专利名称：外骨骼硬件控制平台的制作方法
外骨骼硬件控制平台技术领域
本发明属于机电控制领域，具体是一种外骨骼硬件控制平台。
背景技术：
现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。
外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。到了上世纪90年代，由于传感技术、材料技术和控制技术的发展，对外骨骼技术的研究大规模展开。早期的外骨骼仅仅作为一个人机界面来使用，如机器人遥操作系统中的主机械手，人体手臂或手指位姿检测等。90年代中期，力反馈技术和触觉反馈技术开始广泛应用与外骨骼系统。采用力反馈技术后，遥操作的真实感得到增强，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多领域得到了应用。进入21世纪后，由于能源技术、微驱动技术、材料科学、信息技术的发展，各种类型的外骨骼雨后春笋般浮现，外骨骼也逐步向实用化方向发展。
在控制方面，目前世界上比较主流先进的控制方法和思路有很多，比如主从控制、肌电控制、ZMP (零力矩点(Zero Moment Point))控制、直接力反馈控制等等,但是这些控制不仅涉及到大量的数据计算，同时也伴随着大量的数据传输。因此，传统的控制方法对控制端和执行端的电路硬件造成沉重的工作负担，从而进一步影响电路执行效率以及最终的控制效果。发明内容
发明目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种外骨骼硬件控制平台，可以优化外骨骼控制系统的控制结构，减少控制端和执行端电路硬件的工作量，提高整个控制系统的执行效率，改善控制系统的控制效果。
技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种外骨骼硬件控制平台，包括工业主板、PC104总线转CAN总线的通讯适配卡、CAN总线、若干块伺服阀控制板和伺服阀，所述工业主板与通讯适配卡通过PC104总线相连，若干块伺服阀控制板通过CAN总线与通讯适配卡相连，每·块伺服阀控制板与一个伺服阀相连。
进一步的，所述伺服阀控制板包括微控制器、AD前向通道模块、钳位电路模块、功率放大电路模块、CAN收发电路模块、伺服阀控制接口和模拟量反馈接口，外骨骼上的传感器获得的第一模拟量信号通过所述模拟量反馈接口进入AD前向通道模块，AD前向通道模块与微控制器内部的AD功能模块(即ADC，模数转换模块)相连，所述模拟量信号通过AD前向通道模块转化为数字量信号进入微控制器，CAN收发电路模块与微控制器内部的CAN控制器相连，CAN总线上的数据通过CAN收发电路模块与微控制器进行数据交互，功率放大电路模块与微控制器内部的DA功能模块(即DAC，数模转换模块)相连，所述数字量信号通过DA功能模块转化为第二模拟量信号进入功率放大电路模块，所述功率放大电路模块将第二模拟量信号放大后通过伺服阀控制接口控制伺服阀。
具体的，一种外骨骼硬件控制平台，包括两个外部电源、一块主板、一块PC104总线转CAN总线的通讯适配卡(简称“CAN通讯适配卡”、“通讯适配卡”或“适配卡”)、一块电源转换板，若干块伺服阀控制板。一个外部电源为主板供电，一个外部电源为电源转换板供电，电源转换板为若干块伺服阀控制板供电，适配卡与主板通过PC104总线相连，若干块伺服阀控制板通过CAN总线与适配卡相连，每块伺服阀控制板与一个伺服阀相连，套索机构上的传感器又与伺服阀控制板相连。其中:PC104总线转CAN总线的通讯适配卡主要由CAN数据通讯电路，板选译码电路，板内译码电路，数据缓冲电路等组成。电源转换板主要由三个电源电路模块，若干路外设接口构成。每块伺服阀控制板主要由MCU (微控制器)、AD前向通道模块、钳位电路模块、功率放大电路模块、CAN收发电路模块组成。CAN通讯适配卡与工业主板相连。CAN通讯适配卡与若干个伺服阀控制板是通过CAN总线相连。若干个伺服阀控制板是有一个电源转换板统一供电的。在每块伺服阀控制板上，AD前向通道模块与MCU内部AD功能模块 相连，功率放大电路模块与MCU内部DA功能模块相连，钳位电路模块与功率放大电路模块相连，CAN收发电路模块与MCU内部CAN控制器相连。
在控制结构上，本发明采用现场总线CAN进行通讯，整个硬件平台上，各个电路硬件等效成一个个通讯结点。总线上采取广播方式，并采用简化的CANopen协议(本领域技术人员熟知的)，以满足CAN总线上的各节点之间的通讯。
有益效果:与现有技术相比，采用本发明外骨骼硬件控制平台，能够大为简化整个外骨骼的控制流程。简化的CANopen协议也使得整个通讯过程变得简单。各个CAN通讯结点能够较为独立的完成各个指定的功能。另外，本外骨骼硬件控制平台，使用了若干小闭环控制结构，取代了常见的大闭环控制结构，使得各个环节的控制变得简单而且准确，同时，控制流程变得更有移植性。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的伺服阀控制板的逻辑框图。
图3是本发明的CAN通讯适配卡的逻辑框图。
图4是本发明的流程图。
图5是钳位电路模块的电路图。
图6是AD前向通道模块的电路图。
图7是CAN收发电路模块的电路图。
图8是多级运算放大器放大电路的电路图。
图9是功率放大电路模块的电路图。
图10是CAN通讯适配卡板选译码电路的电路图。
图11是CAN通讯适配卡板内译码电路的电路图。
图12是CAN通讯适配卡数据缓冲电路的电路图。
图13是CAN通讯适配卡收发电路的电路图。
图14是电源电路模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1、图2和图3所示，本发明的一种外骨骼硬件控制平台，包括两个外部电源、一块工业主板、一块PC104总线转CAN总线的通讯适配卡(以下简称CAN通讯适配卡)、一块电源转换板、若干块伺服阀控制板。一个外部电源为主板供电，一个外部电源为电源转换板供电，电源转换板为若干块伺服阀控制板供电，适配卡与主板通过PC104总线相连，若干块伺服阀控制板通过CAN总线与CAN通讯适配卡相连，每块伺服阀控制板与一个伺服阀相连。其中，工业主板在建立CAN通讯网络的过程扮演上位机结点，用户对整个CAN通讯网络的操作以及整个网络的工作状态都在基于工业主板的用户界面上，用户可以通过用户界面全面及时地了解这个系统的工作状态。CAN通讯适配卡用于将基于PC104总线的控制命令转化成基于CAN总线的控制命令，将工业主板连接进入CAN通讯网络。CAN通讯适配卡主要由，CAN控制器，CAN数据通讯电路，板选译码电路，板内译码电路，数据缓冲电路等组成。电源转换板的作用是获得整个网络所需的所有电源，充当网络里的电源转接口。电源转换板主要由三个电源电路模块，若干路路外设接口构成。伺服阀控制板用于控制与之相连的伺服阀，每块伺服阀都是通过CAN收发模块连入CAN通讯网络。每块伺服阀控制板主要由MCU、AD前向通道模块、钳位电路模块、功率放大电路模块、CAN收发电路模块组成。
图2所示的是伺服阀控制板的逻辑框图。信号从MCU出发，经过功率放大电路模块，功率放大电路模块输出的模拟量信号通过伺服阀控制接口控制伺服阀。CAN总线上的数据通过CAN收发电路模块与MCU进行交互。外骨骼上(即套索机构上)的传感器获得的数据通过模拟量反馈接口进入AD前向通道模块，再进入MCU。
图3所示的是CAN通讯适配卡的逻辑框图。PC104总线上的逻辑电平信号首先控制板选译码电路，以便选中本CAN通讯适配卡，使之处于使能状态。PC104总线上的地址信号以及板选译码电路输出的控制信号通过板内译码电路，决定使能CAN数据通讯电路A路还是CAN数据通讯电路B路。被使能的那一路CAN数据通讯电路，通过CAN总线与总线上的其他节点进行数据通讯。PC104总线上的数据与CAN总线上的数据，是通过数据缓冲电路和CAN数据通讯电路进行交换的。
图4所示的是伺服阀控制板的流程图。在本发明中，伺服阀控制板有如下状态:初始态、预运行态、运行态、挂起态。各状态说明如下:
1、初始态:上电后进行初始化，默认参数设置，中断开启，单独设置是防止从机死机，主机需要对其软复位，以及CAN累计错误达到上限后需要复位该节点。
2、预运行态:该状态下主要是主机通过SDO对从机的P、1、D、T参数设置，以及对于每个节点的模式设置。
3、挂起态:主机如果出错或者从机因为 CAN错误累计到上限脱离总线会进入到挂起态，挂起态下只能由主机进行状态转换。
4、运行态:根据预运行态下的模式，从机进行主动或者被动运行。
另外，主机操作从机状态转换通过NMT (Network ManagemenT,网络管理)服务。图中①:启动从机(0x01)②:停止从机(0x02)③:进入预运行态(0x80)④:复位到初始态(0x81)。
图5所示的是伺服阀控制板上的钳位电路模块。在本发明中，考虑到终端执行机构伺服阀的性能参数，伺服阀控制板DA输出放大部分的某一节点的电压须钳位在一个范围之内(在本发明中是正负10V，如图8所示)。钳位电路分别用一个同相放大电路和一个反相放大电路实现，具体实现方式详见图5。
图6所示的是伺服阀控制板上的AD前向通道模块。在本发明中每块伺服阀控制板具有五路AD通道，故也就具有五路AD前向通道。模拟量信号在进入AD转换之前，首先进过一个RC滤波，然后经过电压跟随器，最后进入AD转换。具体实现方式详见图6。
图7所示的是伺服阀控制板上的CAN收发电路。由于本发明中使用的MCU中包含着CAN控制核，故我们采用了一个独立CAN收发器以实现数据的收发的功能。具体实现方式详见图7。
图8所示的是多级运算放大器放大电路的电路图，图9所示的是功率放大电路。MCU内置的DA功能模块所产生的电压信号是不能够直接被伺服阀使用的。本发明所涉及的伺服阀是电流控制阀门开口量大小的比例阀。因此，我们采取的做法是，首先进过多级运算放大器放大电路(如图8)，将小电压转换为较大的电压，再经过一个互补对称电路(如图9)，将电压信号转换成电流信号，并扩大输出电流信号。具体实现方式详见图8和图9。
图10所示的是CAN通讯适配卡上的比较电路，也即板选译码电路。为了在不久的将来能够搭载更多的组件，本发明在设计时，添加了板选译码电路，即图9所示的比较电路。在本发明中，比较电路采用一个八位拨码开关和一个74LS688逻辑芯片实现。具体实现详见图10。
图11所示的是CAN通讯适配卡上的板内译码电路。在本发明中，CAN通讯适配卡上具有两路CAN收发电路，然而两路CAN收发电路并不是同时工作的，这就需要有一个译码电路，对这两路CAN收发电路进行有选择的运用。在本发明中，板内译码电路有74LS138、74HC04和74HC08组成。由于版面有限，我们只呈现了其中一部分电路，具体实现详见图11。
图12所示的是CAN通讯适配卡上的数据缓冲电路。图13所示的是CAN通讯适配卡上的CAN收发电路。这两个电路电气上有连接。本发明中，使用了两路CAN通讯收发电路，故为了防止数据冲突，我们使用了 74HC245，达到缓冲数据的功能。具体实现详见图12。在本发明中，我们一共有两路CAN通讯收发电路，图13所示的是其中一路的原理图。在本发明中，CAN收发电路主要是由SJA1000，CTM1050T，74LS07等组成，具体实现详见图13。
图14所示的是电源转换板的原理图。在本发明中，我们需要几种不同的直流电源，这是通过三个电源模块以及其外围电路实现的。具体实现详见图14。该外骨骼硬件平台的工作原理是:用户在工业计算机的用户界面上发送一个控制命令，控制命令在CAN通讯适配卡上经过PC104总线转入CAN总线，进而进入CAN通讯网络。在整个硬件平台上，工业计算机及搭载的CAN通讯适配卡扮演的是上位机的角色。CAN通讯网络里充当下位机的若干个节点，即若干块伺 服阀控制板，根据我们约定的简化的CANopen协议并观察上位机指令的特征，决定是否接收此次命令。不符合接收条件的结点将会退出此次通讯网络，等待下一次总线信号。符合接收条件的结点将接收到的数字信号经过处理转化，并通过伺服阀控制板上MCU内置的DAC模块，转换成所需的模拟电压，模拟电压经过运算放大以及功率放大，转换成控制伺服阀所需的电流量。伺服阀收到伺服阀控制板发出的电流信号后，控制外骨骼动作。末端的各种传感器将获得的表明执行机构的运动状态的电信号反馈给伺服阀控制板，伺服阀控制板根据AD前向通道模块以及MCU内置的ADC模块获得的执行机构运动的数字信息，MCU根据这些数字信息决定进一步的控制方式。与此同时，伺服阀控制板将表明当前执行机构运动状态的电信号，通过CAN总线反馈给上位机以及其他下位机节点。收到其他下位机节点的伺服阀控制板，根据收到的电信号，实时调整自身对伺服阀的控制信号，使得执行机构各部分之间能够更好的协同运动。用户通过工业计算机的用户界面了解到下位机各节点的实 时运动状态后，再输入进行下一步操作指令。
权利要求
1.一种外骨骼硬件控制平台，其特征在于:包括工业主板、PC104总线转CAN总线的通讯适配卡、CAN总线、若干块伺服阀控制板和伺服阀，所述工业主板与通讯适配卡通过PC104总线相连，若干块伺服阀控制板通过CAN总线与通讯适配卡相连，每块伺服阀控制板与一个伺服阀相连。
2.根据权利要求1所述外骨骼硬件控制平台，其特征在于:所述伺服阀控制板包括微控制器、AD前向通道模块、钳位电路模块、功率放大电路模块、CAN收发电路模块、伺服阀控制接口和模拟量反馈接口，外骨骼上的传感器获得的第一模拟量信号通过所述模拟量反馈接口进入AD前向通道模块，AD前向通道模块与微控制器内部的AD功能模块相连，所述模拟量信号通过AD前向通道模块转化为数字量信号进入微控制器，CAN收发电路模块与微控制器内部的CAN控制器相连，CAN总线上的数据通过CAN收发电路模块与微控制器进行数据交互，功率放大电路模块与微控制器内部的DA功能模块相连，所述数字量信号通过DA功能模块转化为第二模拟量信号进入功率放大电路模块，所述功率放大电路模块将第二模拟量信号放大后通过伺服阀控制接口`控制伺服阀。
全文摘要
本发明公开了一种外骨骼硬件控制平台，包括工业主板、PC104总线转CAN总线的通讯适配卡、CAN总线、若干块伺服阀控制板和伺服阀，所述工业主板与通讯适配卡通过PC104总线相连，若干块伺服阀控制板通过CAN总线与通讯适配卡相连，每块伺服阀控制板与一个伺服阀相连。本发明可以优化外骨骼控制系统的控制结构，减少控制端和执行端电路硬件的工作量，提高整个控制系统的执行效率，改善控制系统的控制效果。
文档编号B25J9/16GK103231373SQ201310101300
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者王兴松, 陈龙, 杨剑, 杜峰坡 申请人:东南大学