机器人活过来了！——仿人机器人关节控制器电路设计方案

发布时间：2015-01-8 阅读量：1069 来源: 我爱方案网作者:

【导读】机器人会跳舞会是个新闻，是因为机器人的关节活动的灵活性不佳，需要更多的科学技术来解决这个问题。基于数字信号处理器的放机器人关节控制器电路设计用分布式控制系统，能使仿机器人具有更高的行动自由度，使机器人活过来，更灵活性地帮助人类社会工作。

仿人机器人具有可移动性，具有很多的自由度，包括双臂、颈部、腰部、双腿等，可以完成更复杂的任务，这些关节要连接在一起，进行统一的协调控制，就对控制系统的可靠性、实时性提出了更高的要求，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控制系统来实现系统的控制功能。

电机驱动器的接口电路

驱动器的控制模式可以分为两种：速度控制模式和位置控制模式（通常用电位器作为电机的位置传感器）。这里采用它的速度控制模式，输入的指令信号是 0～10 V的模拟量。因此需要用D／A转换电路，把DSP输出的数字量给定转变为模拟信号，电路图如图3所示。DAC7621为12 b并行输入的D／A转换器，它内置参考源，输出范围：0～4．095 V。它的12位输入接DSP数据总线中的D0到D11。它的片选输入管脚可以接DSP的I／O控制线／IS。为了得到0～10 V的模拟信号，还要利用LM358中的一片运算放大器构成的同相比例放大电路，把0～4．095 V的信号放大2．5倍。

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，设计了基于线形光耦HCNR201的隔离电路，如图所示。

线形光耦HCNR201 只能起到隔离电流的关系，且输入电流和输出电流呈线性关系。U6B是上图芯片LM358中的另外一片运算放大器，它将输入0～10 V电压转换成20 mA以内的电流信号，输入线形光耦HC－NR201。HCNR201输出电流再经过一个由单电源轨到轨运放AD8519构成的电压跟随器转换成0～10 V电压信号，作为驱动器的模拟信号输入。显然，HCNR201两侧电路应采用不同的电源和地。LM358中的两片运算放大器采用控制器输入的12 V电源供电，而AD8519则采用驱动器输入端提供的10 V电压供电。

增量式编码器信号处理电路

增量式编码器信号处理电路如图所示。J8是MR编码器的信号输入接口，采用AM26C32把MR编码器输出三个通道的RS 422差分信号转换成TTL电平，得到A，B，Z三路信号。

RS 485总线通信电路

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，采用两个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，TMS320F240DSP的RXD和TXD引脚分别连接到第一片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RE，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，电路如图所示。

考虑到机械臂控制系统控制算法的计算量以及多轴协调控制等问题，采用基于RS 485总线的分布式控制的体系结构，见图所示。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总线与各关节控制器通信，负责各关节控制器的协调工作。每个关节控制器和一台电机、驱动器、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统，负责机械臂某一个关节变量的具体控制任务。

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