一种掘进式机器人控制电路的制作方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明涉及一种控制电路，尤其涉及一种用于掘进式机器人的控制电路。
[0002]【背景技术】:
掘进式机器人主要应用于勘测、采矿等领域，它可以根据特定的作业任务要求，通过切害J、钻进、挖取等方式，实现采掘、锚固等功能。由于复杂特殊的工作环境，大部分掘进式机器人都需要人工操作，存在很大的安全隐患；一旦工作人员操作不当，就有可能导致机器人工作的稳定性和准确性急剧降低。同时，在机器人发生故障时，现有的大部分控制电路都缺少必要的安全保护和状态存储功能，这样不仅有可能导致机器人损坏，而且还要求工作人员不得不重新操作，效率较低。
[0003]
【发明内容】
:
本发明提供了一种掘进式机器人控制电路，该电路支持半自主式工作模式，可实现对机器人多个电机的独立控制，同时它拥有电流保护和数据即时存储的功能，稳定性较好，工作效率较高。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下:
一种掘进式机器人控制电路，其特征在于:包括MCU控制电路、上位机存储和控制电路、FPGA运动控制电路、关节电机驱动电路、掘进电机驱动电路、电流检测电路、信号处理电路、关节电机、关节编码器和掘进电机；所述MCU控制电路为主控制电路，分别与所述上位机存储和控制电路和FPGA运动控制电路双向通信连接；所述FPGA运动控制电路与所述关节电机驱动电路和关节编码器相连，读取关节编码器信号并向关节驱动电路发出驱动脉冲；所述关节电机驱动电路与所述关节电机相连，控制关节电机工作；所述掘进电机驱动电路的输入端与所述MCU控制电路相连，接收驱动信号，其输出端与所述掘进电机相连，控制掘进电机工作；所述电流检测电路的输入端分别与所述关节电机驱动电路和所述掘进电机驱动电路相连，实时检测驱动电流的变化；所述信号处理电路的输入端、输出端分别与所述电流检测电路、MCU控制电路相连，将得到的驱动电流信号进行处理并反馈给MCU控制电路。
[0005]作为优选，所述FPGA运动控制电路包括编码器信号处理模块、驱动脉冲输出模块和串行口读写模块，所述编码器信号处理模块对关节编码器信号进行处理，再通过所述串行口读写模块将数据发送至所述MCU控制电路，所述串行口读写模块还负责接收所述MCU控制电路发来的控制指令来控制所述驱动脉冲输出模块输出所述驱动脉冲。
[0006]作为优选，所述信号处理电路包括信号放大电路、AD转换电路和光电隔离电路，所述信号放大电路将所述电流检测电路得到的驱动电流信号放大，提高分辨率，所述AD转换电路将放大后的模拟信号转换成数字信号，最后经过所述的光电隔离电路传给所述的MCU控制电路。
[0007]本发明的掘进式机器人控制电路，以MCU控制电路为核心，通过上位机存储和控制电路来指定相应的工作参数，在工作过程中无需工作人员持续操作，可实现半自主式控制。同时，该控制电路还可以对机器人的各运动关节电机和掘进电机进行实时监控并存储当前的工作状态，包括控制模式和各关节的位置信息，从而有效的提高机器人的工作效率以及它的工作稳定性和安全性。
【附图说明】:
图1是本发明掘进式机器人工作示意图。
[0008]图2是本发明控制电路原理框图。
[0009]图3是本发明控制电路中所述FPGA运动控制电路原理框图。
[0010]图4是本发明控制电路中所述信号处理电路原理框图。
[0011]【具体实施方式】:
本发明一种掘进式机器人控制电路的工作原理图分别如图1、图2所示，包括MCU控制电路、上位机存储和控制电路、FPGA运动控制电路、电流检测电路、信号处理电路、关节电机驱动电路、掘进电机驱动电路、关节电机、关节编码器和掘进电机。其中，MCU控制电路为主控制电路，关节电机主要负责控制机器人各关节运动，掘进电机主要负责完成掘进工作，所述关节编码器采用增量式编码器，本实施例具体采用334线光电增量式编码器，每个关节电机都连接有该编码器。
[0012]上位机存储和控制电路的两端分别连接PC机和MCU控制电路。操作者可以通过PC机设定机器人的工作参数(如掘进角度、掘进深度、掘进速度等)并发送相关的控制指令(如启动，关闭等)，这些参数信息和指令信息首先会保存在上位机存储和控制电路中，再通过USB接口发送至MCU控制电路，同时，MCU控制电路会将机器人的实时位置信息反馈给上位机存储和控制电路。
[0013]如图3所示，FPGA运动控制电路包括编码器信号处理模块、驱动脉冲输出模块和串行口读写模块，串行口读写模块实现FPGA运动控制电路和MCU控制电路的双向通信，MCU控制电路接收到上位机存储和控制电路发送的控制指令后，通过该串行口读写模块向FPGA运动控制电路发送相应的控制指令(如关节的拉伸指令，收缩指令，运行指令，停止指令等)；驱动脉冲输出模块连接关节电机驱动电路，它根据接收到的控制指令，向关节电机驱动电路输出相应的驱动脉冲，从而控制关节电机转动；编码器信号处理模块连接关节编码器，通过处理关节编码器信号来实时获取关节电机的转动角度和转动方向，再通过串行口读写模块反馈给MCU控制电路。
[0014]如图4所示，信号处理电路包括信号放大电路、AD转换电路和光电隔离电路。电流检测电路的输入端分别与关节电机驱动电路和掘进电机驱动电路相连，实时检测驱动电流的变化，并把电流信号转换为电压信号输出，其输出端连接信号放大电路，信号经过放大处理后，再通过AD转换电路进行模数转换，最后通过光电隔离电路传给MCU控制电路。
[0015]以下介绍本发明控制电路的控制原理:
控制电路启动后，MCU控制电路同时开定时器I和定时器2，且定时器I的中断优先级小于定时器2。定时器I中断服务程序负责每隔一段时间通过串口接收一次FPGA运动控制电路发送的关节电机实际转动信息，并通过PID调节实现闭环控制。当关节电机控制机器人关节到达预定位置时，MCU控制电路立即输出驱动脉冲给掘进电机驱动电路，控制掘进电机工作。当任务完成，系统会自动复位，等待下一个操作指令；定时器2中断服务程序每隔一段时间会读取一次由信号处理电路发送的各驱动电路的电流值，并对这些电流值进行判断处理，如果有任意一个电流值超出设定好的阈值，控制电路就会立刻停止运行。
[0016]每次停止运行，上位机存储和控制电路都会自动保存上一个时刻的运行数据，借此获得上一时刻的运行状态。
[0017]每次启动机器人，操作者都可以通过PC机选择是否加载存储数据，上位机存储和控制电路负责将该选择状态通过USB传给MCU控制电路，由此确定是重新工作还是延续上一次的工作状态。
[0018]本发明所述的掘进式机器人控制电路，可以精确控制机器人各电机独立运动，并能够实现对各电机驱动电流的实时检测，提高了机器人的稳定性。同时，该控制电路提供了信息存储功能，操作者根据实际情况确定好任务要求后，机器人控制电路即可自主完成该任务，实现半自主式控制。
【主权项】
1.一种掘进式机器人控制电路，其特征在于:包括MCU控制电路、上位机存储和控制电路、FPGA运动控制电路、关节电机驱动电路、掘进电机驱动电路、电流检测电路、信号处理电路、关节电机、关节编码器和掘进电机；所述MCU控制电路为主控制电路，分别与所述上位机存储和控制电路和FPGA运动控制电路双向通信连接；所述FPGA运动控制电路与所述关节电机驱动电路和关节编码器相连，读取关节编码器信号并向关节驱动电路发出驱动脉冲；所述关节电机驱动电路与所述关节电机相连，控制关节电机工作；所述掘进电机驱动电路的输入端与所述MCU控制电路相连，接收驱动信号，其输出端与所述掘进电机相连，控制掘进电机工作；所述电流检测电路的输入端分别与所述关节电机驱动电路和所述掘进电机驱动电路相连，实时检测驱动电流的变化；所述信号处理电路的输入端、输出端分别与所述电流检测电路、MCU控制电路相连，将得到的驱动电流信号进行处理并反馈给MCU控制电路。
2.根据权利要求1所述的掘进式机器人控制电路，其特征在于:所述FPGA运动控制电路包括编码器信号处理模块、驱动脉冲输出模块和串行口读写模块，所述编码器信号处理模块对关节编码器信号进行处理，再通过所述串行口读写模块将数据发送至所述MCU控制电路，所述串行口读写模块还负责接收所述MCU控制电路发来的控制指令来控制所述驱动脉冲输出模块输出所述驱动脉冲。
3.根据权利要求1所述的掘进式机器人控制电路，其特征在于:所述信号处理电路包括信号放大电路、AD转换电路和光电隔离电路，所述信号放大电路将所述电流检测电路得到的驱动电流信号放大，提高分辨率，所述AD转换电路将放大后的模拟信号转换成数字信号，最后经过所述的光电隔离电路传给所述的MCU控制电路。
【专利摘要】本发明公开一种掘进式机器人控制电路，包括MCU控制电路、上位机存储和控制电路、FPGA运动控制电路、关节电机驱动电路、掘进电机驱动电路、关节电机、关节编码器、掘进电机、电流检测电路和信号处理电路；MCU控制电路与上位机存储和控制电路、FPGA运动控制电路、掘进电机驱动电路、信号处理电路相连，FPGA运动控制电路还连接关节编码器和关节电机驱动电路，电流检测电路与关节电机驱动电路、掘进电机驱动电路及信号处理电路相连，关节电机和掘进电机分别连接相应的驱动电路。本发明可以控制机器人各电机独立运动，对电流进行实时检测，提供了即时信息存储功能，可实现半自主式控制，提高了机器人的工作效率，稳定性和安全性。
【IPC分类】G05D1-02, G05B19-042
【公开号】CN104615136
【申请号】CN201510005543
【发明人】宋爱国, 李松, 张军, 文辞
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月7日