专利名称：一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人控制技术，具体是一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统。
背景技术：
模块化可重构机器人是由一系列具有不同尺寸和功能特征的关节、连杆等模块组 成的，能以搭积木的方式通过模块之间简单、快速的组装和拆卸来改变整体结构，重新组合 构型的机器人。相对于传统的固定构型机器人而言，模块化可重构机器人可实现“一套构 件、多种构型”，能根据任务要求选择最佳的机器人结构，因而对复杂环境的适应性和作业 能力更强。模块化可重构机器人的关节模块设计大多采用机电一体化方法，即将单个关节模 块的机械结构和控制系统设计为一体，以独立的物理单元形式存在。单个关节模块既能与 其它模块共同组成一个机器人，也能对其进行独立控制。因此，如何设计关节模块的控制系 统，使之不仅能与整体结构充分融合，而且也能有很好的控制性能，这是模块化可重构机器 人设计的一个关键技术。关节模块通常采用电机作为驱动元器件。直流无刷电机因其机械特性和调节特性 的线性度好、调速范围广、体积小、寿命长、噪声低等特点而在机器人领域应用越来越广。但 直流无刷电机的换向和调速控制较为复杂，对控制系统运算和信息处理能力要求很高；关 节模块的PID参数调整和伺服精度是影响机器人控制性能的关键因素，因而其控制系统的 精度和实时性就显得尤为重要；组成机器人的关节模块数量越多，其分布式控制的信息传 输量就越大，通信过程也越复杂，这对关节模块控制系统的通信设计提出了更高的要求；关 节模块自身的尺寸和重量都不能过大，因此集成在其内部的控制系统也必须要结构紧凑、 布局合理；另外，如何从控制角度提高关节模块运行的安全性，以及控制系统自身的可靠 性、鲁棒性和扩展性等问题。上述技术难点使得现有的模块控制器很难满足关节模块的控 制和重构要求，影响了模块化可重构机器人的实际开发与应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种集成度高、系统扩 展性强、能实现关节模块复位、连接顺序辨识、位置信息冗余容错、精密伺服、具有掉电制动 和过流保护功能的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下—种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，以DSP芯片为核心，所述DSP芯片 单元其一信号输入端通过CAN通信模块与电源转换模块连接；其另一信号输入端通过模拟 信号模块与驱动场效应管模块输出端连接；其另一信号输入端与电位计接口模块连接；其 另一信号输入端通过光电编码器接口模块与直流无刷电机接口模块连接；其另一信号输入 端通过霍尔传感器接口模块与直流无刷电机接口模块连接；其另一个信号输入端通过连接
6顺序辨识接口模块与静电保护芯片模块连接；其另一个信号输入端通过零极位开关模块与 静电保护芯片模块连接；其另一个信号输入端通过光电编码器接口模块与静电保护芯片模 块输出端连接；所述DSP芯片单元其一信号输出端与制动器控制模块信号输入端连接；其 另一信号输出端依次通过光耦隔离芯片模块和驱动逻辑芯片模块与驱动场效应管模块信 号输入端连接；所述电源转换模块输入端和制动器控制模块输入端与直流电源接口模块输 出端连接；所述电源转换模块输入端分别与CAN通信模块、光耦隔离芯片模块、驱动逻辑芯 片模块、制动器控制模块和零极位开关模块连接；所述直流电源接口模块输出端通过采样 电阻模块与驱动场效应管模块连接；所述驱动场效应管模块分别与模拟信号模块和直流无 刷电机接口模块输入端连接。所述电源转换模块包括，第一电压转换芯片、第二电压转换芯片、第三电压转换芯 片、第四电压转换芯片；所述第一电压转换芯片和第二电压转换芯片INPUT引脚与直流电 源接口模块的+24V引脚相连；所述第三电压转换芯片和第四电压转换芯片的INPUT引脚与 第二电压转换芯片OUTPUT引脚相连；所述第一电压转换芯片的OUTPUT引脚与驱动逻辑芯 片模块的VCC引脚相连；所述第二电压转换芯片OUTPUT引脚还与CAN通信模块、光耦隔离 芯片模块、零极位开关模块、霍尔传感器接口模块、光电编码器接口模块及制动器控制模块 的VCC引脚相连；所述第三电压转换芯片OUTPUT引脚与DSP芯片单元、模拟信号模块、电位 计接口模块及连接顺序辨识接口模块的VCC弓丨脚相连；所述第四电压转换芯片OUTPUT弓丨脚 与DSP芯片单元VDD引脚相连。所述CAN通信模块包括，CAN驱动芯片和CAN总线连接器；所述CAN驱动芯片的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器CANH、CANL引脚相 连；所述CAN驱动芯片的T)(D、RXD引脚分别与DSP芯片单元的CANTX、CANRX引脚相连；所 述CAN驱动芯片的VCC引脚与电源转换模块中第二电压转换芯片的OUTPUT引脚相连。所述光耦隔离芯片模块包括，第一 第六光耦芯片；所述第一 第六光耦芯片 的INPUT引脚分别与DSP芯片单元的PWMl、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6引脚相连；所述 第一 第六光耦芯片的OUTPUT引脚分别与驱动逻辑芯片模块的HIN1、LINK HIN2、LIN2、 HIN3、LIN3引脚连接；所述第一 第六光耦芯片的VCC引脚与电源转换模块中第二电压转 换芯片的OUTPUT引脚连接。所述驱动场效应管模块包括，第一 第六场效应管；所述第一 第六场效应管的 栅极分别与逻辑驱动芯片模块的H01、H02、H03、L01、L02、L03引脚相连，所述第一 第三场 效应管的源极分别与逻辑驱动芯片模块的VS1、VS2、VS3引脚相连；所述第四 第六场效应 管的漏极分别与驱动逻辑芯片模块的VS1、VS2、VS3引脚相连，所述第一 第三场效应管的 漏极分别与直流电源接口模块+24V引脚相连，所述第四 第六场效应管的源极分别与采 样电阻相连，驱动逻辑芯片模块的VS1、VS2、VS3引脚分别与直流无刷电机接口模块的MA、MB、 MC引脚相连。所述零极位开关模块包括，零位开关、第一 第二极位开关；所述零位开关、第 一 第二极位开关的OUTPUT引脚分别与DSP芯片单元的GPI0B3、GPI0B2、GPI0B1引脚 相连；所述零位开关、第一 第二极位开关的OUTPUT引脚分别与静电保护芯片模块的 INPUTl、INPUT2、INPUT3引脚相连；所述零位开关、第一 第二极位开关的VCC引脚分别与电源转换模块中电压转换芯片模块的OUTPUT引脚相连。所述霍尔传感器接口模块的HALL1、HALL2、HALL3引脚分别与DSP芯片单元的 GPI0B8、GPI0B7、GPI0B6引脚相连；所述霍尔传感器接口的HALLl、HALL2、HALL3引脚分别与 静电保护芯片模块的INPUT4、INPUT5、INPUT6引脚相连；所述霍尔传感器接口的VCC引脚与 电源转换单元中电压转换芯片的OUTPUT引脚相连；所述连接顺序辨识接口模块的INPUT、 OUTPUT引脚分别与DSP芯片单元的GPIOAl 1、GPI0A12引脚相连；所述连接顺序辨识接口模 块的INPUT、OUTPUT引脚分别与静电保护芯片模块的INPUT10、INPUTl 1引脚相连。所述光电编码器接口模块的A、B引脚通过电阻分别与DSP芯片单元的QEP1、 QEP2引脚相连；所述光电编码器接口模块的A、B引脚分别与静电保护芯片模块的INPUT7、 INPUTS引脚相连；所述光电编码器接口的VCC引脚与电源转换模块中电压转换芯片的 OUTPUT引脚相连；所述电位计接口模块的OUTPUT引脚与DSP芯片单元的ADCINB3引脚相 连；所述电位计接口模块的OUTPUT引脚与静电保护芯片模块的INPUT9引脚相连；所述电 位计接口模块的VCC引脚与电源转换模块中电压转换芯片的OUTPUT引脚相连；所述制动器 控制模块包括，第七光耦芯片、第七场效应管、制动器；所述第七光耦芯片的OUTPUT引脚与 第七场效应管的栅极相连，第七场效应管的漏极与制动器的IN-管脚相连，第七场效应管 的源极接地；所述第七光耦芯片的INPUT管脚与DSP芯片单元的GPI0B0引脚相连；所述制 动器BREAK的IN+管脚与直流电源接口模块+24V引脚相连。所述模拟信号模块包括，初级放大器、次级放大器；所述初级放大器的IN+、IN-引 脚串联在采样电阻与驱动场效应管模块之间。所述初级放大器的OUTPUT引脚与次级放大器的IN-引脚相连；所述初级放大器的 VCC引脚与电源转换模块中电压转换芯片的OUTPUT引脚相连；所述次级放大器的IN+引脚 通过电阻接地；所述次级放大器的OUTPUT引脚与DSP芯片单元的ADCINA3管脚相连，所述 次级放大器的VCC引脚与电源转换单元中电压转换芯片的OUTPUT引脚相连。所述DSP芯片单元的控制步骤流程为首先初始化DSP控制器；然后进入循环体的初始态Tl ；执行构型辨识后，判断是否执行构型辨识指令？若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行连接顺序辨识T2 ；执行连接顺序辨识T2后，判断是否辨识成功？若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行无位置基准T3 ；执行无位置基准T3后，判断是否执行回零指令？若为否，则返回无位置基准T3 ；若为是，则执行回零T4 ；执行回零T4后，判断是否回零成功？若为否，则返回无位置基准T3 ；若为是，则执行有位置基准T5 ；执行有位置基准T5后，判断是否执行运动指令？若为否，则返回执行有位置基准T5 ；若为是，则执行同步运动T6 ；执行同步运动T6后，判断是否运动结束？
若为否，则返回执行同步运动T6 ；若为是，则返回执行有位置基准T5。上述控制流程中循环体执行各个状态对应的代码、根据状态转移规则切换状态、 响应中断；DSP内核的中断管理模块包括AD转换中断htrl、CPU时钟中断htr2、QEP中断 htr3、CAN 接收中断 htr4。本发明的优点1.本发明的核心处理器采用高速数字信号处理芯片，在运算速度和数据处理能力 上都可以满足运动控制的高实时性要求，为实现模块化可重构机器人的复杂运动控制提供 了可靠的平台。2.本发明的通信方式采用CAN总线方式，CAN总线通信具有接口简单、广播通信、 短帧收发、扩展性强等优点，机器人增减模块不影响系统工作，解决了点对点传输方式的接 口复杂问题。3.本发明的关节运动位置信息反馈采用增量式光电编码器接口模块和电位计接 口模块冗余容错设计，利用电位计辅助找零和判别极限位，利用编码器精确定位，并且可以 通过光电编码器接口模块和电位计接口模块的对比检测故障，系统的鲁棒性好。4.本发明的采样电阻模块获得电机的电流信息，实现以电流环为基础的速度环、 位置环PID控制，并且可以实现对电机的过流保护。5.本发明的制动器控制模块掉电制动，使得模块化可重构机器人在运动过程中突 然掉电不会导致事故，提高了系统的安全性。
图1为本发明的控制系统结构框图；图2为本控制系统的电路原理图；图3为本控制系统中电源转换模块的示意图；图4为本控制系统中CAN通信模块的示意图；图5为本控制系统中光耦隔离芯片模块的示意图；图6为本控制系统中驱动场效应管模块的示意图；图7为本控制系统中零极位开关模块的示意图；图8为本控制系统中霍尔传感器接口模块的示意图；图9为本控制系统中光电编码器接口模块的示意图；图10为本控制系统中模拟信号模块的示意图；图11为本控制系统中制动器控制模块的示意图；图12为本控制系统中电位计接口模块的示意图；图13为本控制系统中连接顺序辨识接口模块的示意图；图14为本发明控制系统的控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。如图1 13所示，一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，以DSP芯片U2
9为核心，市购产品型号为TMS320F2812，所述DSP芯片单元U2其一信号输入端通过CAN通 信模块U3与电源转换模块Ul连接；其另一信号输入端通过模拟信号模块UlO与驱动场效 应管模块U6输出端连接；其另一信号输入端与电位计接口模块U12连接；其另一信号输入 端通过光电编码器接口模块U9与直流无刷电机接口模块U17连接；其另一信号输入端通过 霍尔传感器接口模块U8与直流无刷电机接口模块U17连接；其另三个信号输入端分别通过 连接顺序辨识接口模块Ul5、零极位开关模块U7及光电编码器接口模块U9与静电保护芯片 模块U13输出端连接；所述DSP芯片单元U2其一信号输出端与制动器控制模块Ul 1信号输 入端连接；其另一信号输出端依次通过光耦隔离芯片模块U4和驱动逻辑芯片模块U5与驱 动场效应管模块U6信号输入端连接；所述电源转换模块Ul输入端和制动器控制模块Ull 输入端与直流电源接口模块U14输出端连接；所述电源转换模块Ul输入端分别与CAN通信 模块U3、光耦隔离芯片模块U4、驱动逻辑芯片模块TO、制动器控制模块Ull和零极位开关 模块U7连接；所述直流电源接口模块U14输出端通过采样电阻U16模块与驱动场效应管模 块U6连接；所述驱动场效应管模块U6分别与模拟信号模块UlO和直流无刷电机接口模块 U17输入端连接。所述电源转换模块Ul包括，第一电压转换芯片U18、第二电压转换芯片U19、第三 电压转换芯片U20、第四电压转换芯片U21 ；所述第一电压转换芯片U18和第二电压转换芯 片U19的INPUT引脚与直流电源接口模块U14的+24V引脚相连；所述第三电压转换芯片 U20和第四电压转换芯片U21的INPUT引脚与第二电压转换芯片U19的OUTPUT引脚相连； 所述第一电压转换芯片U18的OUTPUT引脚与驱动逻辑芯片模块U5的VCC引脚相连；所述 第二电压转换芯片U19的OUTPUT引脚还与CAN通信模块U3、光耦隔离芯片模块U4、零极位 开关模块U7、霍尔传感器接口模块U8、光电编码器接口模块U9及制动器控制模块Ull的 VCC引脚相连；所述第三电压转换芯片U20的OUTPUT引脚与DSP芯片单元U2、模拟信号模 块U10、电位计接口模块U12及连接顺序辨识接口模块U15的VCC引脚相连；所述第四电压 转换芯片U21的OUTPUT引脚与DSP芯片单元U2的VDD引脚相连。所述电源转换模块Ul 外接24V直流供电电源，通过第一电压转换芯片U18、第二电压转换芯片U19、第三电压转换 芯片U20及第四电压转换芯片U21并将24V直流电压转换成12V、5V、3. 3V、1. 9V直流电压 以满足控制系统工作的需要。所述CAN通信模块U3包括，CAN驱动芯片U22和CAN总线连接器U23 ；所述CAN 驱动芯片U22的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器U23的CANH、CANL引脚相连；所述 CAN驱动芯片U22的T)(D、RXD引脚分别与DSP芯片单元U2的CANTX、CANRX引脚相连；所述 CAN驱动芯片U22的VCC引脚与电源转换模块Ul中第二电压转换芯片U19的OUTPUT弓丨脚 相连。本发明的通信部分采用CAN总线方式，CAN总线通信具有接口简单、广播通信、短帧 收发、扩展性强等优点，机器人增减模块不影响系统工作，解决了点对点传输方式的接口复 杂问题。所述光耦隔离芯片模块U4包括，第一 第六光耦芯片01、02、03、04、05、06 ；所述 第一 第六光耦芯片01、02、03、04、05、06的INPUT引脚分别与DSP芯片单元U2的PWMl、 PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6引脚相连；所述第一 第六光耦芯片01、02、03、04、05、06的 OUTPUT引脚分别与驱动逻辑芯片模块U5的HINl、Lim、HIN2、LIN2、HIN3、LIN3引脚连接； 所述第一 第六光耦芯片01、02、03、04、05、06的VCC引脚与电源转换模块Ul中第二电压转换芯片U19的OUTPUT引脚连接。所述驱动场效应管模块TO包括，第一 第六场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 ；所述 第一 第六场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的栅极分别与逻辑驱动芯片模块TO的H01、H02、 H03、LOl、L02、L03引脚相连，所述第一 第三场效应管Ql、Q2、Q3的源极分别与逻辑驱动 芯片模块U5的VS1、VS2、VS3引脚相连；所述第四 第六场效应管Q4、Q5、Q6的漏极分别与 驱动逻辑芯片模块TO的VS1、VS2、VS3引脚相连，所述第一 第三场效应管Q1、Q2、Q3的漏 极分别与直流电源接口模块U14的+24V引脚相连，所述第四 第六场效应管Q4、Q5、Q6的 源极分别与采样电阻U16相连，驱动逻辑芯片模块TO的VSl、VS2、VS3引脚分别与直流无刷 电机接口模块U17的MA、MB、MC引脚相连。所述零极位开关模块U7包括，零位开关Si、第一 第二极位开关S2、S3 ；所述零 位开关Si、第一 第二极位开关S2、S3的OUTPUT引脚分别与DSP芯片单元U2的GPI0B3、 GPI0B2、GPIOBl引脚相连；所述零位开关Si、第一 第二极位开关S2、S3的OUTPUT引脚分 别与静电保护芯片模块U13的INPUTl、INPUT2、INPUT3引脚相连；所述零位开关Si、第一 第三极位开关S2、S3的VCC引脚分别与电源转换模块Ul中电压转换芯片模块U19的OUTPUT 引脚相连。所述霍尔传感器接口模块U8的HALL1、HALL2、HALL3引脚分别与DSP芯片单元U2 的GPI0B8、GPI0B7、GPI0B6引脚相连；所述霍尔传感器接口 U8的HALL1、HALL2、HALL3引脚 分别与静电保护芯片模块U13的INPUT4、INPUT5、INPUT6引脚相连；所述霍尔传感器接口 U8的VCC引脚与电源转换单元Ul中电压转换芯片U19的OUTPUT引脚相连。所述光电编码器接口模块U9的A、B引脚通过电阻分别与DSP芯片单元U2的QEP1、 QEP2引脚相连；所述光电编码器接口模块U9的A、B引脚分别与静电保护芯片模块U13的 INPUT7、INPUTS引脚相连，所述光电编码器接口 U9的VCC引脚与电源转换模块Ul中电压 转换芯片U19的OUTPUT引脚相连。所述模拟信号模块UlO包括，初级放大器U24、次级放大器U25 ；所述初级放大器 U24的IN+、IN-引脚分别与采样电阻U16两端相连；所述初级放大器U24的OUTPUT引脚与 次级放大器U25的IN-引脚相连，所述初级放大器U24的VCC引脚与电源转换模块Ul中电 压转换芯片U19的OUTPUT引脚相连；所述次级放大器U25的IN+引脚通过电阻接地；所述 次级放大器U25的OUTPUT引脚与DSP芯片单元U2的ADCINA3管脚相连，所述次级放大器 U25的VCC引脚与电源转换单元Ul中电压转换芯片U20的OUTPUT引脚相连。所述制动器控制模块Ull包括，第七光耦芯片07、第七场效应管Q7、制动器BREAK ； 所述第七光耦芯片07的OUTPUT引脚与第七场效应管Q7的栅极相连，第七场效应管Q7的 漏极与制动器BREAK的IN-管脚相连，第七场效应管Q7的源极接地；所述第七光耦芯片07 的INPUT管脚与DSP芯片单元U2的GPI0B0引脚相连；所述制动器BREAK的IN+管脚与直 流电源接口模块U14的+24V引脚相连。制动器控制模块11可以让不需要运动的关节锁死， 也可以在突然掉电的情况下制动，以防发生事故。所述电位计接口模块U12的OUTPUT引脚与DSP芯片单元U2的ADCINB3引脚相连； 所述电位计接口模块U12的OUTPUT引脚与静电保护芯片模块U13的INPUT9引脚相连；所 述电位计接口模块U12的VCC引脚与电源转换模块Ul中电压转换芯片U20的OUTPUT引脚 相连。电位计接口模块12将末端输出角度信息发送到DSP芯片的AD转换模块，辅助找零
11位和判断码盘是否发生故障。所述连接顺序辨识接口模块U15的INPUT、0UTPUT引脚分别与DSP芯片单元U2的 GPIOAlUGPI0A12引脚相连；所述连接顺序辨识接口模块U15的INPUT、0UTPUT引脚分别与 静电保护芯片模块U13的INPUT10、INPUTl 1引脚相连。本发明DSP 芯片单元 2 采用 TI(Texas Instruments hcorporated)公司型号 为TMS320F2812的DSP芯片作为主控制器。该款芯片适用于控制三相无刷直流电机，从 TMS320F2812芯片内部可直接输出三相无刷直流电机控制所需的PWM波，片内有光电编码 器解码模块，以及12位AD转换模块，易于实现对电机的闭环控制。DSP芯片内部输出的PWM信号通过光耦隔离芯片模块4到达驱动逻辑芯片模块5。 驱动逻辑芯片型号为IR2130 (International Rectifier) ；IR2130具有自保护能力，可以 防止DSP芯片初始化时的不可预测输出对驱动电路产生破坏，由驱动逻辑芯片顶2130产生 浮驱信号控制驱动场效应管。光电编码器将电机的转动变为脉冲信号，发送到DSP芯片的 QEP解码单元。采样电阻16获得电机的电流信号，通过模拟信号单元模块10转化为电压信 号，发送到DSP芯片的AD转换模块，可以实现电机的电流控制。在此基础上实现速度闭环 和位置闭环，控制精度高。如图14所示。一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统中DSP芯片单元U2的控制流程为
首先初始化DSP控制器；
然后进入循环体的初始态Tl ；
执行构型辨识后，判断是否执行构型辨识指令？
若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行连接顺序辨识T2 ；
执行连接顺序辨识T2后，判断是否辨识成功？
若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行无位置基准T3 ；
执行无位置基准T3后，判断是否执行回零指令？
若为否，则返回无位置基准T3 ；若为是，则执行回零T4 ；
执行回零T4后，判断是否回零成功？
若为否，则返回无位置基准T3;
若为是，则执行有位置基准T5;
执行有位置基准T5后，判断是否执行运动指令？
若为否，则返回执行有位置基准T5 ；
若为是，则执行同步运动T6;
执行同步运动T6后，判断是否运动结束？
若为否，则返回执行同步运动T6 ；
若为是，则返回执行有位置基准T5。
上述控制流程中循环体执行各个状态对应的代码、根据状态转移规则切换状态、
响应中断；DSP内核的中断管理模块包括AD转换中断htrl、CPU时钟中断htr2、QEP中断 Intr3, CAN 接收中断 htr4。
权利要求
1.一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，以DSP芯片为核心，其特征在于 所述DSP芯片单元(似)其一信号输入端通过CAN通信模块(TO)与电源转换模块(Ul)连接；其另一信号输入端通过模拟信号模块(UlO)与驱动场效应管模块(U6)输出端连接； 其另一信号输入端与电位计接口模块(UU)连接；其另一信号输入端通过光电编码器接口模块(U9)与直流无刷电机接口模块(U17)连接；其另一信号输入端通过霍尔传感器接口模块(U8)与直流无刷电机接口模块(U17)连接；其另一个信号输入端通过连接顺序辨识接口模块(UM)与静电保护芯片模块(U13)连接；其另一个信号输入端通过零极位开关模块(U7)与静电保护芯片模块(U13)连接； 其另一个信号输入端通过光电编码器接口模块(U9)与静电保护芯片模块(UU)输出 端连接；所述DSP芯片单元(似)其一信号输出端与制动器控制模块(Ull)信号输入端连接； 其另一信号输出端依次通过光耦隔离芯片模块(U4)和驱动逻辑芯片模块(U5)与驱动 场效应管模块(U6)信号输入端连接；所述电源转换模块(Ul)输入端和制动器控制模块(Ull)输入端与直流电源接口模块 (U14)输出端连接；所述电源转换模块(Ul)输入端分别与CAN通信模块(U3)、光耦隔离芯片模块(U4)、驱 动逻辑芯片模块⑴5)、制动器控制模块(Ull)和零极位开关模块(U7)连接；所述直流电源接口模块(U14)输出端通过采样电阻(U16)模块与驱动场效应管模块 (U6)连接；所述驱动场效应管模块(U6)分别与模拟信号模块(UlO)和直流无刷电机接口模块 (U17)输入端连接。
2.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述电源转换模块(Ul)包括，第一电压转换芯片(U18)、第二电压转换芯片(U19)、第三电 压转换芯片(U20)、第四电压转换芯片(U21)；所述第一电压转换芯片(U18)和第二电压转换芯片(U19) INPUT弓丨脚与直流电源接口 模块(U14)的+24V引脚相连；所述第三电压转换芯片(U20)和第四电压转换芯片(U21)的INPUT引脚与第二电压转 换芯片(U19) OUTPUT引脚相连；所述第一电压转换芯片(U18)的OUTPUT引脚与驱动逻辑芯片模块(U5)的VCC引脚相连；所述第二电压转换芯片(U19) OUTPUT引脚还与CAN通信模块(U3)、光耦隔离芯片模块 (U4)、零极位开关模块(U7)、霍尔传感器接口模块(U8)、光电编码器接口模块(U9)及制动 器控制模块(Ull)的VCC引脚相连；所述第三电压转换芯片(U20) OUTPUT引脚与DSP芯片单元(U2)、模拟信号模块(UlO)、 电位计接口模块(UU)及连接顺序辨识接口模块(U15)的VCC引脚相连；所述第四电压转换芯片(U21)OUTPUT引脚与DSP芯片单元(U2)VDD引脚相连。
3.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述CAN通信模块(U3)包括，CAN驱动芯片(U22)和CAN总线连接器(U23)；所述CAN驱动芯片(U22)的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器(U23)CANH、CANL 引脚相连；所述CAN驱动芯片(U22)的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片单元(U2)的CANTX、CANRX 引脚相连；所述CAN驱动芯片(U22)的VCC引脚与电源转换模块(Ul)中第二电压转换芯片(U19) 的OUTPUT引脚相连。
4.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述光耦隔离芯片模块(U4)包括，第一 第六光耦芯片(01、02、03、04、05、06)；所述第一 第六光耦芯片(01、02、03、04、05、06)的INPUT引脚分别与DSP芯片单元 (U2)的 PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6 引脚相连；所述第一 第六光耦芯片(01、02、03、04、05、06)的OUTPUT引脚分别与驱动逻辑芯片 模块(U5)的!11附、1^1附、!1顶2、1^1拟、!1顶3、1^讯3引脚连接；所述第一 第六光耦芯片(01、02、03、04、05、06)的VCC引脚与电源转换模块(1)中 第二电压转换芯片(U19)的OUTPUT引脚连接。
5.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述驱动场效应管模块(6)包括，第一 第六场效应管0!1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)；所述第一 第六场效应管Oil、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)的栅极分别与逻辑驱动芯片模块 (U5)的 H01、H02、H03、L01、L02、L03 引脚相连，所述第一 第三场效应管0il、Q2、Q 3)的源极分别与逻辑驱动芯片模块(U5)的VS1、 VS2、VS3引脚相连；所述第四 第六场效应管OH、Q5、Q6)的漏极分别与驱动逻辑芯片模块(U5)的VS1、 VS2、VS3引脚相连，所述第一 第三场效应管0il、Q2、Q3)的漏极分别与直流电源接口模块(U14)+24V引 脚相连，所述第四 第六场效应管0H、Q5、Q6)的源极分别与采样电阻(U16)相连，驱动逻辑芯片模块(U5)的VS1、VS2、VS3引脚分别与直流无刷电机接口模块(17)的 MA, MB, MC引脚相连。
6.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述零极位开关模块(U7)包括，零位开关(Si)、第一 第二极位开关(S2、S3)；所述零位开关(Si)、第一 第二极位开关(S2、S3)的OUTPUT引脚分别与DSP芯片单 元(U2)的 GPI0B3、GPI0B2、GPI0B1 引脚相连；所述零位开关(Si)、第一 第二极位开关(S2、S3)的OUTPUT引脚分别与静电保护芯 片模块(U13)的 INPUT1、INPUT2、INPUT3 引脚相连；所述零位开关(Si)、第一 第二极位开关(S2、S3)的VCC引脚分别与电源转换模块 (Ul)中电压转换芯片模块(19)的OUTPUT引脚相连。
7.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于所述霍尔传感器接口模块(8)的HALL1、HALL2、HALL3引脚分别与DSP芯片单元(U2)的 GPI0B8、GPI0B7、GPI0B6引脚相连；所述霍尔传感器接口(U8)的HALL1、HALL2、HALL3引脚 分别与静电保护芯片模块(U13)的INPUT4、INPUT5、INPUT6引脚相连；所述霍尔传感器接 口 (U8)的VCC引脚与电源转换单元(Ul)中电压转换芯片(U19)的OUTPUT引脚相连;所述连接顺序辨识接口模块(U15)的INPUT、0UTPUT引脚分别与DSP芯片单元(U2)的 GPIOAlUGPI0A12引脚相连；所述连接顺序辨识接口模块(U15)的INPUT、0UTPUT引脚分别 与静电保护芯片模块(U13)的INPUT10、INPUTl 1引脚相连。
8.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述光电编码器接口模块(U9)的A、B引脚通过电阻分别与DSP芯片单元(U2)的QEPl、 QEP2引脚相连；所述光电编码器接口模块(U9)的A、B引脚分别与静电保护芯片模块(U13) 的INPUT7、INPUTS引脚相连；所述光电编码器接口 (U9)的VCC引脚与电源转换模块(Ul) 中电压转换芯片(U19)的OUTPUT引脚相连;所述电位计接口模块(U12)的OUTPUT引脚与DSP芯片单元(U2)的ADCINB3引脚相 连；所述电位计接口模块(U12)的OUTPUT引脚与静电保护芯片模块(U13)的INPUT9引脚 相连；所述电位计接口模块(U12)的VCC引脚与电源转换模块(Ul)中电压转换芯片(U20) 的OUTPUT引脚相连；所述制动器控制模块(Ull)包括，第七光耦芯片(07)、第七场效应管(Q7)、制动器 (BREAK)；所述第七光耦芯片(07)的OUTPUT引脚与第七场效应管0^7)的栅极相连，第七场 效应管0^7)的漏极与制动器(BREAK)的IN-管脚相连，第七场效应管0^7)的源极接地；所 述第七光耦芯片(07)的INPUT管脚与DSP芯片单元(似)的GPI0B0引脚相连；所述制动器 BREAK的IN+管脚与直流电源接口模块(U14)+24V引脚相连。
9.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述模拟信号模块(UlO)包括，初级放大器(UM)、次级放大器(U25)；所述初级放大器(U24)的IN+、IN-引脚串联在采样电阻与驱动场效应管模块(U6)之间；所述初级放大器(U24)的OUTPUT引脚与次级放大器(U25)的IN-引脚相连； 所述初级放大器(UM)的VCC引脚与电源转换模块(Ul)中电压转换芯片(U19)的 OUTPUT引脚相连；所述次级放大器(U25)的IN+引脚通过电阻接地；所述次级放大器(U25)的OUTPUT引脚与DSP芯片单元(U2)的ADCINA3管脚相连，所 述次级放大器(U25)的VCC引脚与电源转换单元(Ul)中电压转换芯片(U20)的OUTPUT引 脚相连。
10.如权利要求1所述的一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统，其特征在于 所述DSP芯片单元(似)的控制步骤流程为首先初始化DSP控制器；然后进入循环体的初始态Tl ；执行构型辨识后，判断是否执行构型辨识指令？若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行连接顺序辨识T2 ；执行连接顺序辨识T2后，判断是否辨识成功？若为否，则返回初始态Tl ；若为是，则执行无位置基准T3 ；执行无位置基准T3后，判断是否执行回零指令？若为否，则返回无位置基准T3 ；若为是，则执行回零T4 ；执行回零T4后，判断是否回零成功？若为否，则返回无位置基准T3;若为是，则执行有位置基准T5;执行有位置基准T5后，判断是否执行运动指令？若为否，则返回执行有位置基准T5 ；若为是，则执行同步运动T6;执行同步运动T6后，判断是否运动结束？若为否，则返回执行同步运动T6 ；若为是，则返回执行有位置基准T5。
全文摘要
本发明涉及一种模块化可重构机器人，具体是公开一种模块化可重构机器人的关节模块控制系统；所述DSP芯片单元信号输入端接有CAN通信模块、模拟信号模块、电位计接口模块、光电编码器接口模块、霍尔传感器接口模块、连接顺序辨识接口模块、零极位开关模块、电编码器接口模块；所述DSP芯片单元信号输出端接有制动器控制模块、光耦隔离芯片模块、驱动逻辑芯片模块；采用电源转换模块为其他各模块供电，采用制动器控制模块掉电制动，使构机器人在运动过程中突然掉制动，保证安全；本控制系统集成度高、系统扩展性强、能实现关节模块复位、连接顺序辨识、位置信息冗余容错、精密伺服、具有掉电制动和过流保护功能。
文档编号G05B19/418GK102103372SQ200910248569
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者何能, 余岑, 姜勇, 潘新安, 王洪光 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所