本发明涉及一种机器人的控制器，尤其涉及一种基于运动关节的机器人控制器。
背景技术：
早期的机器人控制器控制功能单一，系统繁琐，操作复杂，接口没有统一的标准。进入上世纪80年代以后，机器人控制器由过去的简易控制装置，变成了一个由计算机控制的高性能控制器，之后随着计算机技术的发展和数字信号处理器(dsp)性能的提高和成本的降低，基于dsp的工业机器人控制器的出现，复杂可编程逻辑控制器(cpld)的发展，使得基于dsp和cpld的开放式机器人控制器成为新的研究热点，但服务机器人由于发展缓慢，关于服务机器人控制器这块依旧不足。
随着计算机技术的飞速发展和社会的进步，智能机器人技术的研究已经成为机器人领域的主要发展方向，工业时代智能技术的迅速崛起，使得机器人如同雨后春笋般的迅速发展起来，机器人的功能也越来越多，对机器人控制器的性能也提出了更高的要求，而目前已知的机器人大多都采用繁琐的多个数字舵机或运动关节并联而成，机器人的运动效果受连线及结构影响；同时，一个控制器只能控制一种型号的机器人，例如，人形仿生机器人或者六足仿生机器人只能由各自专有的控制器进行控制，两者无法替换，软件系统也不兼容，这就给用户的使用带来了极大不便；此外，市面上现有的控制器存在体积大，接口少，工艺差，兼容性低等问题，因此在对比不同控制器的优缺点后，自行设计出很适合仿生机器人运动控制的机器人控制器，使得一个控制器能够控制不同型号的机器人，是申请人研究的课题之一。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足以及功能缺失的问题，本发明的目的在于，提供一种基于运动关节的机器人控制器。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于运动关节的机器人控制器，由主控制器和从控制器组成，其特征在于，主控制器和从控制器分工合作，用于人形仿生机器人和六足仿生机器人的控制；主控制器和从控制器通过数据串口相连接，其中：
主控制器包括：控制模块，在控制模块上连接有电源模块、六轴陀螺仪、rom存储器、sd卡存储模块、蓝牙模块、电平转换及通信模块和舵机信号锁存输出模块；
所述蓝牙模块通过蓝牙设备进行交互，所述电平转换及通信模块与pc端进行交互，所述舵机信号锁存输出模块与舵机进行交互；
所述从控制器包括蓝牙接收处理器，在蓝牙接收处理器上连接sd卡存储模块、eeprom存储卡以及电源供给模块。
根据本发明，所述控制模块通过六轴陀螺仪得到机器人的位姿信息，从而精确控制机器人的肢体；rom数据存储器用于存储机器人内部版本信息以及相关配置；sd卡存储模块用于存储用户配置文件；蓝牙模块用于无线传输机器人数据以及相关指令，它配合外部蓝牙设备，建立与机器人的通信；电源模块用于机器人关节以及主控制器的电压供给；信号锁存处理模块用于机器人的关节控制。
进一步的，所述的主控制器的外部接口包括：主控模块接口、模拟串口、数据串口、蓝牙模块接口、六轴陀螺仪接口、人形仿生机器人左胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人左前腿舵机控制线接口、人形仿生机器人左腿舵机控制线接口或六足仿生机器人左中腿舵机控制线接口、人形仿生机器人头部舵机接口或六足仿生机器人左后腿舵机控制线接口、六足仿生机器人右后腿舵机控制线接口、人形仿生机器人右腿舵机控制线接口或六足仿生机器人右中腿舵机控制线接口、人形仿生机器人右胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人右前腿舵机控制线接口、以及电源模块接口；
所述从控制器外部接口包括：数据串口、电池接口、电源线接口、充电外接接口、总开关、指示灯、复位模块、sd卡插入口、以及usb连接口。
从控制器中的模块主要是和用户进行人机交互，提供一个反馈信息，更加集中和明确的向用户沟通信息，形成一个反馈机制。
本发明的基于运动关节的机器人控制器，主要用于控制六足或人形仿生机器人。
附图说明
图1为从控制器外部结构示意图；
图2为主控制器外部结构示意图；
图3是电源模块电原理图；
图4是5v转3.3v电路原理图；
图5是电源总控制框图；
图6是8.4v转5v电压转换框图；
图7是5v转3.3v电压转换框图；
图8是模数转化框图；
图9为电平转换及通信模块内部电路结构图；
图10是电平转换流程框图；
图11为陀螺加速度计mpu6050电路图；
图12为陀螺加速度计mpu6050通信方式框图；
图13为eeprom存储模块电路图；
图14为eeprom存储模块通信方式框图；
图15为蓝牙模块的电路图；
图16为蓝牙模块的通信方式框图；
图17为舵机信号锁存模块电路图；
图18为图17中的sn74ahclg04芯片和74hc126d芯片连接方式框图；
图19是sd卡存储模块具体电路图；
图20是sd卡存储模块连接方式框图；
图21主控制器的电路框图；
图22是从控制器的内部结构框图；
图中的标记分别表示：1、主控模块接口，2、模拟串口，3、数据串口，4、蓝牙模块接口，5、六轴陀螺仪接口，6.1、人形仿生机器人左胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人左前腿舵机控制线接口，6.2、人形仿生机器人左腿舵机控制线接口或六足仿生机器人左中腿舵机控制线接口，6.3、人形仿生机器人头部舵机接口或六足仿生机器人左后腿舵机控制线接口，6.4、六足仿生机器人右后腿舵机控制线接口，6.5、人形仿生机器人右腿舵机控制线接口或六足仿生机器人右中腿舵机控制线接口，6.6、人形仿生机器人右胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人右前腿舵机控制线接口，7、电源模块接口，8.1、电池接口，8.2、电源线接口，9、充电外接接口，10、总开关，11、指示灯，12、复位模块，13、sd卡插入口，14、usb连接口。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本实施例给出一种的基于运动关节的机器人控制器，主要由主控制器和从控制器联立而成，主控制器和从控制器分工合作，用于人形仿生机器人和六足仿生机器人的控制。
参见图1，主控制器外部接口包括：主控模块接口1、模拟串口2、数据串口3、蓝牙模块接口4、六轴陀螺仪接口5、人形仿生机器人左胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人左前腿舵机控制线接口6.1、人形仿生机器人左腿舵机控制线接口或六足仿生机器人左中腿舵机控制线接口6.2、人形仿生机器人头部舵机接口或六足仿生机器人左后腿舵机控制线接口6.3、六足仿生机器人右后腿舵机控制线接口6.4、人形仿生机器人右腿舵机控制线接口或六足仿生机器人右中腿舵机控制线接口6.5、人形仿生机器人右胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人右前腿舵机控制线接口6.6、以及电源模块接口7；
参见图2，从控制器外部接口包括：数据串口3、电池接口8.1、电源线接口8.2、充电外接接口9、总开关10、指示灯11、复位模块12、sd卡插入口13、以及usb连接口14；
主控制器和从控制器通过数据串口3相连接。
其中的电源模块接口7用于供电，且具有过电流保护，过电压保护，短路保护，过载保护等多种保护，以延长电池的寿命。其中的电池容量为3000ma。
主控制器外部接口具体的设置方式为：在主控模块接口1顶部设置模拟串口2和数据串口3，数据串口3即为主控制器和从控制器的连接纽带，用于接收和发送数据。
主控模块接口1的左侧有两个接口，即人形仿生机器人左胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人左前腿舵机控制线接口6.1和人形仿生机器人左腿舵机控制线接口或六足仿生机器人左中腿舵机控制线接口6.2，而在人形仿生机器人左胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人左前腿舵机控制线接口6.1的上方设有蓝牙模块接口4，用于连接外部设备如手机或者其他显示器，主控模块接口1的下方设有六轴陀螺仪接口5，以区别与传统机器人的控制器，该六轴陀螺仪采用高精度的陀螺加速度计mpu6050，通过控制模块读取mpu6050的测量数据然后通过串口输出，免去了用户自己去开发mpu6050复杂的i2c协议，同时精细的工业化pcb布局和工艺保证了mpu6050收到外接的干扰小，测量的精度高。加有陀螺加速度计mpu6050的机器人可自动校准达到更加稳定的动作。通过陀螺加速度计mpu6050，建立一个空间坐标系，实施检测机器人姿态，用于位姿校准。
六轴陀螺仪接口5的下方设有人形仿生机器人头部舵机接口或六足仿生机器人左后腿舵机控制线接口6.3和六足仿生机器人右后腿舵机控制线接口6.4，这两个舵机接口更大程度上是偏重于六足仿生机器人的使用，因为六足仿生机器人所用的舵机的数量要多于人形仿生机器人的数量。主控模块接口1的右侧设有两个接口，即人形仿生机器人右腿舵机控制线接口或六足仿生机器人右后腿舵机控制线接口6.5和人形仿生机器人右胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人右前腿舵机控制线接口6.6，在人形仿生机器人右胳膊舵机控制线接口或六足仿生机器人右前腿舵机控制线接口6.6的上方，还设有电源模块接口7，电源模块接口7同时给主控制器和从控制器供电，即连接从控制器的电源接口8.2。电源接口8.2下方设有电池接口8.1。电源接口8.2的右侧设有充电接口9，该充电接口9紧挨着总开关10，总开关10的右侧是指示灯11，该指示灯11用于显示机器人是否正常工作。
指示灯11的右侧是复位键12，若要机器人在任意状态下恢复初始状态，只需要按复位键12即可，复位键12右侧为sd卡槽13，sd卡槽13用于装sd卡存储模块，可用于播放音乐或者语音等音频文件，从控制器的最右侧设置usb接口14，usb接口14是连接pc端的，用于下载数据或传输数据给机器人。
主控制器包括：控制模块，在控制模块上连接有电源模块、六轴陀螺仪、rom存储器、sd卡存储模块、蓝牙模块、电平转换及通信模块和舵机信号锁存输出模块；
所述蓝牙模块通过蓝牙设备进行交互，所述电平转换及通信模块与pc端进行交互，所述舵机信号锁存输出模块与舵机进行交互；
所述从控制器包括蓝牙接收处理器，在蓝牙接收处理器上连接sd卡存储模块、eeprom存储卡以及电源供给模块。
控制模块通过六轴陀螺仪得到机器人的位姿信息，从而精确控制机器人的肢体；rom数据存储器用于存储机器人内部版本信息以及相关配置；sd卡存储模块用于存储用户配置文件；蓝牙模块用于无线传输机器人数据以及相关指令，它配合外部蓝牙设备，建立与机器人的通信；电源模块用于机器人关节以及主控制器的电压供给；信号锁存处理模块用于机器人的关节控制。
主控制器的控制模块选择本领域公知的stm32f103vet6单片机，该stm32f103vet6单片机具有100路数字输入/输出口(其中16路可作为pwm输出)，16路模拟输入，5路uart接口，一个8mhz晶体振荡器，一个usb口，一个电源插座，一个swdheader和一个复位按钮。内部还有usb转ttl转换电路，所有的信号都将转换成为高低电平的信号控制，实现单片机和pc端的转化。
stm32f103vet6单片机兼容3.3v的嵌入式系统，连接方便。保留了mpu6050的i2c接口，以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求。采用数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。采用邮票孔镀金工艺，品质保证，可嵌入用户的pcb板中。
主控制器中的电源模块(参见图3和图4)，电源模块中的芯片采用的是ams1117-3.3，ams1117-3.3是一种正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器开关电源稳压器电池充电的设备。由于从外部接入设备的电压为8.4v，而控制器中有些芯片需要的电压是5v，有些芯片需要的3.3v的电压，这时就需要将8v电压转化成5v电压(参见图6)，5v电压转化为3.3v电压(参见图7)。转化电压的同时必须加滤波电路，使得电压变成线性电压，否则呈现出的是纹波。此外芯片电源中含有数字信号和模拟信号，所以需要将数字信号通过转换电路成为模拟信号(如图8所示)。
参见图9，图9是主控制器的电平转换及通信模块内部电路结构图，主控模块是ttl电平，而pc端输出的是5v电平，故需要串口转接(其流程框图参见图10)。其中所用的芯片为ch340g(u3)，ch340g(u3)是一个双排16脚的usb总线转接芯片，可实现usb转串口、usb转irda红外或者usb转打印口。在串口方式下，ch340g(u3)提供常用的modem联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到usb总线。
其中，ch340g(u3)的第7管脚连接晶振，晶振两端并联两个电容(c22和c21)，第3管脚通过电容c19与第一管脚连接；第13管脚通过电阻r12连接到三极管q2(s8050)的基极，三极管q2的发射极通过电阻r13连接到三极管q1(s8550)的基极，三极管q2的集电极连接二极管d6(1n4148)和电阻r11，电阻r11接3.3v电压。三极管q1(s8550)的集电极连接3.3v电压，三极管q1(s8550)的发射极连接电阻r14。
图11为陀螺加速度计mpu6050电路图，陀螺加速度计mpu6050为全球首例整合性六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。通过陀螺加速度计mpu6050能够得到机器人的位姿信息，其通信方式如图12所示。
图13为eeprom存储器模块电路图，at24c256芯片是atmel公司256kbit串行电可擦的可编程读写存储器，8引脚双排直插式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片该at24c256芯片，特别适用于具有高容量数据储存要求的数据采集系统。采用使用eeprom存储器模块来存储机器人的初始位置信息，以及动作库和版本信息等不可更改的信息，只供用户调取，其通信方式如图14所示。
图15为蓝牙模块电路图，本实施例中蓝牙模块选择蓝牙4.0模块，蓝牙4.0模块可通过串口接入手机app，遥控器等一系列带有蓝牙控制器的设备，具体通信方式如图16所示。
图17为舵机信号锁存模块的电路图，主要由sn74ahclg04芯片和74hc126d芯片组成，sn74ahclg04芯片和74hc126d芯片连接方式如图18所示。
图19是sd卡存储模块电原理图。这一模块用来存储用户的信息，用户通过专有的sd卡管脚将自己所需的信息上传或者下载，此部分的信息是可自行更改的信息。其连接方式如图20所示。
图21是主控制器的电路框图，包括控制模块，控制模块通过iic1连接mpu6050，通过iic2连接eeprom模块；通过sdio连接sd卡存储模块上传或者下载信息；通过uart1连接舵机信号锁存模块，再连接到舵机；通过uart2连接电平转换及通信模块，然后连接pc端；通过uart3连接到蓝牙模块，再连接到各种带有蓝牙控制器的设备；最后就是电源模块给控制模块提供电源。
图22是从控制器的内部结构框图，包括蓝牙接收处理器，在蓝牙接收处理器上连接sd卡存储模块、eeprom存储卡以及电源供给模块。
从控制器的任务承担比较轻松，它所承担任务就是人机交互部分，具体就是一些所需位置较大的，需要接入外部设备的接口，或者是需要再机器人外观可直接看到触摸到的功能。
本实施例给出的基于运动关节的机器人控制器，主控制器全封在机器人内部而从控制器则半封在机器人内。
主控制器分别控制两条控制系统的舵机运动关节，总的可以控制六条控制系统，用于人形仿生机器人和六足仿生机器人的关节控制均有足够的接口。从控制器设有usb转接模块的外接接口，用于机器人和pc端的数据传输，将pc端的指令上传到机器人，使机器人做出相应的反应；此外从控制器还设有sd卡，用于储存动作或音乐等；所设电池容量为3000ma，以提供足够的电量；电源接口连接主控制器和从控制器，给主控制器和从控制器供电；所设复位键按下以后，机器人在任意状态下均可恢复初始位置；所设指示灯示意用户机器人开机后是否正常以及供电是否正常；所设总开关是机器人的开机键以及充电接口用来给机器人充电。