专利名称：一种模块化多功能机器人控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人控制器，具体地说是一种模块化、可扩展接口的多功能机器人控制器。
背景技术：
机器人目前已被广泛应用于诸多领域，包括航空航天、工业制造、抢险救灾、机器人比赛以及科学研究和教育教学等领域，它是一个涉及机、电、控制、测量、信息、通讯、能源材料等学科的综合型科技产品。机器人种类繁多，功能复杂，作为一种代替人力劳动的设备和综合性的研究平台，它正在被各领域、各层次的爱好者、学习者和研究者所广泛接受。控制器是机器人的控制核心，它通过采集外围各种传感器的状态值，并按照用户编写的程序和算法进行计算和处理，使机器人产生相应的预期操作，从而达到某种实际功能。目前采用较多的机器人控制器均具备较强特定功能，但其缺点在于其功能单一，不能够使机器人及控制系统具备较强的柔性，这就要求机器人控制器具备较多的功能和较强的扩展能力。近年来，世界各大公司相继研发出高性能机器人，以法国“ΝΑΟ”机器人为代表的人形机器人已发展到了较高水平，但其控制器专业性强，控制方法复杂，只能作为研究平台和表演机器人，很难执行其他复杂任务，这从另一方面说明了其控制器缺乏一定的柔性，因此也限制了其应用范围的扩展。同时，国内一些机器人公司如北京某机器人公司推出的创意之星机器人套件，虽然其机器人具备某些模块化特性，如拥有下载调试模块、舵机模块、电机驱动模块等，但是这些模块游离于控制器之外，没有与控制器形成有机的整体，并且其控制器接口固定，不具备扩展性，模块间用数据线连接，稳定性差，限制了控制器的应用范围。因此，其控制器模块化程度和可扩展性很难满足柔性机器人控制器要求。另外，现有机器人控制器编程环境一般都依赖于相应研发公司所开发的软件，只能对代码进行二次开发或表层开发，限制了使用者对控制器底层代码的重构，显然很难满足柔性机器人对控制器的需求。因此，针对今后一段时期智能机器人及其智能控制系统的发展需求，开发一种高度模块化、丰富的可扩展功能模块、稳定的模块结构以及可底层编程的通用编程环境的高柔性机器人控制器，是目前急需迫切解决的技术难题之一。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种既能实现多功能控制，又能实现模块化快速切换， 且结构简单，模块扩展更换简便、易于编程和底层开发的模块化多功能机器人控制器。本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种模块化多功能机器人控制器，控制器包括主控模块和接口部分，接口部分包括可扩展数字传感器接口模块、可扩展模拟传感器接口模块、可扩展模拟舵机接口模块、可扩展数字舵机接口模块、下载及仿真接口模块、外扩串行通讯模块、可扩展编码器快速接口模块、可扩展电机驱动接口模块和系统电源集中管理接口模块，接口部分的每个模块都设有数据接口和电源接口，在数据接口和电源接口之间设有静电屏蔽和电磁干扰屏蔽；主控模块通过光电隔离与接口部分各个模块的数据接口连接，接收各模块采集的数据，并向各模块发送指令，完成相应的程序指令任务；所述的系统电源集中管理接口模块中设有传感器供电检测模块、电机功率供电检测检测模块、电机驱动及编码器供电检测模块、舵机供电检测模块、通讯接口机下载供电检测模块和主控制模块供电及检测模块，在系统电源集中管理接口模块中设有微控制器，微控制器接收各个检测模块采集的各电源区域的工作电流和电压状态信息，并控制各个检测模块中保护电路的状态。 所述接口部分的各模块中分别集成有光电隔离器。 所述的可扩展编码器快速接口模块设有和扩展模块接口统一标准的编码器接口， 所述接口部分的各个模块均设有与扩展模块接口标准统一的快速接口。所述的外扩串行通讯模块，可扩展多个从机设备，并且支持标准协议通讯。所述的外扩串行通讯模块还扩展有无线通讯模块，无线通讯模块与外设的远程在线监视模块通讯，向远程在线监视模块通讯传输控制器运行状态值，并显示于可视设备。所述接口部分的各模块通过插接锁紧机构固定于控制器本体上。本实用新型采用megaUS作为控制核心，即主控模块，优化周围辅助电路，引脚根据模块功能划分各功能区，并按照功能进行统一编址，采用光电隔离与各模块对应排布，按照统一标准设置外围接口，同时设置电磁干扰屏蔽。最终，控制器主体包括16位可扩展数字传感器接口、8位可扩展模拟传感器接口、8位可扩展模拟舵机接口、1路可扩展数字舵机接口、4路数字式编码器快速接口、1路用于无线传输的串行通讯接口以及JTAG和ISP仿真下载接口。模块与控制器间的数据信号传输通过数据快速接口和光电隔离，降低了模块信号对控制核心的干扰，电源通过电源快速接口与模块相连，且与数据快速接口分开，能有效降低信号干扰。在任何接口模块上，快速扩展接口都可扩展相同功能模块。所述模块接口具备强大的带载能力，控制器的系统电源集中管理接口模块针对各个模块设有独立的供电区，并可实时采集各供电区的电流、电压等工作状态信息，通过自带的微控制器，根据不同模块电压范围、负载特性等，设置所述电源模块的工作参数和相关运行指标，调节各模块的供电状态和保护状态。所述控制器接口模块包括可扩展数字传感器接口模块、可扩展模拟传感器接口模块、可扩展RC舵机接口模块、数字舵机接口模块、下载及仿真模块、外扩串行通讯模块、 可扩展编码器专用快速接口模块、可扩展电机驱动接口模块和系统电源集中管理接口模块，均设有与扩展接口模块标准完全统一的快速接口，通过快速接口与相应功能模块快速连接。所述接口模块的标准化快速接口包括数据接口和电源接口，数据接口主要传输信息，对接口数少、信息量大的数据口采用USB接口、SPI接口或者串行通讯接口，采用标准化协议，传输速率快、准确度高；对接口数较多、信息量小的采用一线扩展技术，采用D型多芯插接接口，螺丝紧固，便于布线，更有利于快速更换和扩展相应模块。电源接口主要为各模块提供电能，采用双层接线柱，插接后用螺丝紧固，具有传输功率大、体积小、可靠性高等特点。两种接口配合使用，能根据扩展模块的载荷可对电源快速接口进行了带载能力测试处
4理，同时数据快速接口与电源快速接口分离，起到快速连接，可靠传输及静电屏蔽和电磁干扰屏蔽作用。所述主控制器所有引脚根据模块功能划分功能区，并按照功能进行统一编址，采用光电隔离与各模块对应排布，按照统一标准设置外围接口，同时设置电磁干扰屏蔽。所述系统电源集中管理接口模块针对各个模块设有独立的供电区，并可以实时采集各供电区的电流、电压等工作状态信息，通过自带的微控制器，根据不同模块的使用和扩展，设置其工作参数和相关运行指标，调节各模块的供电状态和保护状态。所述外扩串行通讯模块，除可扩展多个从机设备和支持标准协议通讯外，该模块主要用于扩展无线模块与远程在线监视模块通讯。所述控制器支持附加的外部远程在线监视模块，该模块通过与控制器无线通讯， 获取控制器重要运行状态值，并显示于可视设备。本实用新型的有益效果是能实现模块化快速切换，且结构简单，模块扩展更换简便、易于编程和底层开发。采用模块化设计思想，可根据用户的需要对功能模块进行相应的配置，各模块间衔接紧凑且互不干扰，编程方便灵活，能充分发挥控制器的柔性控制特性， 控制器对环境适应能力强，能胜任各种复杂环境下的使用要求。
图1为本实用新型的整体框架环形图；图2为本实用新型的电源管理分配图；图3为本实用新型的数据传输流图。图中标记1、主控模块，2、可扩展数字传感器接口模块，3、可扩展模拟传感器接口模块，4、可扩展数字舵机接口模块，5、可扩展模拟舵机接口模块，6、下载及仿真接口模块， 7、外扩串行通讯模块，8、可扩展编码器快速接口模块，9、可扩展电机驱动接口模块，10、系统电源集中管理接口模块，11、远程在线监视模块，12、传感器供电检测模块，13、电机功率供电检测检测模块，14、电机驱动及编码器供电检测模块，15、舵机供电检测模块，16、通讯接口机下载供电检测模块，17、主控制模块供电及检测模块，18、电机。
具体实施方式
如图1所示，一种模块化多功能机器人控制器，包括主控模块1和接口部分。控制器中功能完全独立的各子模块通过接口部分的各接口连接。接口部分包括可扩展数字传感器接口模块2、可扩展模拟传感器接口模块3、可扩展模拟舵机接口模块5、可扩展数字舵机接口模块4、下载及仿真接口模块6、外扩串行通讯模块7、可扩展编码器快速接口模块8、可扩展电机驱动接口模块9和系统电源集中管理接口模块10。主控模块1负责根据输入的程序采集和处理可扩展数字传感器接口模块2、可扩展模拟传感器接口模块3、可扩展数字舵机接口模块4、可扩展模拟舵机接口模块5、下载及仿真接口模块6、外扩串行通讯模块7、可扩展编码器快速接口模块8、可扩展电机驱动接口模块9和系统电源集中管理接口模块10 的数据信息，然后，向各模块发送指令，完成相应的程序指令任务。接口部分的每个模块都设有数据接口和电源接口，在数据接口和电源接口之间设有静电屏蔽和电磁干扰屏蔽；主控模块1通过光电隔离与接口部分各个模块的数据接口连接，接收各模块采集的数据，并向各模块发送指令。如图2所示，为控制器的电能分配图。所述系统电源集中管理接口模块10针对各个模块设有独立的供电区，系统电源集中管理接口模块10中设有传感器供电检测模块12、 电机功率供电检测检测模块13、电机驱动及编码器供电检测模块14、舵机供电检测模块 15、通讯接口机下载供电检测模块16和主控制模块供电及检测模块17。各个检测模块都设有检测电路和保护电路，在系统电源集中管理接口模块10中设有微控制器，微控制器接收各个检测模块的信息，实时采集各电源区域的工作电流和电压状态信息，一旦发生短路、过流、欠压、过压等非正常现象，则启动该工作区的保护电路，自动执行切断电源，并通过光和声发出警报，提醒使用者；待供电恢复正常，上述电源工作区接通电源恢复工作。特别地，在可扩展电机驱动接口模块9的供电回路中，由于涉及瞬时大电流和持续大电流，因此系统电源集中管理接口模块10对该区域电流进行了严格监控和保护，分别采用短周期扫描采样、断电自恢复保险和熔断保险管进行三重保险，确保系统工作稳定性。如图3所示，为控制器的数据信息流图。为避免对主控制回路造成的影响，传感器、电机驱动器的数据通过光电耦合器传输，由于涉及模块切换和扩展，因此光电隔离器没有按照目前所用方法安排在控制器内部，而是与接口部分的各模块集成，这样就避免了光电隔离通道数量制约模块扩展能力的问题。所述的可扩展数字传感器接口模块2、可扩展模拟传感器接口模块3、可扩展模拟舵机接口模块5以及其它可扩展和跟换的模块，分别与光电隔离器和电源接口集成，并用插接锁紧机构固定于控制器本体，更换该模块时只需松开该锁紧机构，重新安装模块锁紧即可。数据分流采用8通道轮采采样，根据不同接口数的要求，模块的扩展接口数量不一。所述的可扩展编码器快速接口模块8设有和扩展模块接口统一标准的编码器接口，所述接口部分的各个模块均设有与扩展模块接口标准统一的快速接口。所述的外扩串行通讯模块7，可扩展多个从机设备，并且支持标准协议通讯。外扩串行通讯模块7还扩展有无线通讯模块，无线通讯模块与外设的远程在线监视模块11通讯，向远程在线监视模块 11通讯传输控制器运行状态值，并显示于可视设备。所述可扩展数字舵机接口模块4，集成有RS232协议芯片和RS485协议芯片，满足短距及远程数字舵机控制需求，所选扩展模块有单RS232扩展接口模块、单RS485扩展接口模块以及RS232和RS485双协议扩展模块，上述模块接口按照控制器统一标准，用户可根据不同需要更换不同模块。所述下载及仿真接口模块6，同时集成了通用的ISP和JTAG下载模块，只需通过 USB连接线连接至电脑并安装驱动程序，并配合通用的下载和编程仿真软件即可完成下载和仿真,这些软件有AVR_fighter、AVR_stdio等。所述外扩串行通讯模块7，通过扩展无线通讯模块，实现与远程在线监视模块11 的通讯，进而在控制器运行过程中在线监控控制器运行状态，通过监视器的显示设备可获取控制器运行过程中重要的参数值，以此准确判别控制器的运行状态，方便在线调试。所述可扩展编码器快速接口模块8，是集成于控制器的可扩展编码器接口，它支持 4路编码器接入并可扩展，特别能满足轮式机器人等电机控制需要，可有效提高机器人的运动精度和控制精度，进而提高机器人的整体性能。所述可扩展电机驱动接口模块9，支持4路大功率直流电机输出，输出功率根据模块而异，最小单路25W，最大单路150W，电压适用范围6疒36V，采用全桥驱动技术，安全稳定。本实用新型特别设计了严格的过流、过压等保护措施，提高了功率驱动电路的稳定性和安全性。所述控制器可以使用任何一款支持AVR单片机的编程环境进行编程，并提供丰富的功能模块，可通过程序直接调用参与编译，同时支持汇编以及C语言编程，用户可根据控制器的端口地址及扩展模块地址，建立针对性的程序工程，并进行自主底层代码开发。本实用新型采用模块化设计，可根据需要扩展不同的功能模块，采用集中管理的方法管理各接口模块的供电状况，保证运行的稳定性和安全性。系统电源集中管理接口模块10中的检测电路和保护电路，以及各接口模块中的接口电路均可按照现有技术设置。所述控制器具备较高的柔性，表现在采用高度的模块化设计思想，具有丰富的可用功能模块，强大的模块扩展能力、控制器的通讯能力和在线调试能力。模块化多功能机器人控制器可根据用户的需要对功能模块进行相应的配置，各模块间衔接紧凑且互不干扰， 编程方便灵活，能充分发挥控制器的柔性控制特性，因此，模块化多功能机器人控制器对环境适应能力强，能胜任各种复杂环境下的使用要求，可用于比赛机器人、救灾机器人、排险机器人、服务机器人、教学实验平台以及各种智能控制领域；在应用环境发生变化时只需要快速更换功能模块使控制器达到需要即可。
权利要求1.一种模块化多功能机器人控制器，其特征在于控制器包括主控模块(1)和接口部分，接口部分包括可扩展数字传感器接口模块(2)、可扩展模拟传感器接口模块(3)、可扩展模拟舵机接口模块(5)、可扩展数字舵机接口模块(4)、下载及仿真接口模块(6)、外扩串行通讯模块(7)、可扩展编码器快速接口模块(8)、可扩展电机驱动接口模块(9)和系统电源集中管理接口模块(10)，接口部分的每个模块都设有数据接口和电源接口，在数据接口和电源接口之间设有静电屏蔽和电磁干扰屏蔽；主控模块(1)通过光电隔离与接口部分各个模块的数据接口连接；所述的系统电源集中管理接口模块(10)中设有传感器供电检测模块(12)、电机功率供电检测检测模块(13)、电机驱动及编码器供电检测模块(14)、舵机供电检测模块(15)、通讯接口机下载供电检测模块(16)和主控制模块供电及检测模块 (17)，在系统电源集中管理接口模块(10)中设有微控制器，微控制器接收各个检测模块采集的各电源区域的工作电流和电压状态信息，并控制各个检测模块中保护电路的状态。
2.如权利要求1所述的一种模块化多功能机器人控制器，其特征在于所述接口部分的各模块中分别集成有光电隔离器。
3.如权利要求1所述的一种模块化多功能机器人控制器，其特征在于所述的可扩展编码器快速接口模块(8)设有和扩展模块接口统一标准的编码器接口，所述接口部分的各个模块均设有与扩展模块接口标准统一的快速接口。
4.如权利要求1所述的一种模块化多功能机器人控制器，其特征在于所述的外扩串行通讯模块(7)还扩展有无线通讯模块，无线通讯模块与外设的远程在线监视模块(11)通讯，向远程在线监视模块(11)通讯传输控制器运行状态值，并显示于可视设备。
5.如权利要求1所述的一种模块化多功能机器人控制器，其特征在于所述接口部分的各模块通过插接锁紧机构固定于控制器本体上。
专利摘要一种模块化多功能机器人控制器，包括主控模块和接口部分，接口部分包括可扩展数字传感器接口模块、可扩展模拟传感器接口模块、可扩展模拟舵机接口模块、可扩展数字舵机接口模块、下载及仿真接口模块、外扩串行通讯模块、可扩展编码器快速接口模块、可扩展电机驱动接口模块和系统电源集中管理接口模块，接口部分的每个模块都设有数据接口和电源接口；在系统电源集中管理接口模块中设有微控制器，微控制器接收各个检测模块采集的各电源区域的工作电流和电压状态信息，并控制各个检测模块中保护电路的状态。能实现模块化快速切换，且结构简单，模块扩展更换简便、易于编程和底层开发；可根据用户的需要对功能模块进行相应的配置。
文档编号G05B19/042GK202331089SQ20112049632
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月4日 优先权日2011年12月4日
发明者付主木, 吕蒙, 张松灿, 张聚伟, 梁云朋, 肖隽亚, 高爱云 申请人:河南科技大学