外骨骼机器人驱动控制器的制作方法

本实用新型涉及一种机器人驱动控制器，特别涉及一种外骨骼机器人驱动控制器。

（二）、

背景技术：
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外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。由于其安装位置和产生的作用和生物界中的骨骼很相似，故将其称为外骨骼机器人。它不仅能帮助残疾人恢复行走能力，还可避免患者因长时间坐在轮椅上而生压疮，同时还可以改善心脏健康状况、锻炼肌肉强度、缓解抑郁症等。

随着外骨骼机器人的研究和应用的不断推广，电机作为动力单元，越来越广泛地被使用，对电机驱动器和控制器的要求也越来越高，尤其是对机器人电控系统的动态响应速度和运动精度的要求也越来越高。因此，机器人控制系统必须既具备较高的驱动能力和好的控制算法，同时还要保证在恶劣环境下安全可靠的运行，这就对控制器的开发与设计提出了很大的挑战。然而，现有控制系统大多都是驱动器与控制器分离，尺寸较大，精度较差，而且连接相对复杂，不利于在安装尺寸受限的密闭空间内装配。

根据外骨骼机器人的实际工作特性，其理想的控制系统应该使用分布式控制系统架构。即，控制系统有一个中央控制单元，负责机器人运动参数的正逆学解算、发送关节运动参数，统一调配各个关节按照预定轨迹运行、与外部设备进行数据通信，便于实时掌握机器人的运行参数，形成大数据库，增强控制系统的自学习能力。每个关节都有一个驱动控制器，它包含独立的控制单元和驱动单元。关节驱动控制器在接受到中央控制单元的参数后，按照既定轨迹参数驱动关节运动，并且，对中央控制单元的输入参数和光电编码器实际测试位置参数实现闭环控制，以保证驱动控制器的控制精度。从上述特性可以看出。外骨骼机器人的驱动控制器必须具备较强的通信容错能力、驱动能力强、动作响应精确快速、有过流、过压、过热等保护，防止意外情况的发生。

为了实现这种理想的外骨骼机器人关节驱动方式，需要比较复杂的控制电路和驱动电路设计。目前行业内关节驱动器各式各样，从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种处理结构。

所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理，对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种：

(1) 单CPU结构、集中控制方式：

用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢。

(2) 二级CPU结构、主从式控制方式：

一级CPU为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制。这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系。对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难的。

(3) 多CPU结构、分布式控制方式

目前,普遍采用这种上、下位机二级分布式结构,上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU组成,每个CPU控制一个关节运动,这些CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高，但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务。

以上几种类型的控制器存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响,更难以保证高速运动中所要求的精度指标。

构造并行处理结构的机器人控制器一般采用专门开发的专用VLSI，专用VLSI能充分利用机器人控制算法的并行性，芯片内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算，能大大提高运动学、动力学方程的计算速度。但由于专用VLSI是根据具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使用,因此，采用这种方式构造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发。

（三）、

技术实现要素：
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实用新型要解决的技术问题是：提供一种控制精确、可靠，且响应速度快的外骨骼机器人驱动控制器。

本实用新型的技术方案：

一种外骨骼机器人驱动控制器，含有控制模块、电机驱动模块、通讯模块和电源模块，控制模块中含有微处理器、总线驱动器和高精度运动控制器，电机驱动模块中含有逻辑芯片和电机驱动器；微处理器的数据总线通过总线驱动器与高精度运动控制器的数据总线连接，微处理器的控制信号输出端与高精度运动控制器和电机驱动器的控制信号输入端连接，高精度运动控制器的光电编码接口与机器人电机的光电编码器连接，高精度运动控制器的信号输出端通过逻辑芯片与电机驱动器的信号输入端连接，电机驱动器的输出端与机器人电机连接，微处理器的通讯口与通讯模块连接；电源模块为控制模块、电机驱动模块和通讯模块供电。

微处理器是整个驱动控制器的核心，微处理器能够对外部指令进行解析、完成运动学参数解算，实现控制算法、收集并且处理历史数据，形成本地专家库、监控驱动控制器的工作状态。然后把数据传送到的上一级处理单元，以便形成人机交互的调试平台和更大的在线数据库。

微处理器可以把解算后的参数(包含：速度、加速度、位置)发送给高精度运动控制器，然后通过光电编码器采集到的数据进行实时纠偏，实现闭环的PID控制。

为了保证整个驱动控制器的高速响应特性和稳定性，微处理器在发送运动参数之前必须对PID参数Kp,Ki,Kd和I(积分上限)进行设置，防止因为控制器参数不合理而导致系统出现震荡。

总线驱动器可以提高微处理器管脚的输出能力和电平兼容性，保证微处理器对高精度运动控制器进行稳定的控制，杜绝因微处理器驱动能力较弱而造成后级电路误动作。

逻辑芯片中含有第一与非门、第二与非门和第三与非门；高精度运动控制器的方向信号输出端与第一与非门的两个输入端连接，第一与非门的输出端与第二与非门的第一输入端连接，高精度运动控制器的脉冲信号输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的输出端与电机驱动器的第二输入端连接；高精度运动控制器的方向信号输出端还与第三与非门的第一输入端连接，高精度运动控制器的脉冲信号输出端还与第三与非门的第二输入端连接，第三与非门的输出端与电机驱动器的第一输入端连接；微处理器的使能信号输出端与电机驱动器的使能信号输入端连接。

微处理器的片选信号输出端、读信号输出端、写信号输出端、端口选择信号输出端和复位信号输出端分别与高精度运动控制器的片选信号输入端、读信号输入端、写信号输入端、端口选择信号输入端和复位信号输入端连接，高精度运动控制器的主机中断信号输出端与微处理器的主机中断信号输入端连接。

微处理器的型号为：MC9S12XE-Family；总线驱动器的型号为：74LS245N；高精度运动控制器的型号为：LM629M-6；逻辑芯片的型号为：74LS00；电机驱动器的型号为：L6206。

电机驱动器中包含两项全桥电路和过流/过温/欠压保护电路，峰值电流输出能力达11.2A。外部控制电路只需要提供方向和控制脉冲信号就可以启动本电机驱动器，实现对电机的控制。

通讯模块中含有CAN收发器、CAN共模滤波器和CAN通讯接口，微处理器的CAN通讯口先后通过CAN收发器和CAN共模滤波器后与CAN通讯接口连接。

CAN收发器的电源端通过磁珠与供电电源连接；CAN通讯接口的两根通讯线之间并接有双向电压瞬态抑制二极管；CAN收发器的型号为：82C251；CAN共模滤波器的型号为：ACT45B。

通讯模块是驱动控制器接受指令、参数和上传数据的传输通道，使用通讯模块可以大大减少现场的布线长度和复杂度，并且具有较高的通信稳定性和容错能力。特别在多关节系统中，使用CAN总线可以很好地保证各个节点之间高速稳定的通信。

电源模块中含有电压调节器，外部的输入电源通过正向连接的防逆流二极管与电压调节器的输入端连接，电压调节器的输出端和地之间并接有反向连接的肖特基二极管，电压调节器的输出给控制模块、电机驱动模块和通讯模块供电。

电压调节器的型号为：LM2576S-5S。

电源模块主要用来对外部输入电源(例如：锂电池)的电压进行变换处理，为整个驱动控制器提供所需的工作电压和电流。该电源模块具备防反接功能，防止因为用户的疏忽而造成不必要损失。该电源模块可以使整个驱动控制器兼容12V-48V直流电源，能够灵活搭配各种应用，适应不同应用场合的需求。

微处理器含有N个数据总线，该N个数据总线通过N个总线驱动器分别与N个高精度运动控制器的数据总线连接，N个高精度运动控制器的光电编码接口分别与N个机器人电机的光电编码器连接，N个高精度运动控制器的信号输出端通过N个逻辑芯片分别与N个电机驱动器的信号输入端连接，N个电机驱动器的输出端分别与N个机器人电机连接；N为大于等于1的自然数。

实际应用时，通过扩展微处理器的数据总线和控制信号输出端，并且增加总线驱动器、高精度运动控制器、逻辑芯片和电机驱动器的个数，就可以使一个外骨骼机器人驱动控制器控制机器人一个关节上的多个电机或多个关节上的多个电机。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的控制模块中含有微处理器和高精度运动控制器，微处理器可以把解算后的参数发送给高精度运动控制器，并通过光电编码器采集到的数据进行实时纠偏，实现闭环的PID控制，以使高精度运动控制器能够给电机驱动器输送精确的控制信号，电机驱动器中包含两项全桥电路和过流/过温/欠压保护电路，因此，实用新型能够快速准确地对机器人电机进行控制，控制精确、可靠，响应速度快。

2.本实用新型的通讯模块采用CAN收发器和CAN共模滤波器，不仅具有较高的通信稳定性和容错能力，还可大大减少现场的布线长度和复杂度。

（四）、附图说明：

图1为控制模块的电路原理示意图；

图2为电机驱动模块的电路原理示意图；

图3为通讯模块的电路原理示意图；

图4为电源模块的电路原理示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图4，图中，外骨骼机器人驱动控制器含有控制模块、电机驱动模块、通讯模块和电源模块，控制模块中含有微处理器U1、总线驱动器U2和高精度运动控制器U3，电机驱动模块中含有逻辑芯片U5和电机驱动器U6；微处理器U1的数据总线（PB0～PB7）通过总线驱动器U2与高精度运动控制器U3的数据总线（D0～D7）连接，微处理器U1的控制信号输出端与高精度运动控制器U3和电机驱动器U6的控制信号输入端连接，高精度运动控制器U3的光电编码接口（B、A、IN）与机器人电机的光电编码器连接，高精度运动控制器U3的信号输出端通过逻辑芯片U5与电机驱动器U6的信号输入端连接，电机驱动器U6的输出端OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B与机器人电机连接，微处理器U1的通讯口与通讯模块连接；电源模块为控制模块、电机驱动模块和通讯模块供电。

微处理器U1是整个驱动控制器的核心，微处理器U1能够对外部指令进行解析、完成运动学参数解算，实现控制算法、收集并且处理历史数据，形成本地专家库、监控驱动控制器的工作状态。然后把数据传送到的上一级处理单元，以便形成人机交互的调试平台和更大的在线数据库。

微处理器U1可以把解算后的参数(包含：速度、加速度、位置)发送给高精度运动控制器U3，然后通过光电编码器采集到的数据进行实时纠偏，实现闭环的PID控制。

为了保证整个驱动控制器的高速响应特性和稳定性，微处理器U1在发送运动参数之前必须对PID参数Kp,Ki,Kd和I(积分上限)进行设置，防止因为控制器参数不合理而导致系统出现震荡。

总线驱动器U2可以提高微处理器U1管脚的输出能力和电平兼容性，保证微处理器U1对高精度运动控制器U3进行稳定的控制，杜绝因微处理器U1驱动能力较弱而造成后级电路误动作。

逻辑芯片U5中含有第一与非门、第二与非门和第三与非门；高精度运动控制器U3的方向信号输出端PWMSIGN与第一与非门的两个输入端4、5连接，第一与非门的输出端6与第二与非门的第一输入端9连接，高精度运动控制器U3的脉冲信号输出端PWMMAG与第二与非门的第二输入端10连接，第二与非门的输出端8与电机驱动器U6的第二输入端IN2A、IN2B连接；高精度运动控制器U3的方向信号输出端PWMSIGN还与第三与非门的第一输入端13连接，高精度运动控制器U3的脉冲信号输出端PWMMAG还与第三与非门的第二输入端12连接，第三与非门的输出端11与电机驱动器U6的第一输入端IN1A、IN1B连接；微处理器U1的使能信号输出端PA1通过电阻R2与电机驱动器U6的使能信号输入端ENA、ENB连接。

微处理器U1的片选信号输出端PA7、读信号输出端PA5、写信号输出端PA6、端口选择信号输出端PA4和复位信号输出端PA2分别与高精度运动控制器U3的片选信号输入端CS、读信号输入端RD、写信号输入端WR、端口选择信号输入端PS和复位信号输入端RST连接，高精度运动控制器U3的主机中断信号输出端HI与微处理器U1的主机中断信号输入端PA3连接。

微处理器U1的型号为：MC9S12XE-Family；总线驱动器U2的型号为：74LS245N；高精度运动控制器U3的型号为：LM629M-6；逻辑芯片U5的型号为：74LS00；电机驱动器U6的型号为：L6206。

电机驱动器U6中包含两项全桥电路和过流/过温/欠压保护电路，峰值电流输出能力达11.2A。外部控制电路只需要提供方向和控制脉冲信号就可以启动本电机驱动器，实现对电机的控制。

通讯模块中含有CAN收发器U7、CAN共模滤波器U8和CAN通讯接口，微处理器U1的CAN通讯口（RXCAN0、TXCAN0）先后通过CAN收发器U7和CAN共模滤波器U8后与CAN通讯接口连接。

CAN收发器U7的电源端VCC通过磁珠L3与供电电源VCC连接；CAN通讯接口的两根通讯线之间并接有双向电压瞬态抑制二极管D51；CAN收发器U7的型号为：82C251；CAN共模滤波器U8的型号为：ACT45B。

通讯模块是驱动控制器接受指令、参数和上传数据的传输通道，使用通讯模块可以大大减少现场的布线长度和复杂度，并且具有较高的通信稳定性和容错能力。特别在多关节系统中，使用CAN总线可以很好地保证各个节点之间高速稳定的通信。

电源模块中含有电压调节器U9，外部的输入电源通过正向连接的防逆流二极管D6与电压调节器U9的输入端VIN连接，电压调节器U9的输出端OUT和地之间并接有反向连接的肖特基二极管Z2，电压调节器U9的输出给控制模块、电机驱动模块和通讯模块供电。

电压调节器U9的型号为：LM2576S-5S。

电源模块主要用来对外部输入电源(例如：锂电池)的电压进行变换处理，为整个驱动控制器提供所需的工作电压和电流。该电源模块具备防反接功能，防止因为用户的疏忽而造成不必要损失。该电源模块可以使整个驱动控制器兼容12V-48V直流电源，能够灵活搭配各种应用，适应不同应用场合的需求。