專利名稱：一種模塊化多功能機器人控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機器人控制器，具體地說是一種模塊化、可擴展接口的多功能機器人控制器。
背景技術(shù)：
機器人目前已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，包括航空航天、工業(yè)制造、搶險救災(zāi)、機器人比賽以及科學研究和教育教學等領(lǐng)域，它是一個涉及機、電、控制、測量、信息、通訊、能源材料等學科的綜合型科技產(chǎn)品。機器人種類繁多，功能復(fù)雜，作為一種代替人力勞動的設(shè)備和綜合性的研究平臺，它正在被各領(lǐng)域、各層次的愛好者、學習者和研究者所廣泛接受?？刂破魇菣C器人的控制核心，它通過采集外圍各種傳感器的狀態(tài)值，并按照用戶編寫的程序和算法進行計算和處理，使機器人產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)期操作，從而達到某種實際功能。目前采用較多的機器人控制器均具備較強特定功能，但其缺點在于其功能單一，不能夠使機器人及控制系統(tǒng)具備較強的柔性，這就要求機器人控制器具備較多的功能和較強的擴展能力。近年來，世界各大公司相繼研發(fā)出高性能機器人，以法國“ΝΑΟ”機器人為代表的人形機器人已發(fā)展到了較高水平，但其控制器專業(yè)性強，控制方法復(fù)雜，只能作為研究平臺和表演機器人，很難執(zhí)行其他復(fù)雜任務(wù)，這從另一方面說明了其控制器缺乏一定的柔性，因此也限制了其應(yīng)用范圍的擴展。同時，國內(nèi)一些機器人公司如北京某機器人公司推出的創(chuàng)意之星機器人套件，雖然其機器人具備某些模塊化特性，如擁有下載調(diào)試模塊、舵機模塊、電機驅(qū)動模塊等，但是這些模塊游離于控制器之外，沒有與控制器形成有機的整體，并且其控制器接口固定，不具備擴展性，模塊間用數(shù)據(jù)線連接，穩(wěn)定性差，限制了控制器的應(yīng)用范圍。因此，其控制器模塊化程度和可擴展性很難滿足柔性機器人控制器要求。另外，現(xiàn)有機器人控制器編程環(huán)境一般都依賴于相應(yīng)研發(fā)公司所開發(fā)的軟件，只能對代碼進行二次開發(fā)或表層開發(fā)，限制了使用者對控制器底層代碼的重構(gòu)，顯然很難滿足柔性機器人對控制器的需求。因此，針對今后一段時期智能機器人及其智能控制系統(tǒng)的發(fā)展需求，開發(fā)一種高度模塊化、豐富的可擴展功能模塊、穩(wěn)定的模塊結(jié)構(gòu)以及可底層編程的通用編程環(huán)境的高柔性機器人控制器，是目前急需迫切解決的技術(shù)難題之一。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種既能實現(xiàn)多功能控制，又能實現(xiàn)模塊化快速切換， 且結(jié)構(gòu)簡單，模塊擴展更換簡便、易于編程和底層開發(fā)的模塊化多功能機器人控制器。本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種模塊化多功能機器人控制器，控制器包括主控模塊和接口部分，接口部分包括可擴展數(shù)字傳感器接口模塊、可擴展模擬傳感器接口模塊、可擴展模擬舵機接口模塊、可擴展數(shù)字舵機接口模塊、下載及仿真接口模塊、外擴串行通訊模塊、可擴展編碼器快速接口模塊、可擴展電機驅(qū)動接口模塊和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊，接口部分的每個模塊都設(shè)有數(shù)據(jù)接口和電源接口，在數(shù)據(jù)接口和電源接口之間設(shè)有靜電屏蔽和電磁干擾屏蔽；主控模塊通過光電隔離與接口部分各個模塊的數(shù)據(jù)接口連接，接收各模塊采集的數(shù)據(jù)，并向各模塊發(fā)送指令，完成相應(yīng)的程序指令任務(wù)；所述的系統(tǒng)電源集中管理接口模塊中設(shè)有傳感器供電檢測模塊、電機功率供電檢測檢測模塊、電機驅(qū)動及編碼器供電檢測模塊、舵機供電檢測模塊、通訊接口機下載供電檢測模塊和主控制模塊供電及檢測模塊，在系統(tǒng)電源集中管理接口模塊中設(shè)有微控制器，微控制器接收各個檢測模塊采集的各電源區(qū)域的工作電流和電壓狀態(tài)信息，并控制各個檢測模塊中保護電路的狀態(tài)。 所述接口部分的各模塊中分別集成有光電隔離器。 所述的可擴展編碼器快速接口模塊設(shè)有和擴展模塊接口統(tǒng)一標準的編碼器接口， 所述接口部分的各個模塊均設(shè)有與擴展模塊接口標準統(tǒng)一的快速接口。所述的外擴串行通訊模塊，可擴展多個從機設(shè)備，并且支持標準協(xié)議通訊。所述的外擴串行通訊模塊還擴展有無線通訊模塊，無線通訊模塊與外設(shè)的遠程在線監(jiān)視模塊通訊，向遠程在線監(jiān)視模塊通訊傳輸控制器運行狀態(tài)值，并顯示于可視設(shè)備。所述接口部分的各模塊通過插接鎖緊機構(gòu)固定于控制器本體上。本實用新型采用megaUS作為控制核心，即主控模塊，優(yōu)化周圍輔助電路，引腳根據(jù)模塊功能劃分各功能區(qū)，并按照功能進行統(tǒng)一編址，采用光電隔離與各模塊對應(yīng)排布，按照統(tǒng)一標準設(shè)置外圍接口，同時設(shè)置電磁干擾屏蔽。最終，控制器主體包括16位可擴展數(shù)字傳感器接口、8位可擴展模擬傳感器接口、8位可擴展模擬舵機接口、1路可擴展數(shù)字舵機接口、4路數(shù)字式編碼器快速接口、1路用于無線傳輸?shù)拇型ㄓ嵔涌谝约癑TAG和ISP仿真下載接口。模塊與控制器間的數(shù)據(jù)信號傳輸通過數(shù)據(jù)快速接口和光電隔離，降低了模塊信號對控制核心的干擾，電源通過電源快速接口與模塊相連，且與數(shù)據(jù)快速接口分開，能有效降低信號干擾。在任何接口模塊上，快速擴展接口都可擴展相同功能模塊。所述模塊接口具備強大的帶載能力，控制器的系統(tǒng)電源集中管理接口模塊針對各個模塊設(shè)有獨立的供電區(qū)，并可實時采集各供電區(qū)的電流、電壓等工作狀態(tài)信息，通過自帶的微控制器，根據(jù)不同模塊電壓范圍、負載特性等，設(shè)置所述電源模塊的工作參數(shù)和相關(guān)運行指標，調(diào)節(jié)各模塊的供電狀態(tài)和保護狀態(tài)。所述控制器接口模塊包括可擴展數(shù)字傳感器接口模塊、可擴展模擬傳感器接口模塊、可擴展RC舵機接口模塊、數(shù)字舵機接口模塊、下載及仿真模塊、外擴串行通訊模塊、 可擴展編碼器專用快速接口模塊、可擴展電機驅(qū)動接口模塊和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊，均設(shè)有與擴展接口模塊標準完全統(tǒng)一的快速接口，通過快速接口與相應(yīng)功能模塊快速連接。所述接口模塊的標準化快速接口包括數(shù)據(jù)接口和電源接口，數(shù)據(jù)接口主要傳輸信息，對接口數(shù)少、信息量大的數(shù)據(jù)口采用USB接口、SPI接口或者串行通訊接口，采用標準化協(xié)議，傳輸速率快、準確度高；對接口數(shù)較多、信息量小的采用一線擴展技術(shù)，采用D型多芯插接接口，螺絲緊固，便于布線，更有利于快速更換和擴展相應(yīng)模塊。電源接口主要為各模塊提供電能，采用雙層接線柱，插接后用螺絲緊固，具有傳輸功率大、體積小、可靠性高等特點。兩種接口配合使用，能根據(jù)擴展模塊的載荷可對電源快速接口進行了帶載能力測試處
4理，同時數(shù)據(jù)快速接口與電源快速接口分離，起到快速連接，可靠傳輸及靜電屏蔽和電磁干擾屏蔽作用。所述主控制器所有引腳根據(jù)模塊功能劃分功能區(qū)，并按照功能進行統(tǒng)一編址，采用光電隔離與各模塊對應(yīng)排布，按照統(tǒng)一標準設(shè)置外圍接口，同時設(shè)置電磁干擾屏蔽。所述系統(tǒng)電源集中管理接口模塊針對各個模塊設(shè)有獨立的供電區(qū)，并可以實時采集各供電區(qū)的電流、電壓等工作狀態(tài)信息，通過自帶的微控制器，根據(jù)不同模塊的使用和擴展，設(shè)置其工作參數(shù)和相關(guān)運行指標，調(diào)節(jié)各模塊的供電狀態(tài)和保護狀態(tài)。所述外擴串行通訊模塊，除可擴展多個從機設(shè)備和支持標準協(xié)議通訊外，該模塊主要用于擴展無線模塊與遠程在線監(jiān)視模塊通訊。所述控制器支持附加的外部遠程在線監(jiān)視模塊，該模塊通過與控制器無線通訊， 獲取控制器重要運行狀態(tài)值，并顯示于可視設(shè)備。本實用新型的有益效果是能實現(xiàn)模塊化快速切換，且結(jié)構(gòu)簡單，模塊擴展更換簡便、易于編程和底層開發(fā)。采用模塊化設(shè)計思想，可根據(jù)用戶的需要對功能模塊進行相應(yīng)的配置，各模塊間銜接緊湊且互不干擾，編程方便靈活，能充分發(fā)揮控制器的柔性控制特性， 控制器對環(huán)境適應(yīng)能力強，能勝任各種復(fù)雜環(huán)境下的使用要求。

圖1為本實用新型的整體框架環(huán)形圖；圖2為本實用新型的電源管理分配圖；圖3為本實用新型的數(shù)據(jù)傳輸流圖。圖中標記1、主控模塊，2、可擴展數(shù)字傳感器接口模塊，3、可擴展模擬傳感器接口模塊，4、可擴展數(shù)字舵機接口模塊，5、可擴展模擬舵機接口模塊，6、下載及仿真接口模塊， 7、外擴串行通訊模塊，8、可擴展編碼器快速接口模塊，9、可擴展電機驅(qū)動接口模塊，10、系統(tǒng)電源集中管理接口模塊，11、遠程在線監(jiān)視模塊，12、傳感器供電檢測模塊，13、電機功率供電檢測檢測模塊，14、電機驅(qū)動及編碼器供電檢測模塊，15、舵機供電檢測模塊，16、通訊接口機下載供電檢測模塊，17、主控制模塊供電及檢測模塊，18、電機。
具體實施方式
如圖1所示，一種模塊化多功能機器人控制器，包括主控模塊1和接口部分?？刂破髦泄δ芡耆毩⒌母髯幽K通過接口部分的各接口連接。接口部分包括可擴展數(shù)字傳感器接口模塊2、可擴展模擬傳感器接口模塊3、可擴展模擬舵機接口模塊5、可擴展數(shù)字舵機接口模塊4、下載及仿真接口模塊6、外擴串行通訊模塊7、可擴展編碼器快速接口模塊8、可擴展電機驅(qū)動接口模塊9和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10。主控模塊1負責根據(jù)輸入的程序采集和處理可擴展數(shù)字傳感器接口模塊2、可擴展模擬傳感器接口模塊3、可擴展數(shù)字舵機接口模塊4、可擴展模擬舵機接口模塊5、下載及仿真接口模塊6、外擴串行通訊模塊7、可擴展編碼器快速接口模塊8、可擴展電機驅(qū)動接口模塊9和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10 的數(shù)據(jù)信息，然后，向各模塊發(fā)送指令，完成相應(yīng)的程序指令任務(wù)。接口部分的每個模塊都設(shè)有數(shù)據(jù)接口和電源接口，在數(shù)據(jù)接口和電源接口之間設(shè)有靜電屏蔽和電磁干擾屏蔽；主控模塊1通過光電隔離與接口部分各個模塊的數(shù)據(jù)接口連接，接收各模塊采集的數(shù)據(jù)，并向各模塊發(fā)送指令。如圖2所示，為控制器的電能分配圖。所述系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10針對各個模塊設(shè)有獨立的供電區(qū)，系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10中設(shè)有傳感器供電檢測模塊12、 電機功率供電檢測檢測模塊13、電機驅(qū)動及編碼器供電檢測模塊14、舵機供電檢測模塊 15、通訊接口機下載供電檢測模塊16和主控制模塊供電及檢測模塊17。各個檢測模塊都設(shè)有檢測電路和保護電路，在系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10中設(shè)有微控制器，微控制器接收各個檢測模塊的信息，實時采集各電源區(qū)域的工作電流和電壓狀態(tài)信息，一旦發(fā)生短路、過流、欠壓、過壓等非正常現(xiàn)象，則啟動該工作區(qū)的保護電路，自動執(zhí)行切斷電源，并通過光和聲發(fā)出警報，提醒使用者；待供電恢復(fù)正常，上述電源工作區(qū)接通電源恢復(fù)工作。特別地，在可擴展電機驅(qū)動接口模塊9的供電回路中，由于涉及瞬時大電流和持續(xù)大電流，因此系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10對該區(qū)域電流進行了嚴格監(jiān)控和保護，分別采用短周期掃描采樣、斷電自恢復(fù)保險和熔斷保險管進行三重保險，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。如圖3所示，為控制器的數(shù)據(jù)信息流圖。為避免對主控制回路造成的影響，傳感器、電機驅(qū)動器的數(shù)據(jù)通過光電耦合器傳輸，由于涉及模塊切換和擴展，因此光電隔離器沒有按照目前所用方法安排在控制器內(nèi)部，而是與接口部分的各模塊集成，這樣就避免了光電隔離通道數(shù)量制約模塊擴展能力的問題。所述的可擴展數(shù)字傳感器接口模塊2、可擴展模擬傳感器接口模塊3、可擴展模擬舵機接口模塊5以及其它可擴展和跟換的模塊，分別與光電隔離器和電源接口集成，并用插接鎖緊機構(gòu)固定于控制器本體，更換該模塊時只需松開該鎖緊機構(gòu)，重新安裝模塊鎖緊即可。數(shù)據(jù)分流采用8通道輪采采樣，根據(jù)不同接口數(shù)的要求，模塊的擴展接口數(shù)量不一。所述的可擴展編碼器快速接口模塊8設(shè)有和擴展模塊接口統(tǒng)一標準的編碼器接口，所述接口部分的各個模塊均設(shè)有與擴展模塊接口標準統(tǒng)一的快速接口。所述的外擴串行通訊模塊7，可擴展多個從機設(shè)備，并且支持標準協(xié)議通訊。外擴串行通訊模塊7還擴展有無線通訊模塊，無線通訊模塊與外設(shè)的遠程在線監(jiān)視模塊11通訊，向遠程在線監(jiān)視模塊 11通訊傳輸控制器運行狀態(tài)值，并顯示于可視設(shè)備。所述可擴展數(shù)字舵機接口模塊4，集成有RS232協(xié)議芯片和RS485協(xié)議芯片，滿足短距及遠程數(shù)字舵機控制需求，所選擴展模塊有單RS232擴展接口模塊、單RS485擴展接口模塊以及RS232和RS485雙協(xié)議擴展模塊，上述模塊接口按照控制器統(tǒng)一標準，用戶可根據(jù)不同需要更換不同模塊。所述下載及仿真接口模塊6，同時集成了通用的ISP和JTAG下載模塊，只需通過 USB連接線連接至電腦并安裝驅(qū)動程序，并配合通用的下載和編程仿真軟件即可完成下載和仿真,這些軟件有AVR_fighter、AVR_stdio等。所述外擴串行通訊模塊7，通過擴展無線通訊模塊，實現(xiàn)與遠程在線監(jiān)視模塊11 的通訊，進而在控制器運行過程中在線監(jiān)控控制器運行狀態(tài)，通過監(jiān)視器的顯示設(shè)備可獲取控制器運行過程中重要的參數(shù)值，以此準確判別控制器的運行狀態(tài)，方便在線調(diào)試。所述可擴展編碼器快速接口模塊8，是集成于控制器的可擴展編碼器接口，它支持 4路編碼器接入并可擴展，特別能滿足輪式機器人等電機控制需要，可有效提高機器人的運動精度和控制精度，進而提高機器人的整體性能。所述可擴展電機驅(qū)動接口模塊9，支持4路大功率直流電機輸出，輸出功率根據(jù)模塊而異，最小單路25W，最大單路150W，電壓適用范圍6疒36V，采用全橋驅(qū)動技術(shù)，安全穩(wěn)定。本實用新型特別設(shè)計了嚴格的過流、過壓等保護措施，提高了功率驅(qū)動電路的穩(wěn)定性和安全性。所述控制器可以使用任何一款支持AVR單片機的編程環(huán)境進行編程，并提供豐富的功能模塊，可通過程序直接調(diào)用參與編譯，同時支持匯編以及C語言編程，用戶可根據(jù)控制器的端口地址及擴展模塊地址，建立針對性的程序工程，并進行自主底層代碼開發(fā)。本實用新型采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)需要擴展不同的功能模塊，采用集中管理的方法管理各接口模塊的供電狀況，保證運行的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)電源集中管理接口模塊10中的檢測電路和保護電路，以及各接口模塊中的接口電路均可按照現(xiàn)有技術(shù)設(shè)置。所述控制器具備較高的柔性，表現(xiàn)在采用高度的模塊化設(shè)計思想，具有豐富的可用功能模塊，強大的模塊擴展能力、控制器的通訊能力和在線調(diào)試能力。模塊化多功能機器人控制器可根據(jù)用戶的需要對功能模塊進行相應(yīng)的配置，各模塊間銜接緊湊且互不干擾， 編程方便靈活，能充分發(fā)揮控制器的柔性控制特性，因此，模塊化多功能機器人控制器對環(huán)境適應(yīng)能力強，能勝任各種復(fù)雜環(huán)境下的使用要求，可用于比賽機器人、救災(zāi)機器人、排險機器人、服務(wù)機器人、教學實驗平臺以及各種智能控制領(lǐng)域；在應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化時只需要快速更換功能模塊使控制器達到需要即可。
權(quán)利要求1.一種模塊化多功能機器人控制器，其特征在于控制器包括主控模塊(1)和接口部分，接口部分包括可擴展數(shù)字傳感器接口模塊(2)、可擴展模擬傳感器接口模塊(3)、可擴展模擬舵機接口模塊(5)、可擴展數(shù)字舵機接口模塊(4)、下載及仿真接口模塊(6)、外擴串行通訊模塊(7)、可擴展編碼器快速接口模塊(8)、可擴展電機驅(qū)動接口模塊(9)和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊(10)，接口部分的每個模塊都設(shè)有數(shù)據(jù)接口和電源接口，在數(shù)據(jù)接口和電源接口之間設(shè)有靜電屏蔽和電磁干擾屏蔽；主控模塊(1)通過光電隔離與接口部分各個模塊的數(shù)據(jù)接口連接；所述的系統(tǒng)電源集中管理接口模塊(10)中設(shè)有傳感器供電檢測模塊(12)、電機功率供電檢測檢測模塊(13)、電機驅(qū)動及編碼器供電檢測模塊(14)、舵機供電檢測模塊(15)、通訊接口機下載供電檢測模塊(16)和主控制模塊供電及檢測模塊 (17)，在系統(tǒng)電源集中管理接口模塊(10)中設(shè)有微控制器，微控制器接收各個檢測模塊采集的各電源區(qū)域的工作電流和電壓狀態(tài)信息，并控制各個檢測模塊中保護電路的狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多功能機器人控制器，其特征在于所述接口部分的各模塊中分別集成有光電隔離器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多功能機器人控制器，其特征在于所述的可擴展編碼器快速接口模塊(8)設(shè)有和擴展模塊接口統(tǒng)一標準的編碼器接口，所述接口部分的各個模塊均設(shè)有與擴展模塊接口標準統(tǒng)一的快速接口。
4.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多功能機器人控制器，其特征在于所述的外擴串行通訊模塊(7)還擴展有無線通訊模塊，無線通訊模塊與外設(shè)的遠程在線監(jiān)視模塊(11)通訊，向遠程在線監(jiān)視模塊(11)通訊傳輸控制器運行狀態(tài)值，并顯示于可視設(shè)備。
5.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多功能機器人控制器，其特征在于所述接口部分的各模塊通過插接鎖緊機構(gòu)固定于控制器本體上。
專利摘要一種模塊化多功能機器人控制器，包括主控模塊和接口部分，接口部分包括可擴展數(shù)字傳感器接口模塊、可擴展模擬傳感器接口模塊、可擴展模擬舵機接口模塊、可擴展數(shù)字舵機接口模塊、下載及仿真接口模塊、外擴串行通訊模塊、可擴展編碼器快速接口模塊、可擴展電機驅(qū)動接口模塊和系統(tǒng)電源集中管理接口模塊，接口部分的每個模塊都設(shè)有數(shù)據(jù)接口和電源接口；在系統(tǒng)電源集中管理接口模塊中設(shè)有微控制器，微控制器接收各個檢測模塊采集的各電源區(qū)域的工作電流和電壓狀態(tài)信息，并控制各個檢測模塊中保護電路的狀態(tài)。能實現(xiàn)模塊化快速切換，且結(jié)構(gòu)簡單，模塊擴展更換簡便、易于編程和底層開發(fā)；可根據(jù)用戶的需要對功能模塊進行相應(yīng)的配置。
文檔編號G05B19/042GK202331089SQ20112049632
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月4日
發(fā)明者付主木, 呂蒙, 張松燦, 張聚偉, 梁云朋, 肖雋亞, 高愛云 申請人:河南科技大學