專利名稱:一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種采用人機界面通訊技術(shù)的運動控制系統(tǒng),特別是一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng)。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制一般采用離線編程方式或示教方式,機械手一般采用專用運動控制器配合MCU或DSP控制板方式。這幾種控制方式存在交互性差、控制人員無法實時了解機器人或機械手末端執(zhí)行器當前位姿和速度等信息及無法實時變更控制參數(shù)等諸多問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn),蔡文明等在《浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院學報》2008年第8卷第3期第25- 頁上發(fā)表的“人機界面與PLC在物料分揀系統(tǒng)中的應用”,該文采用 TP460-T型觸摸屏通過與三菱FX2N型PLC硬件的連接,及觸摸屏、PLC和機械手之間的通信實現(xiàn)了全新的圖形操作界面和物料分揀功能。但這種技術(shù)存在系統(tǒng)價格昂貴、需要中間控制PLC、通信環(huán)節(jié)多和協(xié)議復雜的缺點。
實用新型內(nèi)容實用新型目的本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題,本實用新型公開了一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于,包括電源電路,單片機電路,所述單片機電路分別連接初始位置檢測電路、主電流控制電路、舵機PWM控制電路、HMI接口電路及電流檢測電路;其中主電流控制電路連接舵機PWM控制電路,舵機PWM控制電路連接電流檢測電路;所述初始位置檢測電路檢測最底端舵機和機器手關(guān)節(jié)的初始位置;所述人機界面經(jīng)HMI接口電路發(fā)送相應的舵機位置信號至單片機電路;所述單片機電路發(fā)送通路信號至主電流控制電路,并根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送PWM信號至相應的舵機PWM 控制電路,實現(xiàn)舵機和機械手的位置控制;所述電流檢測電路對舵機電流進行I/V轉(zhuǎn)換和放大后饋入單片機電路,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入舵機PWM控制電路和主電流控制電路;在電流超過舵機的額定電流時,單片機電路發(fā)送斷路信號至主電流控制電路,關(guān)閉主電流電路和相應舵機的PWM信號以實現(xiàn)機械手的過流保護,同時在人機界面HMI顯示報警信息。所述的電源電路,其核心為一塊電源管理芯片,用于將外部電源提供的+12V電壓轉(zhuǎn)換為+3. 3V直流電壓,為系統(tǒng)供電。本實用新型中,所述的單片機電路,其核心為一塊MCU芯片,用于急停、初始位置檢測、主電流控制電路通斷、舵機PWM控制信號輸出、與HMI通信及主電流控制電路電流檢測等功能。優(yōu)選地,所述單片機電路包括單片機芯片U2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、 電容C7、電阻R1、電阻R2、電感Li、按鍵開關(guān)SW1、發(fā)光管LED2、電阻R23、電容C16、電容C22、續(xù)流二極管D8及按鍵開關(guān)SW3 ;單片機芯片U2的引腳VCC端并聯(lián)后接電源VCC,并分別經(jīng)電容C3及電容C4去耦至地;單片機芯片U2的引腳GND端并聯(lián)后接地GND ;單片機芯片U2 的引腳PB0/ICP端經(jīng)電阻R2、發(fā)光管LED2后接電源VCC ;單片機芯片U2的引腳AVEF端經(jīng)電容C5接地;單片機芯片U2的引腳AVCC端經(jīng)電感Ll上拉至VCC并經(jīng)電容C6去耦至地; 單片機芯片U2的引腳ADC6端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連,用于流經(jīng)主電流控制回路及舵機的電流檢測;單片機芯片U2的引腳PC0/ADC0端、引腳PC1/ADC1端、引腳PC2/ADC2端、 引腳PC3/ADC3端、引腳PC4/ADC4端及引腳PC5/ADC5端經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路相連,用于驅(qū)動舵機PWM信號的轉(zhuǎn)換和緩沖;單片機芯片U2的引腳PC6/RESET端經(jīng)并聯(lián)的電阻R23及反向二極管D8上拉至VCC,并經(jīng)過按鍵開關(guān)SW3、電容C16及電容C22接地;二極管D8構(gòu)成電容C16及電容C22的泄荷及放電回路;單片機芯片U2的引腳PD0/RXD端、引腳 PD1/TXD端經(jīng)引出線與HMI接口電路相連,用于人機界面與單片機芯片U2的數(shù)據(jù)通訊;單片機芯片U2的引腳PD3/INT1端經(jīng)電阻Rl上拉至VCC,并經(jīng)電容C7及按鍵開關(guān)SWl接地, 用于系統(tǒng)起始與急??刂?;單片機芯片U2的引腳PD4/T0/XCK端經(jīng)引出線與主電流控制電路相連,用于主電流控制電路的通路、斷路控制;單片機芯片U2的引腳PD7/Aim端經(jīng)引出線與所述初始位置檢測電路相連。本實用新型中,所述的初始位置檢測電路,核心是一反射式光電傳感器,用于最底端舵機和關(guān)節(jié)的初始位置檢測。優(yōu)選地,所述初始位置檢測電路包括電阻R37、電阻R38及反射式光電二極管J20 ;反射式光電二極管J20的引腳GND接地;引腳mi端經(jīng)電阻R37上拉至VCC,引腳IN2端經(jīng)引出線與所述單片機芯片U2的引腳PD7/Aim端相連用于機器手最下端舵機和機器手關(guān)節(jié)初始位置檢測與反饋。本實用新型中,所述的主電流控制電路,核心是一大功率MOSFET管和由兩個三極管組成的推挽驅(qū)動電路,用于在單片機電路控制下的舵機PWM控制電路的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流通斷控制。優(yōu)選地,所述主電流控制電路包括電阻R15、電阻R16、三極管Q8、三極管Q9、 二極管D2、二極管D4、電容C13、電容C14及MOSFET管Q20 ;所述三極管Q8、三極管Q9的基極并聯(lián)后經(jīng)電阻R15與單片機芯片U2的引腳PD4/T0/XCK端相連,三極管Q8的集電極上拉,并經(jīng)電容C13去耦至地;三極管Q8的發(fā)射極與三極管Q9的發(fā)射極并聯(lián),再經(jīng)并聯(lián)的電阻R16及二極管D4與MOSFET管Q20的柵極相連;電阻R16為MOSFET管Q20的限流電阻, 二極管D4為MOSFET管Q20的快速泄流電路;MOSFET管Q20的漏極接至V12,并經(jīng)電容C14 接地;MOSFET管Q20的源極經(jīng)二極管D2和二極管D3上拉,再經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路相連;二極管D2、二極管D3為主電流控制電路的泄荷二極管。本實用新型中,所述的舵機PWM控制電路,核心是由NPN三極管組成的反相器電路,在單片機電路控制下向舵機發(fā)送所需位置控制的PWM信號。優(yōu)選地,所述舵機PWM控制電路包括電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、 電阻R13、電阻R14、電阻R40、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管Q5、三極管Q6、三極管Q7及舵機J5、舵機J6、舵機J7、舵機J8、舵機J9、舵機JlO ;三極管Q2的基極經(jīng)電阻R3 與單片機芯片U2的引腳PC0/ADC0端相連,集電極經(jīng)電阻R6上拉至VCC并與舵機J5的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J5的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20 的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連;電阻R3、電阻R6及三極管Q2構(gòu)成舵機J5的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q3的基極經(jīng)電阻R4與單片機芯片U2的引腳PC3/ADC3端相連,集電極經(jīng)電阻R7上拉至VCC并與舵機J6的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J6的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)弓丨出線與電流檢測電路相連;電阻R4、電阻R7及三極管Q3構(gòu)成舵機J6的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q4的基極經(jīng)電阻R40與單片機芯片U2的引腳PC1/ADC1端相連,集電極經(jīng)電阻R9上拉至VCC并與舵機J7的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J7的引腳VIN 端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連;電阻R40、電阻R9及三極管Q4構(gòu)成舵機J7的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q5 的基極經(jīng)電阻R8與單片機芯片U2的引腳PC4/ADC4端相連,集電極經(jīng)電阻RlO上拉至VCC 并與舵機J8的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J8的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)弓丨出線與電流檢測電路相連;電阻R8、電阻RlO 及三極管Q5構(gòu)成舵機J8的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q6的基極經(jīng)電阻Rll與單片機芯片U2的引腳PC2/ADC2端相連,集電極經(jīng)電阻R13上拉至VCC并與舵機J9的引腳PWM 端相連,發(fā)射極接地;舵機J9的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連;電阻R11、電阻R13及三極管Q6構(gòu)成舵機 J9的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q7的基極經(jīng)電阻R12與單片機芯片U2的引腳PC5/ ADC5端相連,集電極經(jīng)電阻R14上拉至VCC并與舵機JlO的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地; 舵機JlO的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連;電阻R12、電阻R14及三極管Q7構(gòu)成舵機JlO的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。
本實用新型中,所述的HMI接口電路,核心是以TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換芯片,同于人機界面和MCU的接口和電平信號轉(zhuǎn)換。優(yōu)選地,所述HMI接口電路包括接口芯片U3、電容 C8、電容C9、電容C10、電容Cll以及電容C12及人機界面J4 ;接口芯片U3的引腳VCC端接電源VCC,并經(jīng)電容C8去耦至地;電容C9分別與接口芯片U3的引腳Cl+端及引腳Cl-端相連,電容ClO分別與接口芯片U3的引腳C2+端及引腳C2-端相連,接口芯片U3的引腳V+ 端經(jīng)電容Cll上拉至VCC,接口芯片U3的引腳V-端經(jīng)電容C12接地;電容C9、電容C10、電容Cll以及電容C12構(gòu)成接口芯片U3的充放電電容;接口芯片U3的引腳R20UT端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳PD0/RXD端相連,引腳T2IN端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳 PD1/TXD端相連;接口芯片U3的引腳GND端接地;人機界面J4的引腳VDD端接V12電壓, 弓丨腳DO端與單片機芯片U3的引腳R2IN端相連,引腳DI端與單片機芯片U3的引腳T20UT 端相連,構(gòu)成HMI接口電路與主控單片機的數(shù)據(jù)通訊回路;人機界面J4的引腳GND端并聯(lián)后接地。本實用新型中,所述的電流檢測電路,核心是一反相電源管理芯片和集成運放芯片,用于將采樣電阻采集的舵機電流信號放大至O 3V的模擬電壓信號。送入單片機電路后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換換算為流經(jīng)舵機的電流大小,在電流超過舵機的額定電流后單片機電路送出控制信號至主電流控制電路,系統(tǒng)關(guān)斷主電流控制電路和相應的PWM控制信號實現(xiàn)機械手在卡死等情況下的過流保護功能。優(yōu)選地,所述電流檢測電路包括反相電源芯片U4、集成運放芯片U5、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C22、電阻R24、電阻R25、電阻R26、 電阻R27、電阻R28、電阻R29、電阻R30及電阻R45 ;電容C17分別與反相電源芯片U4的引腳CAP+端及引腳CAP-端相連;反相電源芯片U4的引腳VI端接電源VCC,引腳VSS端接地,引腳VO端與集成運放芯片TO的引腳V-端相連,并經(jīng)電容C18去耦至地;電阻R24經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路中舵機J5、舵機J6、舵機J7、舵機J8、舵機J9、舵機JlO的引腳GND 相連,并經(jīng)電阻R45和電容C22組成的低通濾波網(wǎng)絡及電阻R25與集成運放芯片U5的引腳 INl-端相連;集成運放芯片U5的引腳INl+端經(jīng)電阻R27接地,電阻R26分別與集成運放芯片U5的引腳INl-端及引腳OUTl端相連,構(gòu)成第一級反相放大電路;集成運放芯片U5的引腳OUTl端經(jīng)電阻R28與引腳IN2-端相連,引腳IN2+端經(jīng)電阻R30接地,電阻R29分別與引腳IN2-端及引腳0UT2端相連,構(gòu)成系統(tǒng)第二級反相放大電路;集成運放芯片TO的引腳0UT2端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳ADC6端相連,構(gòu)成系統(tǒng)I/V及A/D轉(zhuǎn)換回路; 集成運放芯片U5的引腳V+端與電源VCC相連,并經(jīng)電容C20去耦至地。本發(fā)明的信息處理內(nèi)容和流程為系統(tǒng)上電后,初始位置檢測電路檢測最底端舵機和關(guān)節(jié)的初始位置。人機界面經(jīng)HMI接口電路發(fā)送相應的舵機位置信號至單片機電路, 單片機電路發(fā)送“通”信號至主電流控制電路,同時發(fā)送PWM信號至相應的舵機PWM控制電路,實現(xiàn)舵機和機械手的位置控制。電流檢測電路對使用采樣電阻采集的舵機電流進行I/ V轉(zhuǎn)換和放大后饋入單片機電路,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后換算為流經(jīng)舵機和主電流電路的電流。在電流超過舵機的額定電流后,單片機電路發(fā)送“斷”信號至主電流控制回路,關(guān)閉主電流電路和相應舵機的PWM信號以實現(xiàn)機械手的過流保護,同時在人機界面HMI提示報警信息。本發(fā)明與傳統(tǒng)背景技術(shù)相比,所具有的有益效果包括以下幾點。1、性能穩(wěn)定、價格低廉,采用低成本和高可靠性的HMI人機界面和單片機為控制核心。2、在線升級功能,選用具有ISP功能的MCU,無需拆卸即可實現(xiàn)控制軟件的升級。3、高可靠性,MCU電路板上含有電流檢測環(huán)節(jié),便于在舵機過流時實現(xiàn)斷電保護功能。采用內(nèi)置時鐘電路和復位電路,進一步提高了 EMI/EMC能力。4、初始位置檢測功能,一般的機器手控制系統(tǒng)采用行程開關(guān)為位置檢測元件,僅具有極限位置檢測而無初始位置檢測功能。采用反射式光電傳感器為初始位置檢測元件便于實現(xiàn)零位檢測和精確的位置控制。5、應用范圍廣,采用MCU內(nèi)部的軟件定時器并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)編程技術(shù)最多可實現(xiàn)35路軟件PWM,無需其他硬件電路和芯片即可實現(xiàn)多個以舵機為驅(qū)動電機的機械手的協(xié)調(diào)控制。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做更進一步的具體說明,本實用新型的上述和/或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是電源電路原理圖。圖3是單片機電路原理圖。圖4是初始位置檢測電路原理圖。圖5是主電流控制電路原理圖。圖6是舵機PWM控制電路原理圖。圖7是HMI接口電路原理圖。[0031 ] 圖8是電流檢測電路原理圖。
具體實施方式
如
圖1所示,本實施例包括電源電路a,單片機電路b,初始位置檢測電路C,主電流控制電路d,舵機PWM控制電路e,HMI接口電路f以及電流檢測電路g。電源電路a為系統(tǒng)提供所需的工作電壓,單片機電路b經(jīng)引出線分別與電源電路a、初始位置檢測電路C、主電流控制電路d、舵機PWM控制電路e、HMI接口電路f及電流檢測電路g相連;舵機PWM控制電路e經(jīng)引出線與主電流控制電路d及電流檢測電路g相連。本實施例系統(tǒng)上電后,初始位置檢測電路c檢測最底端舵機和關(guān)節(jié)的初始位置。 人機界面經(jīng)HMI接口電路f發(fā)送相應的舵機位置信號至單片機電路b,單片機電路b發(fā)送 “通”信號至主電流控制電路d,并根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送PWM信號至相應的舵機PWM控制電路 e,實現(xiàn)舵機和機械手的位置控制。電流檢測電路g對使用采樣電阻采集的舵機電流進行I/ V轉(zhuǎn)換和放大后饋入單片機電路b,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后換算為流經(jīng)舵機和主電流電路的電流。在電流超過舵機的額定電流后,單片機電路發(fā)送“斷”信號至主電流控制電路d,關(guān)閉主電流電路和相應舵機的PWM信號以實現(xiàn)機械手的過流保護,同時在人機界面HMI提示報警信息。如圖2所示,電源電路a包括接頭Jl、二極管Dl、電容Cl、電源管理芯片Ul及電容C2。其中接頭Jl的P2引腳接地,引腳Pl輸入V12電壓,經(jīng)二極管Dl與電源管理芯片Ul的Vin引腳相連,并經(jīng)過電容Cl去耦至地。電源管理芯片Ul的GND引腳接地,Vout 引腳經(jīng)電容C2去耦至地后為系統(tǒng)提供3. 3V電源。所述的電源管理芯片Ul,采用National kmiconductor公司的LM1117-3. 3芯片。 工作參數(shù)輸入電壓范圍4.5 20V,輸出電壓3. 3V,最大輸出電流1.2V。如圖3所示,單片機電路b包括單片機芯片U2、電容C3 C7、電阻R1 R2、電感Li、按鍵開關(guān)SW1、發(fā)光管LED2、電阻R23、電容C16、電容C22、續(xù)流二極管D8及按鍵開關(guān) Sff30其中單片機芯片U2的VCC引腳并聯(lián)后接VCC,并經(jīng)電容C3及C4去耦至地。GND引腳并聯(lián)后接GND。PB0/ICP引腳經(jīng)電阻R2及發(fā)光管LED2接VCC。電阻R2及發(fā)光管LED2組成工作指示回路。AVEF引腳經(jīng)電容C5接地。AVCC引腳經(jīng)電感Ll上拉至VCC并經(jīng)電容C6 去耦至地。引腳ADC6經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連,用于流經(jīng)主電流控制回路d及舵機的電流檢測。PC0/ADC0 引腳、PCl/ADCl 引腳、PC2/ADC2 引腳、PC3/ADC3 引腳、PC4/ADC4 引腳及PC5/ADC5引腳經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路e相連,用于驅(qū)動舵機PWM信號的轉(zhuǎn)換和緩沖。PC6/RESET引腳經(jīng)并聯(lián)的電阻R23及反向二極管D8上拉至VCC,并經(jīng)過按鍵開關(guān)SW3、 電容C16及電容C22接地。二極管D8構(gòu)成電容C16及電容C22的泄荷及放電回路。PDO/ R)(D引腳、PDl/Τ )引腳經(jīng)引出線與HMI接口電路f相連,用于人機界面與單片機芯片U2的數(shù)據(jù)通訊。PD3/INT1引腳經(jīng)電阻Rl上拉至VCC,并經(jīng)電容C7及按鍵開關(guān)SWl接地,用于系統(tǒng)起始與急停控制。PD4/T0/XCK引腳經(jīng)引出線與主電流控制電路d相連,用于主電流控制電路d的通、斷控制。PD7/Aim引腳經(jīng)引出線與初始位置檢測電路c相連。所述的單片機芯片U2,為Atmel公司的ATmega8A MCU芯片。工作參數(shù)8K Flash, IK SRAM, 512B EEPR0M,最大頻率16MHz,+2. 7 5. 5V工作電壓,2個帶獨立預分頻器的 8位定時器/計數(shù)器,1個帶預分頻器、比較模式和捕捉模式的16位定時器/計數(shù)器,3個 PWM通道,6通道10位ADC,TWI兩線接口,SPI同步串口,可編程串行UART,片上模擬比較器,ISP能力,工作電流3. 6mA。[0039]如圖4所示,初始位置檢測電路c包括電阻R37 R38及反射式光電二極管J20。 其中反射式光電二極管J20的GND引腳分別接地。mi引腳經(jīng)電阻R37上拉至VCC,IN2 引腳經(jīng)引出線與單片機電路b中單片機芯片U2的PD7/Aim引腳相連用于機械手最下端舵機和關(guān)節(jié)初始位置檢測與反饋。所述的反射式光電二極管J20,采用NOHM公司的RPR220反射式光電二極管。工作參數(shù)前向輸入電壓5V,電流50mA。輸出端集電極-發(fā)射極電壓30V,發(fā)射極-集電極電壓正向壓降4. 5V,集電極電流30mA。探測距離6mm。如圖5所示,主電流控制電路d包括電阻R15 R16、三極管Q8 Q9、二極管 D2 D4、電容C13 C14及MOSFET管Q20。其中三極管Q8、三極管Q9的基極并聯(lián)后經(jīng)電阻R15與單片機電路b中單片機芯片U2和PD4/T0/XCK引腳相連,三極管Q8的集電極上拉至V12,并經(jīng)電容C13去耦至地。三極管Q8的發(fā)射極與三極管Q9的發(fā)射極并聯(lián),再經(jīng)并聯(lián)的電阻R16及二極管D4與MOSFET管Q20的G極相連。電阻R16為MOSFET管Q20的限流電阻,二極管D4為MOSFET管Q20的快速泄流電路。MOSFET管Q20的D極接至V12,并經(jīng)電容C14接地。MOSFET管Q20的源極經(jīng)二極管D2 D3上拉至V12,再經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路e相連。二極管D2 D3為主電流控制電路d的泄荷二極管。所述的MOSFET管Q20,為IR公司的IRFP054 MOSFET芯片。工作參數(shù)最大G極連續(xù)電流70A010V,G極-源極電壓士 20V。如圖6所示,舵機PWM控制電路e包括電阻R3 R4、電阻R6 R14、電阻R40、三極管Q2 Q7及舵機J5 J10。其中,三極管Q2的基極經(jīng)電阻R3與單片機電路b中單片機芯片U2的PC0/ADC0引腳相連,集電極經(jīng)電阻R6上拉至VCC并與舵機J5的P麗引腳相連,發(fā)射極接地。舵機Q5的VIN引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND 引腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連。電阻R3、電阻R6及三極管Q2構(gòu)成舵機J5的反相 PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。三極管Q3的基極經(jīng)電阻R4與單片機電路b中單片機芯片U2的PC3/ ADC3引腳相連,集電極經(jīng)電阻R7上拉至VCC并與舵機J6的PWM引腳相連,發(fā)射極接地。舵機J6的VIN引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND引腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連。電阻R4、電阻R7及三極管Q3構(gòu)成舵機J6的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。三極管Q4的基極經(jīng)電阻R40與單片機電路b中單片機芯片U2的PC1/ADC1引腳相連,集電極經(jīng)電阻R9上拉至VCC并與舵機J7的PWM引腳相連,發(fā)射極接地。舵機J7的VIN 引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND引腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連。電阻R40、電阻R9及三極管Q4構(gòu)成舵機J7的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。三極管Q5的基極經(jīng)電阻R8與單片機電路b中單片機芯片U2的PC4/ADC4引腳相連,集電極經(jīng)電阻RlO上拉至VCC并與舵機J8的PWM引腳相連,發(fā)射極接地。舵機J8的VIN引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND弓丨腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g 相連。電阻R8、電阻RlO及三極管Q5構(gòu)成舵機J8的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。三極管Q6 的基極經(jīng)電阻Rll與單片機電路b中單片機芯片U2的PC2/ADC2弓丨腳相連,集電極經(jīng)電阻 R13上拉至VCC并與舵機J9的PWM引腳相連,發(fā)射極接地。舵機J9的VIN引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND引腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連。電阻R11、電阻R13及三極管Q6構(gòu)成舵機J9的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。三極管Q7的基極經(jīng)電阻R12與單片機電路b中單片機芯片U2的PC5/ADC5引腳相連,集電極經(jīng)電阻R14上拉至VCC并與舵機JlO的PWM引腳相連,發(fā)射極接地。舵機JlO的VIN引腳經(jīng)引出線與主電流電路d中MOSFET管Q20的源極相連,GND弓丨腳經(jīng)引出線與電流檢測電路g相連。電阻 R12、電阻R14及三極管Q7構(gòu)成舵機JlO的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。所述的舵機J5 J10,為SM-S4306R機器人用舵機。工作參數(shù)工作電壓6V,轉(zhuǎn)速 60RPM,力矩 6. Ig. cm。如圖7所示,HMI接口電路包括接口芯片U3、電容C8 C12及人機界面J4。其中 接口芯片U3的VCC引腳接VCC,并經(jīng)電容C8去耦至地。電容C9分別與接口芯片U3的Cl+ 引腳及Cl-引腳相連,電容ClO分別與接口芯片U3的C2+引腳及C2-引腳相連,接口芯片 U3的V+引腳經(jīng)電容Cll上拉至VCC,接口芯片U3的V-引腳經(jīng)電容C12接地。電容C9 C12 構(gòu)成接口芯片U3的充放電電容。接口芯片U3的R20UT引腳經(jīng)引出線與單片機電路b中單片機芯片U2的PD0/RXD引腳相連,T2IN引腳經(jīng)引出線與單片機電路b中單片機芯片U2的 PDl/Τ )引腳相連。接口芯片U3的GND引腳接地。人機界面J4的VDD引腳接V12,DO引腳與單片機芯片U3的R2IN引腳相連,DI引腳與單片機芯片U3的T20UT引腳相連,構(gòu)成HMI 與主控單片機的數(shù)據(jù)通訊回路。人機界面J4的GND引腳并聯(lián)后接地。所述的接口芯片U3,為Sipex公司SP3232 3. 3TTL/RS232網(wǎng)絡接口芯片。工作參數(shù)工作電壓3. (T5.0V,2個RX通道,2個TX通道,工作電流0.3 1.0mA。所述的人機界面J4,為800640型四線多彩觸摸屏。工作參數(shù)工作電壓4.5 25V, 工作電流<350mA。如圖8所示,電流檢測電路包括反相電源芯片U4、集成運放芯片U5、電容 C17 C20、電容C22、電阻R24 R30及電阻R45。其中電容C17分別與反相電源芯片U4的 CAP+引腳及CAP-引腳相連。反相電源芯片U4的VI引腳接VCC, VSS引腳接地,VO引腳與集成運放芯片U5的V-引腳相連,并經(jīng)電容C18去耦至地。電阻R24經(jīng)引出線與舵機PWM 控制電路e中舵機J5 J10并聯(lián)的GND引腳相連,并經(jīng)電阻R45和電容C22組成的低通濾波網(wǎng)絡及電阻R25與集成運放芯片U5的INl-引腳相連。集成運放芯片U5的INl+引腳經(jīng)電阻R27接地,電阻似6分別與集成運放芯片U5的INl-引腳及OUTl引腳相連,構(gòu)成第一級反相放大電路。集成運放芯片U5的OUTl引腳經(jīng)電阻似8與IN2-引腳相連,IN2+引腳經(jīng)電阻R30接地,電阻似9分別與IN2-引腳及0UT2引腳相連,構(gòu)成系統(tǒng)第二級反相放大電路。 0UT2引腳經(jīng)引出線與單片機電路b中單片機芯片U2的ADC6引腳相連,構(gòu)成系統(tǒng)I/V及A/ D轉(zhuǎn)換回路。集成運放芯片U5的V+引腳與VCC相連,并經(jīng)電容C20去耦至地。所述的反相電源芯片U4,為Holtek公司HT7660電源反相芯片。工作參數(shù)輸入電壓3 12V。所述的集成運放芯片U5,為National Semiconductor公司U058芯片。工作參數(shù)工作電壓3 32V/士 1. 5 16V,輸入偏置電壓2mV,帶寬IMHz,最大直流電壓增益100。下面對本實施例的具體工作過程說明。1、系統(tǒng)上電,初始位置檢測電路檢測最底端舵機和關(guān)節(jié)的初始位置。2、 人機界面經(jīng)HMI接口電路發(fā)送相應的舵機位置信號至單片機電路,單片機電路發(fā)送“通”信號至主電流控制電路,主電流控制電路接通。單片機電路同時發(fā)送PWM信號至相應的舵機PWM控制電路,實現(xiàn)舵機和機械手的位置控制。3、電流檢測電路使用采樣電阻采集舵機電流,進行I/V轉(zhuǎn)換和放大后饋入單片機電路,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后換算為流經(jīng)舵機和主電流電路的電流。在電流超過舵機的額定電流后,單片機電路發(fā)送“斷”信號至主電流控制電路,關(guān)閉主電流電路和相應舵機的PWM信號以實現(xiàn)機械手的過流保護,同時在人機界面HMI提示報警信息。本實用新型使用價格低、性能適中、穩(wěn)定可靠并具有RS232接口功能的人機界面, 通過與MCU之間的通信實現(xiàn)以舵機為驅(qū)動電機的機械手系統(tǒng)控制,并同時具有電流檢測、 斷電保護和機械手初始位置檢測等功能。本實用新型提供了一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng)的思路及方法,具體實現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多,以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實用新型原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于,包括電源電路,單片機電路,所述單片機電路分別連接初始位置檢測電路、主電流控制電路、舵機PWM控制電路、 HMI接口電路及電流檢測電路;其中主電流控制電路連接舵機PWM控制電路,舵機PWM控制電路連接電流檢測電路;所述初始位置檢測電路檢測最底端舵機和機器手關(guān)節(jié)的初始位置;所述人機界面經(jīng)HMI接口電路發(fā)送相應的舵機位置信號至單片機電路;所述單片機電路發(fā)送通路信號至主電流控制電路,并根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送PWM信號至相應的舵機PWM控制電路,實現(xiàn)舵機和機械手的位置控制;所述電流檢測電路對舵機電流進行I/V轉(zhuǎn)換和放大后饋入單片機電路,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入舵機PWM控制電路和主電流控制電路;在電流超過舵機的額定電流時,單片機電路發(fā)送斷路信號至主電流控制電路,關(guān)閉主電流電路和相應舵機的PWM信號以實現(xiàn)機械手的過流保護,同時在人機界面HMI顯示報警信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述單片機電路包括單片機芯片U2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電阻R1、電阻R2、電感Li、按鍵開關(guān)SWl、發(fā)光管LED2、電阻R23、電容C16、電容C22、續(xù)流二極管D8及按鍵開關(guān)SW3 ;單片機芯片U2的引腳VCC端并聯(lián)后接電源VCC,并分別經(jīng)電容C3及電容C4去耦至地; 單片機芯片U2的引腳GND端并聯(lián)后接地GND ;單片機芯片U2的引腳PB0/ICP端經(jīng)電阻R2、 發(fā)光管LED2后接電源VCC ;單片機芯片U2的引腳AVEF端經(jīng)電容C5接地;單片機芯片U2的引腳AVCC端經(jīng)電感Ll上拉至VCC并經(jīng)電容C6去耦至地;單片機芯片U2的引腳ADC6端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連,用于流經(jīng)主電流控制回路及舵機的電流檢測;單片機芯片U2 的引腳PC0/ADC0端、引腳PCl/ADCl端、引腳PC2/ADC2端、引腳PC3/ADC3端、引腳PC4/ADC4 端及引腳PC5/ADC5端經(jīng)弓I出線與舵機PWM控制電路相連,用于驅(qū)動舵機PWM信號的轉(zhuǎn)換和緩沖;單片機芯片U2的引腳PC6/RESET端經(jīng)并聯(lián)的電阻R23及反向二極管D8上拉至VCC, 并經(jīng)過按鍵開關(guān)SW3、電容C16及電容C22接地;二極管D8構(gòu)成電容C16及電容C22的泄荷及放電回路;單片機芯片U2的引腳PD0/RXD端、引腳PDl/Τ )端經(jīng)引出線與HMI接口電路相連,用于人機界面與單片機芯片U2的數(shù)據(jù)通訊;單片機芯片U2的引腳PD3/INT1端經(jīng)電阻Rl上拉至VCC,并經(jīng)電容C7及按鍵開關(guān)SWl接地,用于系統(tǒng)起始與急??刂疲粏纹瑱C芯片U2的引腳PD4/T0/XCK端經(jīng)引出線與主電流控制電路相連,用于主電流控制電路的通路、斷路控制;單片機芯片U2的引腳PD7/Aim端經(jīng)引出線與所述初始位置檢測電路相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述初始位置檢測電路包括電阻R37、電阻R38及反射式光電二極管J20 ;反射式光電二極管J20的引腳GND接地;引腳INl端經(jīng)電阻R37上拉至VCC,引腳IN2端經(jīng)引出線與所述單片機芯片U2的引腳PD7/Aim端相連用于機器手最下端舵機和機器手關(guān)節(jié)初始位置檢測與反饋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述主電流控制電路包括電阻R15、電阻R16、三極管Q8、三極管Q9、二極管D2、二極管D4、 電容C13、電容C14及MOSFET管Q20 ;所述三極管Q8、三極管Q9的基極并聯(lián)后經(jīng)電阻R15與單片機芯片U2的引腳PD4/T0/XCK端相連,三極管Q8的集電極上拉,并經(jīng)電容C13去耦至地;三極管Q8的發(fā)射極與三極管Q9的發(fā)射極并聯(lián),再經(jīng)并聯(lián)的電阻R16及二極管D4與MOSFET管Q20的柵極相連;電阻 R16為MOSFET管Q20的限流電阻,二極管D4為MOSFET管Q20的快速泄流電路;MOSFET管 Q20的漏極接至V12,并經(jīng)電容C14接地;MOSFET管Q20的源極經(jīng)二極管D2和二極管D3上拉,再經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路相連;二極管D2、二極管D3為主電流控制電路的泄荷二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述舵機PWM控制電路包括電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、 電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R40、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管 Q5、三極管Q6、三極管Q7及舵機J5、舵機J6、舵機J7、舵機J8、舵機J9、舵機JlO ;三極管Q2的基極經(jīng)電阻R3與單片機芯片U2的引腳PC0/ADC0端相連,集電極經(jīng)電阻 R6上拉至VCC并與舵機J5的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J5的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連; 電阻R3、電阻R6及三極管Q2構(gòu)成舵機J5的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q3的基極經(jīng)電阻R4與單片機芯片U2的引腳PC3/ADC3端相連,集電極經(jīng)電阻 R7上拉至VCC并與舵機J6的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J6的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連; 電阻R4、電阻R7及三極管Q3構(gòu)成舵機J6的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q4的基極經(jīng)電阻R40與單片機芯片U2的引腳PC1/ADC1端相連,集電極經(jīng)電阻 R9上拉至VCC并與舵機J7的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J7的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連; 電阻R40、電阻R9及三極管Q4構(gòu)成舵機J7的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q5的基極經(jīng)電阻R8與單片機芯片U2的引腳PC4/ADC4端相連,集電極經(jīng)電阻 RlO上拉至VCC并與舵機J8的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J8的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連; 電阻R8、電阻RlO及三極管Q5構(gòu)成舵機J8的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q6的基極經(jīng)電阻Rll與單片機芯片U2的引腳PC2/ADC2端相連,集電極經(jīng)電阻 R13上拉至VCC并與舵機J9的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機J9的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連; 電阻R11、電阻R13及三極管Q6構(gòu)成舵機J9的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路;三極管Q7的基極經(jīng)電阻R12與單片機芯片U2的引腳PC5/ADC5端相連,集電極經(jīng)電阻 R14上拉至VCC并與舵機JlO的引腳PWM端相連,發(fā)射極接地;舵機JlO的引腳VIN端經(jīng)引出線與主電流電路中MOSFET管Q20的源極相連,引腳GND端經(jīng)引出線與電流檢測電路相連;電阻R12、電阻R14及三極管Q7構(gòu)成舵機JlO的反相PWM轉(zhuǎn)換與緩沖電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述HMI接口電路包括接口芯片U3、電容C8、電容C9、電容C10、電容Cll以及電容C12及人機界面J4 ;接口芯片U3的引腳VCC端接電源VCC,并經(jīng)電容C8去耦至地;電容C9分別與接口芯片U3的引腳Cl+端及引腳Cl-端相連,電容ClO分別與接口芯片U3的引腳C2+端及引腳C2-端相連,接口芯片U3的引腳V+端經(jīng)電容Cll上拉至VCC,接口芯片U3的引腳V-端經(jīng)電容C12接地;電容C9、電容C10、電容Cll以及電容C12構(gòu)成接口芯片U3的充放電電容;接口芯片U3 的引腳R20UT端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳PD0/RXD端相連,引腳T2IN端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳PDl/Τ )端相連;接口芯片U3的引腳GND端接地;人機界面J4的引腳VDD端接V12電壓,引腳DO端與單片機芯片U3的引腳R2IN端相連,引腳DI端與單片機芯片U3的引腳T20UT端相連,構(gòu)成HMI接口電路與主控單片機的數(shù)據(jù)通訊回路;人機界面J4的引腳GND端并聯(lián)后接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有人機界面的多舵機機器手控制系統(tǒng),其特征在于, 所述電流檢測電路包括反相電源芯片U4、集成運放芯片U5、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C22、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R29、電阻R30及電阻 R45 ;電容C17分別與反相電源芯片U4的引腳CAP+端及引腳CAP-端相連;反相電源芯片 U4的引腳VI端接電源VCC,引腳VSS端接地,引腳VO端與集成運放芯片U5的引腳V-端相連,并經(jīng)電容C18去耦至地;電阻RM經(jīng)引出線與舵機PWM控制電路中舵機J5、舵機J6、舵機J7、舵機J8、舵機J9、 舵機JlO的引腳GND相連,并經(jīng)電阻R45和電容C22組成的低通濾波網(wǎng)絡及電阻R25與集成運放芯片U5的引腳INl-端相連;集成運放芯片U5的引腳INl+端經(jīng)電阻R27接地,電阻R26分別與集成運放芯片U5 的引腳INl-端及引腳OUTl端相連,構(gòu)成第一級反相放大電路;集成運放芯片TO的引腳 OUT 1端經(jīng)電阻似8與引腳IN2-端相連,弓丨腳IN2+端經(jīng)電阻R30接地,電阻似9分別與引腳 IN2-端及引腳0UT2端相連,構(gòu)成系統(tǒng)第二級反相放大電路;集成運放芯片U5的引腳0UT2 端經(jīng)引出線與單片機芯片U2的引腳ADC6端相連,構(gòu)成系統(tǒng)I/V及A/D轉(zhuǎn)換回路;集成運放芯片U5的引腳V+端與電源VCC相連,并經(jīng)電容C20去耦至地。
專利摘要本實用新型公開了具有人機界面功能的多舵機機器手控制系統(tǒng),包括電源電路、單片機電路、初始位置檢測電路、主電流控制電路、舵機PWM控制電路、HMI接口電路及電流檢測電路。電源電路為系統(tǒng)提供所需的工作電壓,單片機電路經(jīng)引出線分別與電源電路、初始位置檢測電路、主電流控制電路、舵機PWM控制電路、HMI接口電路及電流檢測電路相連;舵機PWM控制電路經(jīng)引出線與主電流控制電路及電流檢測電路相連。本實用新型使用價格低、性能適中、穩(wěn)定可靠并具有RS232接口功能的人機界面,通過與MCU之間的通信實現(xiàn)以舵機為驅(qū)動電機的機械手系統(tǒng)控制,并同時具有電流檢測、斷電保護和機械手初始位置檢測等功能。
文檔編號B25J13/00GK202053255SQ20112008410
公開日2011年11月30日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者夏俊, 宋立博, 楊繼全 申請人:南京敦超機電科技有限公司