘要

本发明公开了模块化高精度机器人关节控制器，包括：数据运算处理模块、电源模块、时钟和复位模块、数据存储模块、数据采集模块、电机驱动模块、角度传感器RDC506，角度传感器RDC506与数据采集模块相连，数据采集模块包括模数转换芯片AD7888和基准电压芯片REF5030，数据采集模块与数据运算处理模块相连，数据运算处理模块包括DSP芯片和FPGA芯片，数据存储模块和数据运算处理模块连接，电机驱动模块包括电机驱动芯片L6207和光耦合器TLP115，电机驱动模块与数据运算处理模块连接，电源模块分别与数据采集模块和数据运算处理模块相连，本发明具有控制精度高、实时性强、结构简单、可靠性好的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种关节控制器，尤其适用于机器人的关节控制器。

背景技术

任何机器人要正常工作必然会涉及到各个关节的运动与协调，关节运动控制的精确程度， 直接决定了机器人性能的优劣，成为了机器人技术发展和研究的重要方向。关节运动控制器 作为机器人关节运动控制的直接控制装置，因此成为机器人控制系统的核心部分。目前，中 国国内专门针对机器人关节的位置控制器还很少，特别是缺乏一种模块化、控制精度高、实 时性强、结构简单、可靠性好的能够应用于机器人关节控制的装置。

中国发明专利申请CN200710051849.1，名称为“一种基于DSP的模块化机器人独立关节 控制器”的专利中提到了基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，此发明设计的是一个关 节的控制模块，需要多个组合在一起使用，高了成本和延长了生产设计周期。此发明利用的 是光电编码器，从而限制了它在需要小型角度传感器的领域如灵巧手关节控制领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的控制精度高、实时性强、结构简单、可靠性好的能够 控制机器人关节的模块化高精度机器人关节控制器。

本发明模块化高精度机器人关节控制器，包括：数据运算处理模块、电源模块、时钟和复 位模块、数据存储模块、数据采集模块、电机驱动模块、角度传感器RDC506，数据采集模块 包括模数转换芯片AD7888和基准电压芯片REF5030，基准电压芯片REF5030与模数转换芯片 AD7888连接，模数转换芯片AD7888与数据运算处理模块相连；数据运算处理模块包括DSP 芯片和FPGA芯片，DSP芯片和FPGA芯片相连接；数据存储模块包括FLASH存储器AM29LV800 和同步动态跟随存取存储器XCS3400A，FLASH存储器AM29LV800和同步动态跟随存取存储器 XCS3400A分别和数据运算处理模块连接；电机驱动模块包括电机驱动芯片L6207和光耦合器 TLP115，电机驱动芯片L6207通过光耦合器TLP115与数据运算处理模块连接；电源模块包括 电源TPS75733和电源LT1746，电源TPS75733分别和数据运算处理模块和数据采集模块相连， 电源LT1746和数据运算处理模块相连；时钟和复位模块包括复位芯片IMP811，复位芯片 IMP811与数据运算处理模块相连；角度传感器RDC506与数据采集模块的模数转换芯片AD7888 链接。

本发明模块化高精度机器人关节控制器还可以包括：

（1）电源模块还包括电源DC5V，电源TPS75733的引脚2接电源DC5V的引脚2，电源DC5V 的引脚1接数字地GND，电源TPS75733的引脚1接数字地GND，并且在电源TPS75733的引脚 1与引脚2之间接有第一电容C11，第二电阻R5一端与电源TPS75733的引脚5连接，第二电 阻R5另一端与3.3V电压连接，第二电容C13和第一极性电容C12并联在3.3V电压与数字地 GND之间，第一电阻R1一端与电源TPS75733的引脚4相连，第一电阻R1的另一端与发光二 极管D1的阳极相连，发光二极管D1的阴极和数字地GND相连，电源TPS75733的引脚4输出 3.3V电压；电源LT1746的引脚1、引脚2与3.3V电压相连，电源LT1746的引脚3与数字地 GND相连，电源LT1746的引脚2和引脚3之间连接有第二极性电容C19，第三电容C21和第 三极性电容C20并联在电源LT1746的引脚4和引脚3之间，第三电阻R3连接在电源LT1746 的引脚4和引脚5之间，第四电阻R4连接在电源LT1746的引脚5和引脚3之间，电源LT1746 的引脚4输出1.2V电压。

（2）数据采集模块中的模数转换芯片AD7888的引脚4和引脚13相连并且均与模拟地AGND 相连，模数转换芯片AD7888的引脚3、引脚4之间连接有第四电容C10，模数转换芯片AD7888 的引脚3与模拟电源AVCC相连，模数转换芯片AD7888的引脚2与模拟地AGND之间连接有第 五电容C8，第五电阻R10一端连接模数转换芯片AD7888的引脚2，第五电阻R10另一端和第 六电阻R20、第七电阻R30的一端相连，第六电阻R20的另一端和基准电压芯片REF5030的 引脚6相连，第七电阻R30的另一端和模拟电源AVCC相连，模数转换芯片AD7888的引脚1 为片选、引脚14为数据输入端、引脚15为数据输出端、引脚16为串行时钟接口，模数转换 芯片AD7888的引脚5和模拟输入接口的引脚16相连，模数转换芯片AD7888的引脚6和模拟 输入接口的引脚15相连，模数转换芯片AD7888的引脚7和模拟输入接口的引脚14相连，模 数转换芯片AD7888的引脚8和模拟输入接口的引脚13相连，模数转换芯片AD7888的引脚9 和模拟输入接口的引脚12相连，模数转换芯片AD7888的引脚10和模拟输入接口的引脚11 相连，模数转换芯片AD7888的引脚11和模拟输入接口的引脚10相连，模数转换芯片AD7888 的引脚12和模拟输入接口的引脚9相连；第八电阻R11、第九电阻R12、第十电阻R13、第 十一电阻R14、第十二电阻R15、第十三电阻R16、第十四电阻R17、第十五电阻R18的一端 分别与模拟输入接口的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8相 连，第八电阻R11、第九电阻R12、第十电阻R13、第十一电阻R14、第十二电阻R15、第十 三电阻R16、第十四电阻R17、第十五电阻R18的另一端均与模拟地AGND相连；基准电压芯 片REF5030的引脚2与3.3V电压相连、引脚4与模拟地AGND相连，第六电容C6连接在基准 电压芯片REF5030的引脚2与引脚4之间，第七电容C7连接在基准电压芯片REF5030的引脚 5与模拟地AGND之间，第八电容C9连接在基准电压芯片REF5030的引脚6与模拟地AGND之 间，REF5030的引脚6输出3.0V电压，在模拟地AGND和数字地GND之间连接有磁珠FB；模 拟电源输入接口引脚1与模拟电源AVCC相连，模拟电源输入接口的引脚3、引脚5、引脚7、 引脚9、引脚11、引脚13、引脚15、引脚17、引脚19均和3.3V电源相连，模拟电源输入 接口的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10、引脚12、引脚14、引脚16、引脚18、引 脚20均与模拟地AGND相连。

（3）电机驱动模块的电机驱动芯片L6207的引脚4和地GNDL之间链接有第九电容CA1，第 十六电阻RA1与第九电容CA1并联，第十七电阻RSENSEA1连接在电机驱动芯片L6207的引脚 3和电源地POWERGNDL之间，电机驱动芯片L6207的引脚6和引脚7连接、并且均与地GNDL 连接，第十电容CB1连接在电机驱动芯片L6207的引脚9和地GNDL之间，第十八电阻R40与 第十电容CB1并联，第十九电阻RSENSEB1连接在电机驱动芯片L6207的引脚10和电源地 POWERCNDL之间，第十一电容CREFA1连接在电机驱动芯片L6207的引脚24和地GNDL之间， 第二十电阻RENA1一端与电机驱动芯片L6207的引脚23连接、另一端与第二十一电阻RENB1 的一段连接，第二十一电阻RENB1的另一端与电机驱动芯片L6207的引脚14连接，第十二电 容CENA1一端与电机驱动芯片L6207引脚23连接、另一端与地GNDL连接，电机驱动芯片L6207 的引脚24、引脚13相连，电机驱动芯片L6207的引脚20、引脚17相连，第十三电容CBOOT1 连接在电机驱动芯片L6207的引脚15和引脚20之间，第十四电容Cp1一端与电机驱动芯片 L6207引脚22连接、另一端与二十二电阻Rp1的一端连接，二十二电阻Rp1的另一端与第一 二极管D1.1的阴极连接，第一二极管D1.1的阳极与电机驱动芯片L6207引脚20连接，电机 驱动芯片L6207引脚20与电源负极VSS连接，第二二极管D1.2的阳极与第一二极管D1.1的 阴极连接，第二二极管D1.2的阴极与电机驱动芯片L6207引脚15连接，第十五电容C1.1连 接在电机驱动芯片L6207引脚20和电源地POWERGNDL之间，第十六电容C1.2与第十五电容 C1.1并联，电机驱动芯片L6207的引脚18、引脚19相连，电机驱动芯片L6207引脚18与地 GNDL连接，第十六电容CENB1连接在电机驱动芯片L6207引脚14和地GNDL之间，第十七电 容CREFB1连接在电机驱动芯片L6207引脚13和地GNDL之间。

本发明的有益效果：

1.将DSP和FPGA结合到一起应用到机器人关节的精确控制当中，充分发挥了FPGA对于 机器人关节控制过程中的线性问题的快速处理优势以及浮点运算DSP TMS320C6713对于机器 人关节控制过程中的非线性问题的迅速解决的优点，可以很好的提高机器人关节控制的实时 性和精确度。

2.采用斩波频率可达到100kHz的L6207作为电机驱动芯片有效的提高控制性能和控制 精度，同时采用光耦TLP115作为电气隔离，开关速度可达10MBd，可使PWM频率达到100kHz， 更好的保证了控制的准确性。

3.系统结构模块化，方便用户根据自己控制对象的不同设计不同数量的数据采集模块和 电机驱动模块，同时电机驱动模块中的光耦隔离芯片保证了数字电路的安全，提高了系统的 可靠性。

附图说明

图1为模块化高精度机器人关节控制器的系统工作原理图；

图2为模块化高精度机器人关节控制器的结构图；

图3为模块化高精度机器人关节控制器中电源部分的原理图；

图4为模块化高精度机器人关节控制器中数据采集模块的原理图；

图5为模块化高精度机器人关节控制器中电机驱动模块的原理图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做更详细地描述，由于本发明中的数据运算处理模块、数据存储 模块、复位和时钟模块电路均为典型电路连接，故不再对其原理进行详细说明。

结合图1，图1所示为模块化高精度机器人关节控制器的系统工作原理图，整个系统的 功能是这样实现的：以控制一个机器人灵巧手的手指关节为例，说明机器人高精度关节控制 器的实现过程，输入信号以转角的形式通过电位计转换为与其成正比的模拟信号，再经由主 控电路上的AD7888U8芯片转换为数字信号并送入主控电路的数据运算处理模块。同轴安装 在手指关节处的角度传感器RDC506U4可测量关节转角，并经过与输入信号类似的传递过程， 最终送入数据运算处理模块。数据运算处理模块的控制程序将这两个信号做差，并根据这个 偏差信号来判断两个电机各自的转向以及应施加的控制量大小。电机驱动电路根据该计算结 果，以PWM方式控制施加给电机的电压。电机的动力通过相应的传递机构传递给手指关节， 从而完成对机器人灵巧手关节的精确控制过程。

结合图2，图2所体现的是机器人高精度关节控制器的结构框图。该系统通过AD7888U8 来采集RDC506U4的角度值，然后通过串行外设接口传输数据给以TMS320C6713PYP200U1和 XCS3400A U2组成的数据运算处理模块。采用TLP115U10来对数据运算处理模块和电机驱动 电路进行隔离，更好的保护数字电路的安全，提高整个系统的可靠性。在数据存储上，采用 AM29LV800U6和MT48LC16M16A2P U7来作为数据处理单元提供数据的存储。采用REF5030U11 作为数据采集单元的3V电压基准，由TPS75933U3提供系统的3.3V电源，LT1764U4提供 系统的1.2V电源。系统的复位电路由IMP811U5提供。

结合图3，图3是本发明的电源部分的原理图。本系统输入为5V的数字电压，所以选用 TPS75933U3产生数据采集处理模块需要的3.3V的数字电压，采用LT1764U4数据采集处理 模块需要的1.4V的数字电压。C11的两端并联在+5V电源输入端子和GND之间，R2的两端分 别和U3的引脚5和3.3V相连，有极性电容C12和无极性电容C13并联在3.3V和GND之间。 R1一端和3.3V相连一端和发光二极管D1阳极相连，D1的阴极和GND相连。U3的引脚1和 GND连接，U3引脚2和5V电源连接，U3引脚3和GND连接，U3引脚4产生3.3V电压。极性 电容C19并联在U4的引脚2和引脚3之间，U4的引脚2和3.3V相连，U4引脚3和GND相连， U4引脚1和U4引脚2相连。极性电容C20并联在U4的引脚4和引脚3之间，U4的引脚4产 生1.2V电压。C21并联在1.2V和GND之间，R3一端和U4的引脚5相连，另一端和引脚4相 连，R4并联在U4引脚5和U4引脚3之间。

结合图4，图4是本发明数据采集模块的原理图。考虑到系统对于采集速度的要求，本 系统中U9是模数转换器AD7888和U11是3V电压基准芯片REF5030。C10一端连接U8的引脚 3，一端连接U8引脚4和U8引脚13，U8引脚3与模拟电源AVCC相连，U8引脚4和U8引脚 13和模拟地AGND相连。C8一端和模拟地AGND相连，一端和U8引脚2相连。R10一端和U8 引脚2相连，另一端和R20的一端相连。R20另一端和U11引脚6相连。R30一端和R10的一 端相连，另一端和模拟电源AVCC相连。U8引脚5和模拟输入量接口analog input的引脚16 相连，U8引脚6和模拟输入量接口analog input的引脚15相连，U8引脚7和模拟输入量接 口analog input的引脚14相连，U8引脚8和模拟输入量接口analog input的引脚13相连， U8引脚9和模拟输入量接口analog input的引脚12相连，U8引脚10和模拟输入量接口analog input的引脚11相连，U8引脚11和模拟输入量接口analog input的引脚10相连，U8引脚 12和模拟输入量接口analog input的引脚9相连。U8引脚1为片选，U8引脚14为数据输 入端，U8引脚15为数据输出端，U8引脚16为串行时钟接口。R11、R12、R13、R14、R15、 R16、R17、R18一端均与模拟地AGND相连，另一端分别和模拟输入量接口analog input的 引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8相连。C6一端和U11的引 脚2相连，另一端和U11引脚4相连。U11引脚2和3.3V相连，U11引脚4和模拟地AGND相 连。C7一端和U11的引脚5相连，另一端和模拟地AGND相连。C9一端和U11的引脚6相连， 另一端和模拟地AGND相连。U11的引脚1、引脚3、引脚7和引脚8悬空。U11引脚6产生基 准3.0V的电压。FB一端和模拟地AGND相连，另一端和数字地GND相连。模拟电源输入接口 Analog power引脚1与模拟电源AVCC连接，模拟电源输入接口Analog power的引脚3、引 脚5、引脚7、引脚9、引脚11、引脚13、引脚15、引脚17、引脚19均和3.3V电源相连， 模拟电源输入接口Analog power的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10、引脚12、引 脚14、引脚16、引脚18、引脚20均和模拟地AGND相连。

结合图5，图5是本发明中电机驱动模块的原理图。U9为电机驱动芯片L6207.CA1一端 和U9引脚4相连另一端和GNDL相连。RA1并联在U9的引脚4和GND之间。RESENSEA1一端 和U9引脚3相连另一端和POWERGNDL相连。U9引脚6和引脚7和GNDL相连。CB1一端和U9 的引脚9相连，另一端和GNDL相连。R1并联在U9引脚9和GNDL之间。RESENSEB1一端和 U9引脚10相连另一端和POWERGNDL相连。CREFA1的一端和U9的引脚24相连，一端和GNDL 相连。RENA1一端和U9的引脚23相连，另一端和RENB1的一端，RENB1的一端和U9的引脚 14相连。Cp1一端和U9的引脚22相连，另一端和Rp1相连。Rp1的另一端和D1.1的阴极连 在一起，D1.1的阳极和VSS相连。U9的引脚17和引脚20相连。CBOOT1并联在U9的引脚20 和引脚15之间。D1.2的阴极和U9的引脚15连接，D1.2的阳极和D1.1的阴极相连。C1.1 和C1.2并联在U9的引脚20和POWERGNDL之间。U9的引脚18和引脚19连在一起与GNDL相 连。CENB1并联在U9的引脚14和GNDL之间。CREBF1并联在U9的引脚13和GNDL之间。