基于嵌入式的仿人机器人运动控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，尤其是涉及一种采用ARM微处理器(4)和uC/OS-1I嵌入式操作系统的嵌入式控制器，用于控制多轴电机联动，属于机器人技术领域。
【背景技术】
[0002]在本发明之前，纵观国内外对多轴电机联动控制的驱动，其控制方式有多种。国外的运动控制器设计方向有三种特点:基于计算机标准总线的运动控制器；Soft型开放式运动控制器；嵌入式结构的运动控制器。美国Delta Tau数字系统公司的基于DSP技术的PMAC运动控制器，该产品使用Motorola的DSP560002为核心中央处理器，技术很成熟，其特点在于功能强大，适用于复杂运动控制的场合，如机器人等。但其控制点数少，增加控制点数的同时，价格则增加很多，在普通控制场合并不能推广。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是克服上述缺陷，提供一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，该控制器可以控制二十轴自由度联动，并能对编码器和重力加速度传感器反馈的信号有处理能力。本发明的技术方案是:一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于语音模块、触摸屏和键盘鼠标分别接在ARM微处理器的语音接口、触摸屏接口及键盘鼠标接口，ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信，并将指令串传输给CPLD复杂可编程逻辑单元输入接口，CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码，并输出给单片机，单片机控制步进电机驱动芯片，驱动步进电机动作，步进电机动作的状态由信号反馈单元反馈给单片机，实现闭环控制；
[0006]语音模块是以LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。LD3320的数据线、地址线采用并行方式直接与ARM微处理器相接，均采用lk欧上拉电阻，A0用于判断是数据段还是地址段；控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB以及中断返回信号INTB与ARM微处理器相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作；
[0007]ARM微处理器选用ST公司的基于ARM Cortex_M3内核的32位处理器STM32F104ZET6芯片作为主控制器芯片。采用嵌入式操作系统uC/0S_ II来实现统一的任务调度和外围设备管理；
[0008]复杂可编程逻辑单元选用EPM3256ATI144系列CPLD芯片作为地址译码和数据传输。CPLD芯片采用四线制与单片机连接，其中两根线用于地址选择标志位和单片机使能信号，另外两根线作为串口的接收和发送，用于传输数据。CPLD芯片采用广播式控制，保证多个电机运动的一致性，可控制二十轴电机联动；
[0009]信号反馈单元是由绝对式编码器和重力加速度传感器组成，将步进电机(8)的转速及步进电机所在平面的倾斜角度反馈给单片机，单片机处理编码器反馈的数据，实时控制电机的转速并对电机的角度进行补偿，同时将重力加速度传感器反馈的数据传送给ARM微处理器，由ARM微处理器根据D-Η坐标运算，对仿人机器人行走中的每一个关节进行正运动分析和逆运动分析，并将仿人机器人行走时位姿中存在的危险点建立一个库，以满足最大稳定裕度的情况为前提，调节稳定裕度最小的一个关节的电机，使仿人机器人行走更加稳定。
[0010]本发明的优点和效果在于外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现对多轴步进电机的速度和定位控制。本发明利用语音模块，对语音命令进行采集，也可以使用触摸屏手动输入命令，利用鼠标和键盘接口，外接鼠标和键盘，辅助命令输入，使用简单方便。控制芯片采用UC/0S-1I实时操作系统对控制系统的各个模块进行调度，并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能，提供了简洁、友好的人机交互界面，能够显示仿人机器人每个关节电机的运行状态。
[0011]本发明的其它优点和效果将在下面继续说明。
【附图说明】
[0012]图1是本发明控制器的结构原理方框示意图；
[0013]图2是ARM与CPLD通信I/O分配图；
[0014]图3是本发明的具体电路原理图；
[0015]图4是本发明的语音采集模块；
[0016]图5是本发明的单片机(6)外围电路；
[0017]图6是本发明的电机驱动电路；
[0018]图7是本发明控制器的电源电路；
【具体实施方式】
[0019]1.ARM微处理器是一种基于精解指令集计算机(RISC)原理而设计的高端微控制器，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，这样的简化实现了高的指令吞吐量、出色的中断响应、高性价比的处理器宏单元，既可以运行操作系统，又可以做实时控制使用，与DSP相比，DSP主要是用来计算的数据信号，比如进行加密解密、调制解调等，DSP主要的优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度，而ARM微处理器具有比较强的事务管理功能，可以用于运行应用程序等，其优势主要体现在控制方面，更加适合于工业控制、电机驱动等，另外，ARM微处理器架构是面向低预算市场设计的，成本要比DSP低得多。
[0020]2.CPLD复杂可编程逻辑器件用于指令编译并寻址，主要功能是为ARM微处理器节省接口，减少ARM微处理器发送指令时占用的时间，为ARM微处理器运算位姿算法，节省时间，使系统响应速度快，控制更加精准。
[0021]3.如图1所示:语音模块、触摸屏、键盘鼠标分别接ARM微处理器的语音模块接口、触摸屏接口、鼠标键盘接口，ARM微处理器是采用STM32F104系列芯片，其主频高达72MHz，内置高速存储器(512KB的闪存和64KB的SRAM)，具有1.25Mips/MHz的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件基础，它具有112个通用输入输出口，本发明正是利用了其中的38个GP1与外围部件并行传输数据。
[0022]4.如图2所示:ARM微处理器与CPLD通过22个接口连接即可，其中两个是串口线，剩余的二十根是C8051地址的标志位，CPLD芯片通过4个接口与C8051直接相连，其中两个是RX、TX串口线，其余两个是CE、CS是C8051的使能信号和片选标志位，CPLD可以控制二十个自由度联动，每个自由度占用4个接口，二十个自由度共占用CPLD芯片80个I/O口，CPLD芯片与ARM通讯占用22个I/O 口，CPLD芯片共消耗了 102个I/O 口，所以本发明的芯片是选择CPLD芯片的EPM3256ATI144系列芯片。
[0023]5.如图3所示:P1单元件是标准10针的JTAG下载接口，其中引脚1是测试时钟输入TCK，与微处理芯片的PA14引脚相连，引脚3是测试数据输出TD0，与微处理芯片的PB3弓丨脚相连，引脚4是参考电压输入，与芯片工作电压3.3V相同，引脚5是测试模式选择TMS，与微处理芯片的PA13引脚相连，引脚6是测试复位nRST，与微处理芯片的nRST引脚相连，引脚9是测试数据输入TDI，与微处理芯片的PA15引脚相连，引脚10是GND。
[0024]6.语音模块采用LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。
[0025]7.如图4所示:LD3