專利名稱：一種兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水下機(jī)器人電機(jī)控制技術(shù)，具體說(shuō)是提供一個(gè)通用的、 分布式的輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置。
背景技術(shù)：
輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人是一種既可以在陸地、灘涂、海底爬行，又可 以在極淺水海域浮游的特種機(jī)器人，能夠在普通陸地爬行機(jī)器人和水下浮游 機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入的極淺水、碎浪帶和海灘區(qū)域考察作業(yè)。這種兩棲機(jī)器人巧 妙地將水下機(jī)器人最常用的螺旋槳推進(jìn)器與陸地爬行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪和爬 行腿結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)模式自動(dòng)切換，從而增強(qiáng)了這種機(jī)器人的 作業(yè)能力。輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人，具有浮游、六足爬 行和四足爬行等運(yùn)動(dòng)模式，其上的電機(jī)較多，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)各臺(tái) 電機(jī)釆用集中式控制，這種控制方式過(guò)分依賴主控計(jì)算機(jī)和電機(jī)集中控制 板， 一旦主控計(jì)算機(jī)或電機(jī)集中控制板發(fā)生故障，整個(gè)兩棲機(jī)器人就會(huì)無(wú)法 運(yùn)行，陷入癱瘓。機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性降低，同時(shí)也不利于系統(tǒng)的裝配、 調(diào)試、故障檢測(cè)與排除以及系統(tǒng)的維護(hù)、維修與保養(yǎng)。由于主控計(jì)算機(jī)以及 電機(jī)集中控制板上的資源是有限的，很難隨意的增加設(shè)備，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 差。隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，兩棲機(jī)器人所搭載的傳感器越來(lái)越多， 完成的使命也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的集中式電機(jī)控制方式無(wú)法滿足兩棲機(jī)器人控 制系統(tǒng)發(fā)展的需求。

實(shí)用新型內(nèi)容
為了克服上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種模塊化、接口簡(jiǎn)單且 獨(dú)立性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、安全性高、工作效率髙、可靠性高的輪槳腿一體化 兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型釆用的技術(shù)方案是 一種兩棲機(jī)器人電 機(jī)控制裝置，所述控制裝置通過(guò)總線模塊與主控計(jì)算機(jī)連接，所述該控制裝 置以A腿微處理器為控制核心，ARM微處理器通過(guò)第一隔離器與CAN收發(fā)器 連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS—85 總線與RS485收發(fā)器連接；A脂微處理器I/O端直接通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器接至第一、第二電機(jī)；ARM微處理器通過(guò)數(shù)/模輸出轉(zhuǎn)換模塊與第一、第 二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，所述第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至第一、第二 電機(jī)；所述第一、第二電機(jī)通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模 塊連接，所述模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊與A腿微處理器連接；ARM微處理器通過(guò)解碼芯片模塊與旋轉(zhuǎn)變壓器連接，且ARM微處理器與旋轉(zhuǎn)電位計(jì)連接；第一電
機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)與ARM微處理器連接，第二電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器與解碼芯 片模塊連接。
控制裝置通過(guò)解碼芯片模塊釆集旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，通過(guò)模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換 模塊釆集電機(jī)的角度、電流及轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)ARM微處理器對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉 環(huán)/定位控制。
所述控制裝置主程序流程為
先執(zhí)行初始化，
啟動(dòng)通信接收任務(wù)、通信發(fā)送任務(wù)和電機(jī)控制任務(wù)，
然后處于循環(huán)狀態(tài)；
在循環(huán)中等待通信任務(wù)通過(guò)郵箱傳遞的指令消息，判斷指令消息類型，
并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，再通過(guò)消息郵箱觸發(fā)相關(guān)任務(wù)； 處理完成指令消息后，程序返回，判定是否結(jié)束？ 若為否，則等待下一個(gè)指令消息； 若為是，則結(jié)束程序。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，更具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本實(shí)用新型靈活布置，易于安裝，提髙了兩棲機(jī)器人結(jié)構(gòu)上空間的 利用，減少了連線的長(zhǎng)度，減輕了兩棲機(jī)器人的重量，同時(shí)也減少故障的發(fā) 生。由于電機(jī)控制裝置為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能模塊，體積小，布置靈活，提 髙了兩棲機(jī)器人整體的利用空間。
2. 本實(shí)用新型易更換和調(diào)試方便，減少工作量。兩棲機(jī)器人上使用的 電機(jī)較多，電機(jī)的控制方式相同，由于釆用相同的控制裝置，因此節(jié)省大量 的開發(fā)時(shí)間和工作量，同時(shí)若哪個(gè)控制裝置出現(xiàn)故障，不影響其它控制裝置， 直接更換一個(gè)即可。
3. 本實(shí)用新型通用性好，降低成本。由于電機(jī)控制裝置相同，可以批
量的進(jìn)行釆購(gòu)、加工，因此節(jié)約成本。
4. 本實(shí)用新型通信接口靈活選擇，適應(yīng)性強(qiáng)。該裝置既有CAN總線接 口模塊又有RS-485總線接口模塊，使用時(shí)可根據(jù)接口需要，將通信線接到 所使用的總線端子上。
5. 本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)故障診斷，容易定位哪個(gè)節(jié)點(diǎn)或電機(jī)出現(xiàn)故障， 由于該控制裝置釆用A腿微處理器作為核心控制器，因此通過(guò)檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 裝置上的信號(hào)，可以判斷出哪個(gè)電機(jī)或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，節(jié)省了排除故障的時(shí) 間。
6. 本實(shí)用新型可獨(dú)立使用也可組成分布式網(wǎng)絡(luò)控制。該裝置由于釆用 CAN總線和RS-485總線接口，因此該裝置可根據(jù)需要單獨(dú)使用或多個(gè)使用而 組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)。7.本實(shí)用新型系統(tǒng)工作效率高，把主控計(jì)算機(jī)的工作分配到節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。 通過(guò)總線把計(jì)算機(jī)主機(jī)的集中式控制任務(wù)分散到控制裝置上執(zhí)行，大大減輕 了主控計(jì)算機(jī)的任務(wù)，提高了系統(tǒng)效率。


圖l-l為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)圖； 圖1-2為本實(shí)用新型整體電路原理圖； 圖2-1為本實(shí)用新型主程序流程圖； 圖2-2為本實(shí)用新型通信接收任務(wù)流程圖； 圖2-3為本實(shí)用新型通信發(fā)送任務(wù)流程圖； 圖2-4為本實(shí)用新型電機(jī)控制任務(wù)流程圖； 圖3為本實(shí)用新型中斷處理程序流程圖； 圖4為本實(shí)用新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用擴(kuò)展示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1-1所示， 一種輪槳腿一體化兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置，所述控制 裝置通過(guò)總線模塊與主控計(jì)算機(jī)連接，接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的通信命令，所 述該控制裝置以A腹微處理器為控制核心(ARM微處理器釆用ARM7系)，ARM 微處理器通過(guò)第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連 接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微 處理器1/0端直接通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接至第一、第二電機(jī)；ARM微 處理器通過(guò)數(shù)/模輸出轉(zhuǎn)換模塊與第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，所述第一、 第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至第一、第二電機(jī)，輸出兩路電機(jī)的控制信號(hào)； 所述第一、第二電機(jī)通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊連接， 所述模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊與ARM微處理器連接；
ARM微處理器通過(guò)解碼芯片模塊與旋轉(zhuǎn)變壓器連接，且ARM微處理器與旋 轉(zhuǎn)電位計(jì)連接；第一電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)與ARM微處理器連接，第二電機(jī)通 過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器與解碼芯片模塊連接。控制裝置釆集各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的信息 及傳感器的信息，這些命令和信息經(jīng)過(guò)ARM微處理器處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電 機(jī)的控制。所述總線模塊有兩種類型， 一種為CAN總線，另一種為兩線制 RS-485總線，兩種方式通過(guò)接線端子進(jìn)行選擇，總線模塊選擇其中一種類型。 ARM微處理器通過(guò)模擬量輸入接口模塊釆集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等信息，ARM微 處理器的A/D接口通過(guò)釆集旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的輸出值，釆集第一電機(jī)的位置信息。 A腿微處理器通過(guò)解碼芯片模塊與旋轉(zhuǎn)變壓器相連，釆集與旋轉(zhuǎn)變壓器相連 的第二電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速及位置信息。
如圖1-2所示，所述控制裝置通過(guò)CAN總線和RS-485總線與外部主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交換。CAN總線通過(guò)CAN收發(fā)器U9-2，經(jīng)第一隔離器隔離后 與ARM微處理器U1的CAN管腳相連;RS-485總線通過(guò)RS-485收發(fā)器U10-4 經(jīng)第二隔離器隔離后與ARM微處理器Ul的UARTO管腳相連。該控制裝置是 以A腹微處理器U1為核心，通過(guò)尸c管腳與數(shù)/模輸出轉(zhuǎn)換模塊U3相連，其 輸出兩路0 5V的模擬電壓信號(hào)至第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制第一、第二 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，ARM微處理器U1通過(guò)I/0管線來(lái)控制第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 勢(shì)能、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等；模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊U7-4采集第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的轉(zhuǎn)速與電流反饋信號(hào)，并反饋信號(hào)至ARM微處理器Ul。 ARM微處理器Ul 通過(guò)解碼芯片模塊旋轉(zhuǎn)變壓器相連提高了對(duì)輪槳或足板的控制精度。旋轉(zhuǎn)變 壓器解碼芯片U2輸出激勵(lì)信號(hào)經(jīng)緩沖放大后，激勵(lì)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子，從 其定子繞組輸出的感應(yīng)信號(hào)再返回解碼芯片模塊進(jìn)行解碼處理，然后解碼芯 片模塊通過(guò)SPI0+I/O管腳向A腿微處理器Ul回傳解算之后的角速度和角度 信號(hào)。而旋轉(zhuǎn)電位計(jì)則與ARM微處理器Ul的A/D管腳相連。A腹微處理器 Ul通過(guò)總線模塊接收主控機(jī)命令之后，通過(guò)既定策略進(jìn)行處理后對(duì)電機(jī)進(jìn)行 控制，并釆集電機(jī)驅(qū)動(dòng)器反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的雙 閉環(huán)控制。在第二電機(jī)的輸出軸上設(shè)有旋轉(zhuǎn)變壓器釆集輸出軸的轉(zhuǎn)速及位置 信息，第一電機(jī)則設(shè)有旋轉(zhuǎn)電位計(jì)釆集位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的精 確控制。
ARM微處理器Ul釆用jLtCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各驅(qū)動(dòng)及主程序
編寫釆用嵌入式c語(yǔ)言。pcos-n是一種可設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級(jí)的、多任務(wù)嵌入
式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各任務(wù)之間可以通過(guò)消息隊(duì)列、互斥信號(hào)量以及消息郵箱
通信。nCOS-II及程序經(jīng)過(guò)匯編后，通過(guò)JTAG調(diào)試口下載到ARM微處理器 Ul的片內(nèi)Flash,上電之后自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)程序的編寫包括中斷處理程序、 驅(qū)動(dòng)程序是基于HCOS-II的任務(wù)設(shè)計(jì)。
如圖2-1所示，控制裝置主程序的具體流程為
先執(zhí)行HCOS-II、硬件及硬件驅(qū)動(dòng)的初始化，并啟動(dòng)通信接收任務(wù)、通
信發(fā)送任務(wù)和兩個(gè)優(yōu)先級(jí)相同的電機(jī)控制任務(wù)，然后處于循環(huán)狀態(tài)；
在循環(huán)中等待通信接收任務(wù)通過(guò)郵箱傳遞的指令消息，對(duì)消息類型與數(shù)
據(jù)進(jìn)行分析處理后，再通過(guò)消息郵箱觸發(fā)相關(guān)任務(wù)；
處理完指令消息后，判斷是否結(jié)束，若否，則主程序返回，等待下一個(gè) 指々消息.若是，貝ij結(jié)束。
如￡'2-2所示，通P信接收任務(wù)初始化之后，循環(huán)等待各中斷的郵箱消息。 在郵箱消息到來(lái)之后，先判斷是否為CAN總線消息，如是，則根據(jù)既定CAN 總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析；如否，則判斷是否為RS-485總線消息，如果是， 則根據(jù)既定RS-485總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)解析的結(jié)果，再通過(guò)消息 郵箱傳送到主程序任務(wù)。
如圖2-3所示，通信發(fā)送任務(wù)初始化之后，循環(huán)等待主程序的郵箱消息。 在郵箱消息到來(lái)之后，先判斷是否通過(guò)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如是，則根據(jù)既定CAN總線協(xié)議生成數(shù)據(jù)報(bào)；如否，則判斷是否通過(guò)RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù), 如果是，則根據(jù)既定RS-485總線協(xié)議生成數(shù)據(jù)報(bào)。然后通過(guò)設(shè)置消息郵箱， 觸發(fā)相關(guān)中斷完成數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送。
如圖2-4所示，兩個(gè)電機(jī)控制任務(wù)初始化之后，循環(huán)等待主程序的郵箱 消息。然后判斷是否為閉環(huán)控制，并依據(jù)相關(guān)控制策略完成對(duì)兩路電機(jī)的控 制。在閉環(huán)控制中，需要采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的電流、轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)，還需要
采集旋轉(zhuǎn)變壓器和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)等的輸出信號(hào)。
如圖3所示，兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置中斷服務(wù)程序主要有3中類型 CAN總線中斷負(fù)責(zé)CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；RS-485總線中斷負(fù)責(zé)RS-485 總線的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送；定時(shí)器中斷則在相關(guān)任務(wù)用到定時(shí)器時(shí)，進(jìn)行相關(guān) 中斷處理。在接收到中斷后，A腿7根據(jù)終端類型轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序， 執(zhí)行完中斷服務(wù)程序之后中斷返回。
如圖4所示，兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置可通過(guò)CAN總線或RS-485總線 進(jìn)行擴(kuò)展，與其它控制節(jié)點(diǎn)形成分布式的控制網(wǎng)絡(luò)，控制裝置節(jié)點(diǎn)彼此獨(dú)立， 可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)增加或減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)也可根據(jù)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的實(shí)際位置來(lái)靈活布置電機(jī)控制裝置的位置，從而提高了水下機(jī)器人上空間 的合理利用，使整個(gè)機(jī)器人變得非常緊湊。
權(quán)利要求1.一種兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置，所述控制裝置通過(guò)總線模塊與主控計(jì)算機(jī)連接，其特征在于所述該控制裝置以ARM微處理器為控制核心，ARM微處理器通過(guò)第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微處理器I/O端直接通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接至第一、第二電機(jī)；ARM微處理器通過(guò)數(shù)/模輸出轉(zhuǎn)換模塊與第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，所述第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至第一、第二電機(jī)；所述第一、第二電機(jī)通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊連接，所述模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換模塊與ARM微處理器連接；ARM微處理器通過(guò)解碼芯片模塊與旋轉(zhuǎn)變壓器連接，且ARM微處理器與旋轉(zhuǎn)電位計(jì)連接；第一電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)與ARM微處理器連接，第二電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器與解碼芯片模塊連接。
2.按照權(quán)利要求1所述一種兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置，其特征在于 所述控制裝置通過(guò)解碼芯片模塊釆集旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，通過(guò)模/數(shù)輸入轉(zhuǎn)換 模塊釆集電機(jī)的角度、電流及轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)ARM微處理器對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán) /定位控制。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種兩棲機(jī)器人電機(jī)控制裝置，所述控制裝置通過(guò)總線模塊與主控計(jì)算機(jī)連接，所述該控制裝置以ARM微處理器為控制核心，ARM微處理器通過(guò)第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微處理器I/O端直接通過(guò)第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接至第一、第二電機(jī)；ARM微處理器通過(guò)數(shù)/模輸出轉(zhuǎn)換模塊與第一、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接；第一電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)與ARM微處理器連接，第二電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器與解碼芯片模塊連接。本裝置接口通用性好，易更換；體積小布置靈活，易于安裝；結(jié)構(gòu)清楚，調(diào)試方便，成本低，可靠性高，并可實(shí)現(xiàn)故障診斷。
文檔編號(hào)B25J13/00GK201385313SQ20092001321
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者余元林, 俞建成, 威 郭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所