外骨骼硬體控制平臺的製作方法
2023-05-01 02:43:36
專利名稱：外骨骼硬體控制平臺的製作方法
外骨骼硬體控制平臺技術領域
本發明屬於機電控制領域，具體是一種外骨骼硬體控制平臺。
背景技術：
現代機器人所具有的機械動力裝置使得機器人可以輕易地完成很多艱苦的任務，比如舉起、搬運沉重的負載等。雖然現代機器人控制技術有了長足的發展，還遠達不到人的智力水平，包括決策能力和對環境的感知能力。與此同時，人類所具有的智能是任何生物和機械裝置所無法比擬的，人所能完成的任務不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機器人所具有的強大的機械能量結合起來，綜合為一個系統，將會帶來前所未有的變化，這便是外骨骼機器人的設計思想。
外骨骼系統的最早研究始於20世紀60年代。到了上世紀90年代，由於傳感技術、材料技術和控制技術的發展，對外骨骼技術的研究大規模展開。早期的外骨骼僅僅作為一個人機界面來使用，如機器人遙作業系統中的主機械手，人體手臂或手指位姿檢測等。90年代中期，力反饋技術和觸覺反饋技術開始廣泛應用與外骨骼系統。採用力反饋技術後，遙操作的真實感得到增強，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多領域得到了應用。進入21世紀後，由於能源技術、微驅動技術、材料科學、信息技術的發展，各種類型的外骨骼雨後春筍般浮現，外骨骼也逐步向實用化方向發展。
在控制方面，目前世界上比較主流先進的控制方法和思路有很多，比如主從控制、肌電控制、ZMP (零力矩點(Zero Moment Point))控制、直接力反饋控制等等,但是這些控制不僅涉及到大量的數據計算，同時也伴隨著大量的數據傳輸。因此，傳統的控制方法對控制端和執行端的電路硬體造成沉重的工作負擔，從而進一步影響電路執行效率以及最終的控制效果。發明內容
發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種外骨骼硬體控制平臺，可以優化外骨骼控制系統的控制結構，減少控制端和執行端電路硬體的工作量，提高整個控制系統的執行效率，改善控制系統的控制效果。
技術方案:為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種外骨骼硬體控制平臺，包括工業主板、PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每·塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。
進一步的，所述伺服閥控制板包括微控制器、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發電路模塊、伺服閥控制接口和模擬量反饋接口，外骨骼上的傳感器獲得的第一模擬量信號通過所述模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，AD前向通道模塊與微控制器內部的AD功能模塊(即ADC，模數轉換模塊)相連，所述模擬量信號通過AD前向通道模塊轉化為數字量信號進入微控制器，CAN收發電路模塊與微控制器內部的CAN控制器相連，CAN總線上的數據通過CAN收發電路模塊與微控制器進行數據交互，功率放大電路模塊與微控制器內部的DA功能模塊(即DAC，數模轉換模塊)相連，所述數字量信號通過DA功能模塊轉化為第二模擬量信號進入功率放大電路模塊，所述功率放大電路模塊將第二模擬量信號放大後通過伺服閥控制接口控制伺服閥。
具體的，一種外骨骼硬體控制平臺，包括兩個外部電源、一塊主板、一塊PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡(簡稱「CAN通訊適配卡」、「通訊適配卡」或「適配卡」)、一塊電源轉換板，若干塊伺服閥控制板。一個外部電源為主板供電，一個外部電源為電源轉換板供電，電源轉換板為若干塊伺服閥控制板供電，適配卡與主板通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連，套索機構上的傳感器又與伺服閥控制板相連。其中:PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡主要由CAN數據通訊電路，板選解碼電路，板內解碼電路，數據緩衝電路等組成。電源轉換板主要由三個電源電路模塊，若干路外設接口構成。每塊伺服閥控制板主要由MCU (微控制器)、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發電路模塊組成。CAN通訊適配卡與工業主板相連。CAN通訊適配卡與若干個伺服閥控制板是通過CAN總線相連。若干個伺服閥控制板是有一個電源轉換板統一供電的。在每塊伺服閥控制板上，AD前向通道模塊與MCU內部AD功能模塊 相連，功率放大電路模塊與MCU內部DA功能模塊相連，鉗位電路模塊與功率放大電路模塊相連，CAN收發電路模塊與MCU內部CAN控制器相連。
在控制結構上，本發明採用現場總線CAN進行通訊，整個硬體平臺上，各個電路硬體等效成一個個通訊結點。總線上採取廣播方式，並採用簡化的CANopen協議(本領域技術人員熟知的)，以滿足CAN總線上的各節點之間的通訊。
有益效果:與現有技術相比，採用本發明外骨骼硬體控制平臺，能夠大為簡化整個外骨骼的控制流程。簡化的CANopen協議也使得整個通訊過程變得簡單。各個CAN通訊結點能夠較為獨立的完成各個指定的功能。另外，本外骨骼硬體控制平臺，使用了若干小閉環控制結構，取代了常見的大閉環控制結構，使得各個環節的控制變得簡單而且準確，同時，控制流程變得更有移植性。
圖1是本發明的系統結構示意圖。
圖2是本發明的伺服閥控制板的邏輯框圖。
圖3是本發明的CAN通訊適配卡的邏輯框圖。
圖4是本發明的流程圖。
圖5是鉗位電路模塊的電路圖。
圖6是AD前向通道模塊的電路圖。
圖7是CAN收發電路模塊的電路圖。
圖8是多級運算放大器放大電路的電路圖。
圖9是功率放大電路模塊的電路圖。
圖10是CAN通訊適配卡板選解碼電路的電路圖。
圖11是CAN通訊適配卡板內解碼電路的電路圖。
圖12是CAN通訊適配卡數據緩衝電路的電路圖。
圖13是CAN通訊適配卡收發電路的電路圖。
圖14是電源電路模塊的電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
如圖1、圖2和圖3所示，本發明的一種外骨骼硬體控制平臺，包括兩個外部電源、一塊工業主板、一塊PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡(以下簡稱CAN通訊適配卡)、一塊電源轉換板、若干塊伺服閥控制板。一個外部電源為主板供電，一個外部電源為電源轉換板供電，電源轉換板為若干塊伺服閥控制板供電，適配卡與主板通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與CAN通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。其中，工業主板在建立CAN通訊網絡的過程扮演上位機結點，用戶對整個CAN通訊網絡的操作以及整個網絡的工作狀態都在基於工業主板的用戶界面上，用戶可以通過用戶界面全面及時地了解這個系統的工作狀態。CAN通訊適配卡用於將基於PC104總線的控制命令轉化成基於CAN總線的控制命令，將工業主板連接進入CAN通訊網絡。CAN通訊適配卡主要由，CAN控制器，CAN數據通訊電路，板選解碼電路，板內解碼電路，數據緩衝電路等組成。電源轉換板的作用是獲得整個網絡所需的所有電源，充當網絡裡的電源轉接口。電源轉換板主要由三個電源電路模塊，若干路路外設接口構成。伺服閥控制板用於控制與之相連的伺服閥，每塊伺服閥都是通過CAN收發模塊連入CAN通訊網絡。每塊伺服閥控制板主要由MCU、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發電路模塊組成。
圖2所示的是伺服閥控制板的邏輯框圖。信號從MCU出發，經過功率放大電路模塊，功率放大電路模塊輸出的模擬量信號通過伺服閥控制接口控制伺服閥。CAN總線上的數據通過CAN收發電路模塊與MCU進行交互。外骨骼上(即套索機構上)的傳感器獲得的數據通過模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，再進入MCU。
圖3所示的是CAN通訊適配卡的邏輯框圖。PC104總線上的邏輯電平信號首先控制板選解碼電路，以便選中本CAN通訊適配卡，使之處於使能狀態。PC104總線上的地址信號以及板選解碼電路輸出的控制信號通過板內解碼電路，決定使能CAN數據通訊電路A路還是CAN數據通訊電路B路。被使能的那一路CAN數據通訊電路，通過CAN總線與總線上的其他節點進行數據通訊。PC104總線上的數據與CAN總線上的數據，是通過數據緩衝電路和CAN數據通訊電路進行交換的。
圖4所示的是伺服閥控制板的流程圖。在本發明中，伺服閥控制板有如下狀態:初始態、預運行態、運行態、掛起態。各狀態說明如下:
1、初始態:上電後進行初始化，默認參數設置，中斷開啟，單獨設置是防止從機死機，主機需要對其軟復位，以及CAN累計錯誤達到上限後需要復位該節點。
2、預運行態:該狀態下主要是主機通過SDO對從機的P、1、D、T參數設置，以及對於每個節點的模式設置。
3、掛起態:主機如果出錯或者從機因為 CAN錯誤累計到上限脫離總線會進入到掛起態，掛起態下只能由主機進行狀態轉換。
4、運行態:根據預運行態下的模式，從機進行主動或者被動運行。
另外，主機操作從機狀態轉換通過NMT (Network ManagemenT,網絡管理)服務。圖中①:啟動從機(0x01)②:停止從機(0x02)③:進入預運行態(0x80)④:復位到初始態(0x81)。
圖5所示的是伺服閥控制板上的鉗位電路模塊。在本發明中，考慮到終端執行機構伺服閥的性能參數，伺服閥控制板DA輸出放大部分的某一節點的電壓須鉗位在一個範圍之內(在本發明中是正負10V，如圖8所示)。鉗位電路分別用一個同相放大電路和一個反相放大電路實現，具體實現方式詳見圖5。
圖6所示的是伺服閥控制板上的AD前向通道模塊。在本發明中每塊伺服閥控制板具有五路AD通道，故也就具有五路AD前向通道。模擬量信號在進入AD轉換之前，首先進過一個RC濾波，然後經過電壓跟隨器，最後進入AD轉換。具體實現方式詳見圖6。
圖7所示的是伺服閥控制板上的CAN收發電路。由於本發明中使用的MCU中包含著CAN控制核，故我們採用了一個獨立CAN收發器以實現數據的收發的功能。具體實現方式詳見圖7。
圖8所示的是多級運算放大器放大電路的電路圖，圖9所示的是功率放大電路。MCU內置的DA功能模塊所產生的電壓信號是不能夠直接被伺服閥使用的。本發明所涉及的伺服閥是電流控制閥門開口量大小的比例閥。因此，我們採取的做法是，首先進過多級運算放大器放大電路(如圖8)，將小電壓轉換為較大的電壓，再經過一個互補對稱電路(如圖9)，將電壓信號轉換成電流信號，並擴大輸出電流信號。具體實現方式詳見圖8和圖9。
圖10所示的是CAN通訊適配卡上的比較電路，也即板選解碼電路。為了在不久的將來能夠搭載更多的組件，本發明在設計時，添加了板選解碼電路，即圖9所示的比較電路。在本發明中，比較電路採用一個八位撥碼開關和一個74LS688邏輯晶片實現。具體實現詳見圖10。
圖11所示的是CAN通訊適配卡上的板內解碼電路。在本發明中，CAN通訊適配卡上具有兩路CAN收發電路，然而兩路CAN收發電路並不是同時工作的，這就需要有一個解碼電路，對這兩路CAN收發電路進行有選擇的運用。在本發明中，板內解碼電路有74LS138、74HC04和74HC08組成。由於版面有限，我們只呈現了其中一部分電路，具體實現詳見圖11。
圖12所示的是CAN通訊適配卡上的數據緩衝電路。圖13所示的是CAN通訊適配卡上的CAN收發電路。這兩個電路電氣上有連接。本發明中，使用了兩路CAN通訊收發電路，故為了防止數據衝突，我們使用了 74HC245，達到緩衝數據的功能。具體實現詳見圖12。在本發明中，我們一共有兩路CAN通訊收發電路，圖13所示的是其中一路的原理圖。在本發明中，CAN收發電路主要是由SJA1000，CTM1050T，74LS07等組成，具體實現詳見圖13。
圖14所示的是電源轉換板的原理圖。在本發明中，我們需要幾種不同的直流電源，這是通過三個電源模塊以及其外圍電路實現的。具體實現詳見圖14。該外骨骼硬體平臺的工作原理是:用戶在工業計算機的用戶界面上發送一個控制命令，控制命令在CAN通訊適配卡上經過PC104總線轉入CAN總線，進而進入CAN通訊網絡。在整個硬體平臺上，工業計算機及搭載的CAN通訊適配卡扮演的是上位機的角色。CAN通訊網絡裡充當下位機的若干個節點，即若干塊伺 服閥控制板，根據我們約定的簡化的CANopen協議並觀察上位機指令的特徵，決定是否接收此次命令。不符合接收條件的結點將會退出此次通訊網絡，等待下一次總線信號。符合接收條件的結點將接收到的數位訊號經過處理轉化，並通過伺服閥控制板上MCU內置的DAC模塊，轉換成所需的模擬電壓，模擬電壓經過運算放大以及功率放大，轉換成控制伺服閥所需的電流量。伺服閥收到伺服閥控制板發出的電流信號後，控制外骨骼動作。末端的各種傳感器將獲得的表明執行機構的運動狀態的電信號反饋給伺服閥控制板，伺服閥控制板根據AD前向通道模塊以及MCU內置的ADC模塊獲得的執行機構運動的數字信息，MCU根據這些數字信息決定進一步的控制方式。與此同時，伺服閥控制板將表明當前執行機構運動狀態的電信號，通過CAN總線反饋給上位機以及其他下位機節點。收到其他下位機節點的伺服閥控制板，根據收到的電信號，實時調整自身對伺服閥的控制信號，使得執行機構各部分之間能夠更好的協同運動。用戶通過工業計算機的用戶界面了解到下位機各節點的實 時運動狀態後，再輸入進行下一步操作指令。
權利要求
1.一種外骨骼硬體控制平臺，其特徵在於:包括工業主板、PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。
2.根據權利要求1所述外骨骼硬體控制平臺，其特徵在於:所述伺服閥控制板包括微控制器、AD前向通道模塊、鉗位電路模塊、功率放大電路模塊、CAN收發電路模塊、伺服閥控制接口和模擬量反饋接口，外骨骼上的傳感器獲得的第一模擬量信號通過所述模擬量反饋接口進入AD前向通道模塊，AD前向通道模塊與微控制器內部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號通過AD前向通道模塊轉化為數字量信號進入微控制器，CAN收發電路模塊與微控制器內部的CAN控制器相連，CAN總線上的數據通過CAN收發電路模塊與微控制器進行數據交互，功率放大電路模塊與微控制器內部的DA功能模塊相連，所述數字量信號通過DA功能模塊轉化為第二模擬量信號進入功率放大電路模塊，所述功率放大電路模塊將第二模擬量信號放大後通過伺服閥控制接口`控制伺服閥。
全文摘要
本發明公開了一種外骨骼硬體控制平臺，包括工業主板、PC104總線轉CAN總線的通訊適配卡、CAN總線、若干塊伺服閥控制板和伺服閥，所述工業主板與通訊適配卡通過PC104總線相連，若干塊伺服閥控制板通過CAN總線與通訊適配卡相連，每塊伺服閥控制板與一個伺服閥相連。本發明可以優化外骨骼控制系統的控制結構，減少控制端和執行端電路硬體的工作量，提高整個控制系統的執行效率，改善控制系統的控制效果。
文檔編號B25J9/16GK103231373SQ201310101300
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者王興松, 陳龍, 楊劍, 杜峰坡 申請人:東南大學