基于嵌入式的仿人机器人运动控制器的制造方法

文档序号:10228616阅读:564来源:国知局
基于嵌入式的仿人机器人运动控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器,尤其是涉及一种采用ARM微处理器(4)和uC/OS-Π嵌入式操作系统的嵌入式控制器,用于控制多轴电机联动,属于机器人技术领域。
【背景技术】
[0002]在本实用新型之前,纵观国内外对多轴电机联动控制的驱动,其控制方式有多种。国外的运动控制器设计方向有三种特点:基于计算机标准总线的运动控制器;Soft型开放式运动控制器;嵌入式结构的运动控制器。美国Delta Tau数字系统公司的基于DSP技术的PMAC运动控制器,该产品使用Motorola的DSP560002为核心中央处理器,技术很成熟,其特点在于功能强大,适用于复杂运动控制的场合,如机器人等。但其控制点数少,增加控制点数的同时,价格则增加很多,在普通控制场合并不能推广。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的就是克服上述缺陷,提供一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器。
[0004]本实用新型的技术方案是:
[0005]—种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器,该控制器可以控制二十轴自由度联动,并能对编码器和重力加速度传感器反馈的信号有处理能力。本实用新型的技术方案是:一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器,其特征在于语音模块、触摸屏和键盘鼠标分别接在ARM微处理器的语音接口、触摸屏接口及键盘鼠标接口,ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信,并将指令串传输给CPLD复杂可编程逻辑单元输入接口,CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码,并输出给单片机,单片机控制步进电机驱动芯片,驱动步进电机动作,步进电机动作的状态由信号反馈单元反馈给单片机,实现闭环控制;
[0006]语音模块是以LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。LD3320的数据线、地址线采用并行方式直接与ARM微处理器相接,均采用lk欧上拉电阻,A0用于判断是数据段还是地址段;控制信号RDB、WRB、CSB,复位信号RSTB以及中断返回信号INTB与ARM微处理器相接,采用10k欧姆上拉电阻,辅助系统稳定工作;
[0007]ARM微处理器选用ST公司的基于ARM Cortex_M3内核的32位处理器STM32F104ZET6芯片作为主控制器芯片。采用嵌入式操作系统uC/OS-Π来实现统一的任务调度和外围设备管理;
[0008]复杂可编程逻辑单元选用EPM3256ATI144系列CPLD芯片作为地址译码和数据传输。CPLD芯片采用四线制与单片机连接,其中两根线用于地址选择标志位和单片机使能信号,另外两根线作为串口的接收和发送,用于传输数据。CPLD芯片采用广播式控制,保证多个电机运动的一致性,可控制二十轴电机联动;
[0009]信号反馈单元是由绝对式编码器和重力加速度传感器组成,将步进电机(8)的转速及步进电机所在平面的倾斜角度反馈给单片机,单片机处理编码器反馈的数据,实时控制电机的转速并对电机的角度进行补偿,同时将重力加速度传感器反馈的数据传送给ARM微处理器,由ARM微处理器根据D-Η坐标运算,对仿人机器人行走中的每一个关节进行正运动分析和逆运动分析,并将仿人机器人行走时位姿中存在的危险点建立一个库,以满足最大稳定裕度的情况为前提,调节稳定裕度最小的一个关节的电机,使仿人机器人行走更加稳定。
[0010]本实用新型的优点和效果在于外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现对多轴步进电机的速度和定位控制。本实用新型利用语音模块,对语音命令进行采集,也可以使用触摸屏手动输入命令,利用鼠标和键盘接口,外接鼠标和键盘,辅助命令输入,使用简单方便。控制芯片采用uC/OS-n实时操作系统对控制系统的各个模块进行调度,并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能,提供了简洁、友好的人机交互界面,能够显示仿人机器人每个关节电机的运行状态。
[0011 ]本实用新型的其它优点和效果将在下面继续说明。
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型控制器的结构原理方框示意图;
[0013]图2是ARM与CPLD通信I/O分配图;
[0014]图3是本实用新型的具体电路原理图;
[0015]图4是本实用新型的语音采集模块;
[0016]图5是本实用新型的单片机(6)外围电路;
[0017]图6是本实用新型的电机驱动电路;
[0018]图7是本实用新型控制器的电源电路;
【具体实施方式】
[0019]1.ARM微处理器是一种基于精解指令集计算机(RISC)原理而设计的高端微控制器,指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多,这样的简化实现了高的指令吞吐量、出色的中断响应、高性价比的处理器宏单元,既可以运行操作系统,又可以做实时控制使用,与DSP相比,DSP主要是用来计算的数据信号,比如进行加密解密、调制解调等,DSP主要的优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度,而ARM微处理器具有比较强的事务管理功能,可以用于运行应用程序等,其优势主要体现在控制方面,更加适合于工业控制、电机驱动等,另外,ARM微处理器架构是面向低预算市场设计的,成本要比DSP低得多。
[0020]2.CPLD复杂可编程逻辑器件用于指令编译并寻址,主要功能是为ARM微处理器节省接口,减少ARM微处理器发送指令时占用的时间,为ARM微处理器运算位姿算法,节省时间,使系统响应速度快,控制更加精准。
[0021 ] 3.如图1所示:语音模块、触摸屏、键盘鼠标分别接ARM微处理器的语音模块接口、触摸屏接口、鼠标键盘接口,ARM微处理器是采用STM32F104系列芯片,其主频高达72MHz,内置高速存储器(512KB的闪存和64KB的SRAM),具有1.25Mips/MHz的指令执行速度,为复杂算法的加载提供了硬件基础,它具有112个通用输入输出口,本实用新型正是利用了其中的38个GP10与外围部件并行传输数据。
[0022]4.如图2所示:ARM微处理器与CPLD通过22个接口连接即可,其中两个是串口线,剩余的二十根是C8051地址的标志位,CPLD芯片通过4个接口与C8051直接相连,其中两个是RX、TX串口线,其余两个是CE、CS是C8051的使能信号和片选标志位,CPLD可以控制二十个自由度联动,每个自由度占用4个接口,二十个自由度共占用CPLD芯片80个I/O口,CPLD芯片与ARM通讯占用22个I/O口,CPLD芯片共消耗了 102个I/O口,所以本实用新型的芯片是选择CPLD芯片的EPM3256ATI144系列芯片。
[0023]5.如图3所示:P1单元件是标准10针的JTAG下载接口,其中引脚1是测试时钟输入TCK,与微处理芯片的PA14引脚相连,引脚3是测试数据输出TD0,与微处理芯片的PB3引脚相连,引脚4是参考电压输入,与芯片工作电压3.3V相同,引脚5是测试模式选择TMS,与微处理芯片的PA13引脚相连,引脚6是测试复位nRST,与微处理芯片的nRST引脚相连,引脚9是测试数据输入TDI,与微处理芯片的PA15引脚相连,引脚10是GND。
[0024]6.语音模块采用LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。
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