专利名称：基于通用串行总线接口的个人机械臂系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于通用串行总线(USB)接口的个人机械臂系统，涉及机器人与计算机接口技术。
本发明的上述目的可以通过提供一种基于通用串行总线USB接口连结方式的个人机械臂系统实现，系统包括USB接口单元、数字信号处理单元、控制与执行单元、传感器单元以及个人计算机单元等部分。数字信号处理单元采用数字信号处理器件(DSP)，控制与执行单元由单片机实现。DSP所处理的信息主要有来自个人计算机的任务解释、各传感器传来的数据分析以及最后的决策。采用单片机作为控制与执行单元，主要是就DSP的决策完成对执行部件的控制及传感器数据处理。
机械臂系统与个人计算机的信息交互通过USB接口来进行。USB接口单元一端连接个人计算机单元，另一端连接数字信号处理单元，数字信号处理单元还同控制执行单元相连，传感器单元同数字信号处理单元以及控制与执行单元相连接以组成反馈。
操作人员通过人机接口指定机械臂所要完成的任务，这个所要执行的任务由个人计算机通过USB接口传送到数字信号处理单元，并由数字信号处理单元分解为相应的控制指令，进一步传送给控制与执行机构单元。控制与执行机构单元可由单片机来实现，根据单片机功能，可以实现1-6个关节(自由度)的机械臂的驱动。控制与执行机构单元根据这些数字信号处理单元传来的控制指令控制机械臂的各个关节运动。传感器单元负责感知外界环境以及各关节的运动特征参数，并作为反馈信息传送到数字信号处理单元和控制与执行单元，这些信息既被用于形成闭环控制又通过USB接口被传递到个人计算机以供操作人员监控。
本发明的机械臂关节运动规划由机械臂系统本身提供，并非直接来自个人计算机，个人计算机只给出任务说明，机械臂的DSP单元将任务分解并解释，并结合由传感器传送来的反馈信息得到各关节相应的控制信号，机械臂的自主能力很强。
本发明的基于USB的即插即用式机械臂系统，其硬件以及软件都采用模块化设计，因此机械臂系统的升级以及功能改变十分方便。USB接口部分独立分离设计，当机械臂采用其他的即插即用方式时，只需更改USB接口部分就可以了，整个系统十分灵活。
本发明的系统利用USB接口技术实现了个人计算机对机械臂即插即用式的控制。USB提供了热拔插功能，并被当前主流操作系统(如Windows98、2000、NT)支持；通过USB接口，个人计算机可以方便地对机械臂动态控制，并且动态地得到参数配置，同时实现机械臂的控制信号以及图像信号的传递。当前最新的USB2.0版本提供了最高达480Mbit/s的通讯带宽，完全满足机械臂的控制以及图像信号的传递。通过USB接口的电器特性以及个人计算机操作系统对USB的支持，机械臂系统实现了即插即用的功能。这种结构使得机械臂的使用更加灵活、方便，特别适合服务类机械臂。
图2为USB与DSP接口以及数据传输说明图。
图3为DSP和控制与执行单元(由8051实现)的连接图，以及8051对机械臂驱动、机械臂速度反馈说明图。
图4为DSP接收USB数据软件流程图。
图5为DSP发送数据到USB软件流程图。
图6为DSP与8051接口软件流程图。
图7为8051对机械臂驱动程序以及速度反馈程序流程图。
由
图1所示，机械臂系统的即插即用技术由USB接口实现，USB由Intel提出，其提供了热拔插的功能，并被当今主流的操作系统支持；对于机械臂的处理单元，由两部分构成，数字信号处理单元由DSP构成，其本身的硬件特性使得DSP在对数字信号处理方面比一般的X86处理器有着极大的优势。其所要处理工作主要有来自个人计算机的任务解释、各传感器传来的数据分析以及最后的决策。采用一块单片机作为控制与执行单元，主要是就DSP的决策完成对执行部件的控制及传感器数据处理。传感器单元包括视觉、位置传感器(视需要可加入听觉、声纳、力觉等多种类型传感器)。位置传感器与单片机、电机构成闭环系统，实现位置控制，视觉传感器将图像信号通过USB口传于PC机，以便于操作者观察。
基于USB的即插即用机械臂软件结构包括人机接口部分、USB接口部分、控制数据DSP处理及传感器融合部分、DSP与单片机通讯部分、执行机构控制部分。通过人机接口模块，操作人员可以发送任务请求以及通过图像对机械臂当前状态进行监视。USB接口部分由两个模块组成，一个是个人计算机中USB上位机驱动，主要完成个人计算机对特殊USB数据传输的支持，另一部分是下位机的驱动，完成USB的功能设定。控制数据DSP处理及传感器融合部分完成了DSP对来自个人计算机的任务信息的变换，并得到可以直接控制执行部件的执行信号，同时通过多个传感器送来的信息进行融合，得到当前机械臂状态，根据当前状态决定执行信号的发送，这些执行信号由DSP传送给控制与执行单元。控制与执行单元接收来自DSP的执行信号，对执行电机进行驱动，并通过位置传感器的反馈信号对执行机构进行精确控制。
由图2可见，USB协议由芯片AN2131实现。个人计算机通过自身的USB主接口把数据传送到AN2131，后者将传来的数据发送到先入先出芯片(FIFO)，DSP通过读写FIFO做到对USB端口的访问。AN2131采用Bulk模式传输数据，本系统中采用单向先入先出芯片(单向FIFO)。共采用两片，一片用于发送数据缓冲，另一片用于接收数据缓冲(就DSP端来看)。
数字信号处理单元DSP与单片机(8051)的连接，以及8051对机械臂驱动、机械臂速度反馈见图3。这一模块从DSP处得到下一步的速度，然后驱动机械臂改变速度，达到给定。DSP与8051的通讯量不大，采用软件仿真IIC方式实现二者的通讯。8051通过I/O口直接发送脉冲到电机驱动器进而控制机械臂的运行。机械臂上安装霍尔元件编码器，在机械臂运动时其向8254计数器发送脉冲，8254通过计数这些脉冲得到机械臂的当前运行角速度。
根据图4、图5，数字信号处理单元DSP与USB接口芯片AN2131通过先入先出芯片(FIFO)连接。这样，DSP读数据的操作只是对于FIFO而言。只有一些控制同步信号要在DSP与AN2131之间传输。DSP对FIFO的读写通过FIFO满以及FIFO空两个标志得到控制。当DSP从AN2131处接收数据时，判断FIFO空标志，FIFO内无数据时，空标志为真，此时DSP等待直到有数据为止，空标志为假则收数据，收完后返回。当DSP发送数据到AN2131时，DSP判断FIFO满标志，如果FIFO满，则暂停写FIFO操作，并发送中断给AN2131，通知其读取FIFO中的数据，AN2131读取完毕后给DSP发送中断作为应答，DSP收到应答后恢复数据发送。
根据图6，数字信号处理单元DSP与单片机8051通讯软件模拟IIC方式实现。DSP端利用多通道缓冲串行接口McBSP模拟IIC总线。首先在DSP端将机械臂各自由度的运动转化为控制字；然后设定McBSP接口为通用输入输出模式GPIO，通过写McBSP接口控制字来控制其用于模拟IIC总线的管脚电平；最后根据IIC总线协议将控制字发送给单片机8051。
根据图7，机械臂通过PID算法进行控制。其中单片机8051通过读取计数器8254得到各关节的速度。由DSP计算得到一个自由度的运行速度，此速度即为要达到的设定速度，通过读取计数器8254在设定时间(10ms)内的计数值得到该自由度当前的速度，将设定速度以及当前速度代入PID算法中，得到控制量，此控制量为单片机向该自由度下一步发送的脉冲周期。单片机8051通过I/O口发送脉冲给机械臂驱动器，通过脉冲周期改变机械臂的运动速度。
权利要求
1.一种基于通用串行总线接口的个人机械臂系统，其特征在于机械臂系统与个人计算机的信息交互通过串行总线USB接口来进行，USB接口单元一端连接个人计算机单元，另一端连接数字信号处理单元，数字信号处理单元还同控制执行单元相连，传感器单元同数字信号处理单元以及控制与执行单元相连接以组成反馈，机械臂所要执行的任务由个人计算机通过USB接口传送到数字信号处理单元，并由数字信号处理单元分解为相应的控制指令，进一步传送给控制与执行机构单元，控制与执行机构单元根据这些数字信号处理单元传来的控制指令控制机械臂的各个关节运动，传感器单元感知外界环境以及各关节的运动特征参数，并作为反馈信息传送到数字信号处理单元和控制与执行单元，这些信息既被用于形成闭环控制又通过USB接口被传递到个人计算机以供操作人员监控。
2.如权利要求1所说的基于通用串行总线接口的个人机械臂系统，其特征在于数字信号处理单元及控制与执行单元分别由数字信号处理器件DSP以及单片机实现，DSP所处理的信息主要有来自个人计算机的任务解释、各传感器传来的数据分析以及最后的决策，单片机就DSP的决策完成对关节电机的控制及传感器数据处理。
3.如权利要求1所说的基于通用串行总线接口的个人机械臂系统，其特征在于硬件及软件都采用模块化设计，USB提供热拔插功能，并被当前主流操作系统支持。
全文摘要
一种基于通用串行总线USB接口的个人机械臂系统，机械臂所要执行的任务由个人计算机通过USB接口传送到数字信号处理单元，并由数字信号处理单元分解为相应的控制指令，由控制与执行机构单元控制机械臂的各个关节运动，传感器单元感知外界环境以及各关节的运动特征参数并反馈到数字信号处理单元和控制与执行单元，形成闭环控制并传递到个人计算机以供操作人员监控。本发明实现了个人计算机对机械臂即插即用式的控制，硬件及软件都采用模块化设计，使机械臂的使用更加灵活，升级以及功能改变十分方便，特别适合服务类机械臂。
文档编号G06F9/00GK1434391SQ0311547
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月20日 优先权日2003年2月20日
发明者苏剑波, 张克军, 席裕庚, 朱莉, 戴先中, 马旭东 申请人:上海交通大学