專(zhuān)利名稱(chēng)：一種七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，可廣泛應(yīng)用于多自由度力反饋遙操作場(chǎng)合，如航空航天、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)等。
二背景技術(shù)：
隨著交互式遙操作機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力觸覺(jué)反饋的人機(jī)接口裝置。機(jī)器人手控器是常見(jiàn)的機(jī)器人遙操作人機(jī)接口裝置，它一方面測(cè)量操作者手部的位置信息作為控制指令控制機(jī)械手或者虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬機(jī)械手跟蹤人手的運(yùn)動(dòng)，另一方面，將機(jī)器人反饋回來(lái)的力觸覺(jué)信息轉(zhuǎn)換成直接作用于人手的力或力矩，使操作者產(chǎn)生在遠(yuǎn)地機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)或虛擬機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)的“身臨其境”的力觸覺(jué)臨場(chǎng)感效果，從而實(shí)現(xiàn)帶感覺(jué)的控制，或者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實(shí)的觸摸感覺(jué)。七自由度力反饋手控器能夠滿足多自由度帶力反饋遙操作的要求，可應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、搶險(xiǎn)救援、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
三
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，包括:微處理器模塊、位置檢測(cè)模塊、力反饋模塊、通訊接口模塊及電源模塊，在微處理器模塊上分別連接有位置檢測(cè)模塊和力反饋模塊，位置檢測(cè)模塊包括含有第一至第七光電編碼盤(pán)的光電編碼電路、含有第一至第七光耦合器的第一光電隔離電路、含有第一至第三計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)電路及含有第一至第四D觸發(fā)器的鑒相電路，光電編碼電路中的7個(gè)光電編碼盤(pán)分別用于接收七自由度力反饋手控器的7個(gè)自由度的位置信號(hào)，且每個(gè)光電編碼盤(pán)產(chǎn)生A相脈沖信號(hào)和B相脈沖信號(hào)，第一至第七光電編碼盤(pán)產(chǎn)生的7路A相脈沖信號(hào)分別通過(guò)第一至第七光耦合器傳送至第一至第三計(jì)數(shù)器，脈沖計(jì)數(shù)電路的輸出端和控制端與微處理器模塊的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口和計(jì)數(shù)控制端口相連，第一至第七光電編碼盤(pán)產(chǎn)生的7路A相脈沖信號(hào)和7路B相脈沖信號(hào)分別通過(guò)第一至第七光耦合器傳送至第一至第四D觸發(fā)器，鑒相電路的輸出端與微處理器模塊的方向數(shù)據(jù)端口相連，力反饋模塊包括含有第一至第四非門(mén)的反相電路，含有第八至第九光耦合器的第二光電隔離電路，含有第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器的D/A轉(zhuǎn)換電路，含有第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，含有第一至第七直流電機(jī)的電機(jī)組，反向電路中的4個(gè)非門(mén)的輸入端分別與微處理器模塊的力反饋數(shù)據(jù)輸出端和力反饋控制輸出端相連，第一至第四非門(mén)的4個(gè)輸出端分別通過(guò)第八至第九光耦合器傳送至第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器，第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器的14個(gè) 輸出端分別通過(guò)第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳送至第一至第七直流電機(jī)，第一至第七直流電機(jī)通過(guò)堵轉(zhuǎn)方式為手控器的各個(gè)自由度提供反饋力/力矩。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):[0007]1、本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路可測(cè)量手控器七個(gè)自由度的位置信息和為手控器各自由度提供反饋力/力矩，滿足多自由度力反饋遙操作的要求。2、本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路具有串口通訊接口和USB通訊接口，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)通訊接口的要求，擴(kuò)大了手控器的使用范圍。3、本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路通過(guò)功能鍵模塊，為手控器提供復(fù)位、擴(kuò)展行程、記錄當(dāng)前位置信息的功能，滿足遙操作過(guò)程中的特殊需求。4、本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的位置檢測(cè)模塊采用獨(dú)立的位置檢測(cè)模塊(包括脈沖計(jì)數(shù)電路和鑒相電路)對(duì)編碼盤(pán)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，既減輕了對(duì)微處理器資源的占用，而且當(dāng)單片機(jī)程序跑飛時(shí)，位置檢測(cè)模塊依舊能夠記錄手控器的位置信息，使得單片機(jī)重新正常工作后依舊能夠獲取到手控器準(zhǔn)確的位置信息，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?，F(xiàn)有手控器測(cè)控系統(tǒng)中采用微處理器直接對(duì)編碼盤(pán)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以獲得手控器的位置信息，當(dāng)微處理器中的程序跑飛時(shí)不能記錄到手控器正確的位置信息。5、本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路力反饋模塊中采用直流電機(jī)堵轉(zhuǎn)的形式為手控器提供反饋力/力矩，效率高、控制過(guò)程簡(jiǎn)單。
四
圖1是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的系統(tǒng)組成框圖。圖2是本實(shí)用新 型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路位置檢測(cè)模塊組成框圖。圖3是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的光電編碼盤(pán)電路和第一光電隔離電路。圖4是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的脈沖計(jì)數(shù)電路。圖5是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的鑒相電路。圖6是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路力反饋模塊組成框圖。圖7是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的反相電路、第二光電隔離電路及D/A轉(zhuǎn)換電路。圖8是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。圖9是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路通信接口模塊組成框圖。圖10是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路通信接口模塊電路圖圖11是本實(shí)用新型七自由度力反饋手控器測(cè)控系微處理器電路圖。圖12是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路電源模塊組成框圖。圖13是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路電源模塊電路圖。圖14是本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路下位機(jī)軟件流程圖。
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)本實(shí)用新型的具體實(shí)施步驟。參閱圖1，本實(shí)用新型七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，包括:微處理器模塊1、位置檢測(cè)模塊2、力反饋模塊3、通訊接口模塊4和電源模塊5。采用增量式光電編碼盤(pán)測(cè)量手控器的位置信息，采用直流伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)的形式為手控器提供反饋力/力矩。微處理器模塊I通過(guò)通訊接口模塊4與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，通信方式包括串口通信和USB通信。位置檢測(cè)模塊2將檢測(cè)到的手控器各自由度的位置信息送至微處理器模塊1，微處理器模塊I將處理后的位置信息通過(guò)通訊接口模塊4送至計(jì)算機(jī)；微處理器模塊I通過(guò)通訊接口模塊4接收計(jì)算機(jī)的反饋力信息，微處理器模塊I將處理后的反饋力信息通過(guò)力反饋模塊3向手控器輸出反饋力/力矩。參閱圖2，位置檢測(cè)模塊包括光電編碼盤(pán)201、第一光電隔離電路202、脈沖計(jì)數(shù)電路203、盤(pán)鑒相電路204。光電編碼電路201中第一至第七光電編碼盤(pán)Encoderl_Encoder7選用增量式光電編碼盤(pán)，光電隔離電路202中第一至第七光耦合器U2-1 - U2-7選用雙路高速光耦HCPL-2630，脈沖計(jì)數(shù)電路 203中第一至第三計(jì)數(shù)器U2-8-U2-10選用8254芯片，第一電平轉(zhuǎn)換器U2-11選用SN74CBTD3384芯片，鑒相電路204中第一至第四鑒相器U2-12-U2-15選用D觸發(fā)器7474芯片，第二電平轉(zhuǎn)換器U2-16選用SN74CBTD3384芯片，光電編碼電路201中第一至第七光電編碼盤(pán)Encoderl-Encoder7分別與電機(jī)組305中第一至第七直流電機(jī)的輸出軸Motor_Shaftl_Motor_Shaft7相連，第一至第七光電編碼盤(pán)Encoderl_Encoder7的A、B相脈沖輸出端分別與光電隔離電路202中第一至第七光耦合器U2-1-U2-7的發(fā)光管的兩個(gè)負(fù)極(HCPL-2630的引腳1、4)相連，第一至第七光耦合器的輸出端(HCPL-2630的引腳
7、6)分別連接一個(gè)連接上拉電阻，第一至第七光耦合器U2-1 -U2-7的電源端(HCPL-2630的引腳8)與D+5V電源相連,光電隔離電路202中第一至第三光稱(chēng)合器U2-1-U2-3的第一輸出端(HCPL-2630的引腳7)分別與脈沖計(jì)數(shù)電路203中第一計(jì)數(shù)器U2-8的第一至第三脈沖輸入端(8254的引腳9、15、18)相連,第四至第六光I禹合器U2-4-U2-6的第一輸出端(HCPL-2630的引腳7)分別與脈沖計(jì)數(shù)電路203中第二計(jì)數(shù)器U2-9的第一至第三脈沖輸入端(8254的引腳9、15、18)相連，第七光耦合器U2-1-U2-3的第一輸出端(HCPL-2630的引腳7)與脈沖計(jì)數(shù)電路203中第三計(jì)數(shù)器U2-10的第一脈沖輸入端(8254的引腳9)相連，脈沖計(jì)數(shù)電路203中第一至第三計(jì)數(shù)器U2-8、U2-9、U2-10的數(shù)據(jù)端口(8254的引腳8_1)并聯(lián)，并通過(guò)第一電平轉(zhuǎn)換器U2-11與微處理器模塊I的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口相連，脈沖計(jì)數(shù)電路203中第一至第三計(jì)數(shù)器U2-8、U2-9、U2-10的寫(xiě)信號(hào)端口(8254的引腳23)和讀信號(hào)端口(8254的引腳22)分別并聯(lián)，并通過(guò)第一電平轉(zhuǎn)換器U2-11與微處理器模塊I的計(jì)數(shù)控制端口相連，脈沖計(jì)數(shù)電路203中第一至第三計(jì)數(shù)器U2-8、U2-9、U2-10的地址信號(hào)線和片選信號(hào)線(8254的引腳19、20、21)與微處理器模塊I的計(jì)數(shù)控制端口相連，第一光電隔離電路202中第一至第七光耦合器U2-1 - U2-7的第一、第二輸出端分別與鑒相電路204中第一至第四D觸發(fā)器U2-12 - U2-15的輸入端相連，鑒相電路204中第一至第四D觸發(fā)器U2-12 - U2-15的7個(gè)輸出端分別通過(guò)第二電平轉(zhuǎn)換器與微處理器模塊I的方向數(shù)據(jù)輸入端口相連。8254和SN74CBTD3384其他引腳接法參照其技術(shù)手冊(cè)。參閱圖6，力反饋模塊包括反相電路301、第二光電隔離電路302、D/A轉(zhuǎn)換電路303、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路304、電機(jī)組305。反相電路301中第一至第四非門(mén)U3-1A-U3-1D選用7404芯片，第二光電隔離電路302中第八至第九光耦合器選用高速光耦HCPL-2630，D/A轉(zhuǎn)換電路303中第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器選用具有SPI接口的D/A芯片TLV5630芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路304中第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用MAXON公司的ADS50/5型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,ADS50/5驅(qū)動(dòng)器上有供電模塊、信號(hào)模塊、碼盤(pán)輸入模塊，反相電路301中第一至第四非門(mén)的輸入端(7404的引腳1，3，5，9)分別與微處理器模塊I的力反饋數(shù)據(jù)輸出端相連和力反饋控制輸出端相連，反相電路301中第一至第四非門(mén)的輸出端(7404的引腳2，4，6，8)分別通過(guò)I個(gè)電阻與第二光電隔離電路302中第八、第九光耦合器的4個(gè)發(fā)光管的兩個(gè)負(fù)極(HCPL-2630的引腳1、4)相連，第八、第九光耦合器的4個(gè)輸出端分別連接I個(gè)上拉電阻，第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器U3-4、U3-5的串行數(shù)據(jù)輸入端(TLV5630的引腳2)和串行時(shí)鐘輸入端(TLV5630的引腳3)分別并聯(lián)，并分別與第二光電隔離電路302中第八光耦合器U3-2的第一和第二輸出端(HCPL-2630的引腳7、6)相連，D/A轉(zhuǎn)換電路303中第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器U3-4、U3-5的14個(gè)輸出端分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路304中第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器U3-6-U3-12的輸入端(信號(hào)模塊的引腳1、2)相連，第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器U3-6 -U3-12的輸出端(供電模塊的引腳1，2)分別與電機(jī)組305中第一至第七直流電機(jī)相連。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器其他引腳的接法參照技術(shù)手冊(cè)。參閱圖9，通訊接口模塊包括串口通訊接口電路401、USB通訊接口電路402。串口通訊接口電路401中電平轉(zhuǎn)換芯片U4-1的TTL電平輸入端(max3232的引腳11)與微處理器的UART 輸出端TX相連；U4-1的TTL電平輸出端(max3232的引腳12)與微處理器的UART輸入RX端相連。U4-1的232電平輸出端(max3232的引腳14)與DB9接口的引腳2相連；U4-1的232電平輸入端(max3232的引腳13)與DB9接口的引腳3相連；DB9接口的引腳5、外殼引腳10和外殼引腳11與地DGND相連。電平轉(zhuǎn)換芯片U4-1外圍電路的接法參照技術(shù)手冊(cè)。USB接口電路402中總線端口瞬態(tài)抑制器U4-2選用SN75240芯片，SN75240的通道C、D分別與微處理器的USB接口相連，且SN75240的通道C、D與USB接口的引腳2、3之間分別串接一個(gè)電阻R4-3、R4-4。U4-2其他外圍電路接法參照技術(shù)手冊(cè)。USB接口選用B型USB接口，USB接口的VBUS引腳(USB接口的引腳I)與微處理器的USB的VBUS相連，USB接口外殼(USB接口引腳O)與地DGND相連。參閱圖11，微處理器模塊I中微處理器選用型號(hào)為C8051F340的混合信號(hào)單片機(jī)，C8051F340的引腳15-22作為計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口，C8051F340的引腳47，48，30-25作為計(jì)數(shù)控制端口，C8051F340的引腳38-32作為方向數(shù)據(jù)端口微處理器SPI總線的MOSI端、SCLK端作為力反饋數(shù)據(jù)輸出端，C8051F340的引腳47，48作為力反饋控制輸出端，C8051F340的引腳I作為UART的RX引腳，C8051F340的引腳2作為UART的TX引腳，C8051F340的引腳8作為USB的D+引腳，C8051F340的引腳9作為USB的D-引腳，C8051F340的引腳12作為USB的VBUS引腳。參閱圖12，電源模塊包括開(kāi)關(guān)電源模塊501、第一 5V降壓電路502、第二 5V降壓電路503、第一 3.3V降壓電路504。開(kāi)關(guān)電源模塊501由兩個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)電源(3-100-12)價(jià)-1州7-2組成，5-100-12型開(kāi)關(guān)電源為單端12V輸出，功率為100W的開(kāi)關(guān)電源。U7-l、U7-2的交流輸入端與3芯電源插頭的對(duì)應(yīng)引腳相連；第一 5V降壓電路502采用降壓芯片LM1085-5.0，其外圍電路接法參照其技術(shù)手冊(cè)，輸入端+12V為+12V電壓，輸出端+5V為5.0V電壓；第二 5V降壓電路503采用降壓芯片LM1085-5.0，其外圍電路接法參照其技術(shù)手冊(cè)，輸入端D+12V為+12V電壓，輸出端D+5V為5.0V電壓；第一 3.3V降壓電路504采用降壓芯片LMl 117-3.3，其外圍電路接法參照其技術(shù)手冊(cè)，輸入端D+5V為+5V電壓，輸出端+3.3V為3.3V電壓。參閱圖14，下位機(jī)軟件即C8051F340單片機(jī)軟件，包括主循環(huán)801、中斷服務(wù)程序802。主循環(huán)801中“初始化”包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始、I/O 口初始化、USBO初始化、UART初始化、外部總線EMI初始化、SPIO初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化包括選擇片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為24MHz，I/O 口初始化包括使能交叉開(kāi)關(guān)、為UART0、SP10分配引腳、交叉開(kāi)關(guān)跳過(guò) Pl.3,Pl.6,Pl.7、Ρ3.0-Ρ3.7 引腳，設(shè)置 Ρ0、Ρ3 端口、Pl.0,PL UPl.2 為推挽輸出方式，USBO初始化包括初始化USB時(shí)鐘、使能USB中斷、設(shè)置USB工作模式為全速模式，UART初始化包括使能UARTO、設(shè)置波特率、初始化UARTO時(shí)鐘、使能UART中斷，外部總線EMI初始化包括使能EMI總線、設(shè)置EMI工作在址線、數(shù)據(jù)線復(fù)用方式，SPI初始化包括設(shè)置SPIO工作在主方式、在SCL第2個(gè)邊沿采集數(shù)據(jù)、SCLK在空閑時(shí)處于低電平，使能SPIO，設(shè)置SPI時(shí)鐘為1/2系統(tǒng)時(shí)鐘，C8051F340的控制命令參見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)，所述的主循環(huán)801中“8254初始化”包括對(duì)計(jì)數(shù)電路203中第一至第三計(jì)數(shù)器(8254)的初始化，初始化的內(nèi)容包括對(duì)每片8254中各個(gè)通道工作方式的設(shè)計(jì)和向個(gè)技術(shù)通道寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值，設(shè)置工作方式為方式O、二進(jìn)制計(jì)數(shù)方式、先讀/寫(xiě)低8位數(shù) 據(jù)，再讀/寫(xiě)高8位數(shù)據(jù)，8254的讀寫(xiě)控制命令參見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)，所述的主循環(huán)801中“TLV5630初始化”包括選擇DA轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓為片內(nèi)2V基準(zhǔn)電壓、設(shè)置TLV5630工作在快速模式，TLV5630的控制命令參見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)，所述的主循環(huán)801中“順序讀取7路8254計(jì)數(shù)值”即分別讀取計(jì)數(shù)電路203中U2-8的通道O、通道1、通道2、U2_9的通道O、通道1、通道2、U2-10的通道O的計(jì)數(shù)值，并將其存入相應(yīng)的寄存器，8254的讀寫(xiě)控制命令參見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)，所述的主循環(huán)801中“讀取方向數(shù)據(jù)”即讀取方向數(shù)據(jù)端口(C8051F340的P2.0-P2.6引腳)的狀態(tài)，并將引腳狀態(tài)放入相應(yīng)的寄存器，所述的主循環(huán)801中“計(jì)算各自由度的位置值”即根據(jù)讀取到的8254計(jì)數(shù)值和讀取到的方向數(shù)據(jù)計(jì)算出各自由度的位置值，并將計(jì)算好的數(shù)值存入相應(yīng)的寄存器，所述的主循環(huán)801中“USB發(fā)送數(shù)據(jù)”即將計(jì)算好的各自由度的位置值通過(guò)USB發(fā)送給計(jì)算機(jī)，USB發(fā)送命令參見(jiàn)C8051F340技術(shù)手冊(cè)，所述的主循環(huán)801中“UART發(fā)送數(shù)據(jù)”即將計(jì)算好的各自由度的位置值通過(guò)UARTO發(fā)送給計(jì)算機(jī)，UART發(fā)送命令參見(jiàn)C8051F340技術(shù)手冊(cè)，所述的中斷服務(wù)程序802中“USB接收數(shù)據(jù)”、“UART接收數(shù)據(jù)”分別表示從USBO端口和從UARTO讀取計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包括DA通道號(hào)和相應(yīng)DA通道要轉(zhuǎn)換的數(shù)值，“SP10發(fā)送數(shù)據(jù)”即將從計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)用SPIO發(fā)送給TLV5630，T1、RI分別為UARTO的發(fā)送中斷標(biāo)志和接收中斷標(biāo)志，USBO、UARTO、SPIO的讀寫(xiě)命令、 的讀寫(xiě)命令參見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)。
權(quán)利要求1.一種七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，包括:微處理器模塊(I)、通訊接口模塊(4)及電源模塊(5)，其特征在于，在微處理器模塊(I)上分別連接有位置檢測(cè)模塊(2 )和力反饋模塊(3 )，所述位置檢測(cè)模塊(2 )包括含有第一至第七光電編碼盤(pán)的光電編碼電路(201)、含有第一至第七光耦合器的第一光電隔離電路(202)、含有第一至第三計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)電路(203)及含有第一至第四D觸發(fā)器的鑒相電路(204)，所述光電編碼電路(201)中的7個(gè)光電編碼盤(pán)分別用于接收七自由度力反饋手控器的7個(gè)自由度的位置信號(hào)，且每個(gè)光電編碼盤(pán)產(chǎn)生A相脈沖信號(hào)和B相脈沖信號(hào)，第一至第七光電編碼盤(pán)產(chǎn)生的7路A相脈沖信號(hào)分別通過(guò)第一至第七光耦合器傳送至第一至第三計(jì)數(shù)器，脈沖計(jì)數(shù)電路(203)的輸出端和控制端與微處理器模塊(I)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口和計(jì)數(shù)控制端口相連，第一至第七 光電編碼盤(pán)產(chǎn)生的7路A相脈沖信號(hào)和7路B相脈沖信號(hào)分別通過(guò)第一至第七光耦合器傳送至第一至第四D觸發(fā)器，鑒相電路(204)的輸出端與微處理器模塊(I)的方向數(shù)據(jù)端口相連，所述力反饋模塊(3)包括含有第一至第四非門(mén)的反相電路(301)，含有第八至第九光耦合器的第二光電隔離電路(302)，含有第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器的D/A轉(zhuǎn)換電路(303)，含有第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(304)，含有第一至第七直流電機(jī)的電機(jī)組(305)，所述的反向電路(301)中的4個(gè)非門(mén)的輸入端分別與微處理器模塊(I)的力反饋數(shù)據(jù)輸出端和力反饋控制輸出端相連，第一至第四非門(mén)的4個(gè)輸出端分別通過(guò)第八至第九光耦合器傳送至第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器，第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器的14個(gè)輸出端分別通過(guò)第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳送至第一至第七直流電機(jī)，第一至第七直流電機(jī)通過(guò)堵轉(zhuǎn)方式為手控器的各個(gè)自由度提供反饋力/力矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，其特征在于所述的光電編碼電路(201)中第一至第七光電編碼盤(pán)(Encoderl-Encoder7)選用增量式光電編碼盤(pán)，光電隔離電路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1 -U2-7)選用雙路高速光耦HCPL-2630，脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中計(jì)數(shù)器選用8254芯片，第一電平轉(zhuǎn)換器選用SN74CBTD3384芯片，鑒相電路(204)中鑒相器選用D觸發(fā)器7474芯片，第二電平轉(zhuǎn)換器選用SN74CBTD3384芯片，光電編碼電路(201)中第一至第七光電編碼盤(pán)(Encoderl-Encoder7)分別與電機(jī)組(305)中第一至第七直流電機(jī)的輸出軸(Motor_Shaftl-Motor_Shaft7)相連,第一至第七光電編碼盤(pán)(Encoderl_Encoder7)的A、B相脈沖輸出端分別與光電隔離電路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1 -U2-7)的發(fā)光管的兩個(gè)負(fù)極相連，第一至第七光耦合器的輸出端分別連接一個(gè)連接上拉電阻，第一至第七光耦合器(U2-1 -U2-7)的電源端與D+5V電源相連，光電隔離電路(202)中第一至第三光耦合器(U2-1-U2-3)的第一輸出端分別與脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中第一計(jì)數(shù)器(U2-8)的第一至第三脈沖輸入端相連，第四至第六光耦合器(U2-4-U2-6)的第一輸出端分別與脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中第二計(jì)數(shù)器(U2-9)的第一至第三脈沖輸入端相連，第七光耦合器(U2-1-U2-3)的第一輸出端與脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中第三計(jì)數(shù)器(U2-10)的第一脈沖輸入端相連，脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中第一至第三計(jì)數(shù)器(U2-8、U2-9、U2-10)的數(shù)據(jù)端口并聯(lián)，并通過(guò)第一電平轉(zhuǎn)換器(U2-11)與微處理器模塊(I)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口相連，脈沖計(jì)數(shù)電路(203 )中第一至第三計(jì)數(shù)器(U2-8、U2-9、U2-10)的寫(xiě)信號(hào)端口和讀信號(hào)端口分別并聯(lián)，并通過(guò)第一電平轉(zhuǎn)換器(U2-11)與微處理器模塊(I)的計(jì)數(shù)控制端口相連，脈沖計(jì)數(shù)電路(203)中第一至第三計(jì)數(shù)器(U2-8、U2-9、U2-10)的地址信號(hào)線和片選信號(hào)線與微處理器模塊(I)的計(jì)數(shù)控制端口相連，第一光電隔離電路(202)中第一至第七光耦合器(U2-1 -U2-7)的第一、第二輸出端分別與鑒相電路(204)中第一至第四D觸發(fā)器(U2-12 -U2-15)的輸入端相連，鑒相電路(204)中第一至第四D觸發(fā)器(U2-12 - U2-15)的7個(gè)輸出端分別通過(guò)第二電平轉(zhuǎn)換器與微處理器模塊(I)的方向數(shù)據(jù)輸入端口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，其特征在于力反饋模塊(3)中，反相電路(301)中第一至第四非門(mén)選用7404芯片，第二光電隔離電路(302)中第八至第九光耦合器選用高速光耦HCPL-2630，D/A轉(zhuǎn)換電路(303)中第一至第二D/A轉(zhuǎn)換器選用具有SPI接口的D/A芯片TLV5630芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(304)中第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用MAXON公司的ADS50/5型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,ADS50/5驅(qū)動(dòng)器上有供電模塊、信號(hào)模塊、碼盤(pán)輸入模塊，反相電路(301)中第一至第四非門(mén)的輸入端分別與微處理器模塊(I)的力反饋數(shù)據(jù)輸出端相連和力反饋控制輸出端相連，反相電路(301)中第一至第四非門(mén)的輸出端分別通過(guò)I個(gè)電阻與第二光電隔離電路(302)中第八、第九光耦合器的4個(gè)發(fā)光管的負(fù)極相連，第八、第九光耦合器的4個(gè)輸出端分別連接I個(gè)上拉電阻，第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器(U3-4、U3-5)的串行數(shù)據(jù)輸入端和串行時(shí)鐘輸入端分別并聯(lián)，并分別與第二光電隔離電路(302)中第八光I禹合器 (U3-2)的第一和第二輸出端相連，D/A轉(zhuǎn)換電路(303)中第一至第二 D/A轉(zhuǎn)換器(U3-4、U3-5)的14個(gè)輸出端分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(304)中第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(U3-6 - U3-12)的輸入端相連,第一至第七電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(U3-6 - U3-12)的輸出端分別與電機(jī)組(305)中第一至第七直流電機(jī)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，其特征在于微處理器模塊(I)中微處理器選用型號(hào)為C8051F340的混合信號(hào)單片機(jī)，C8051F340的引腳15-22作為計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)端口，C8051F340的引腳47，48，30-25作為計(jì)數(shù)控制端口，C8051F340的引腳38-32作為方向數(shù)據(jù)端口，微處理器SPI總線的MOSI端、SCLK端作為力反饋數(shù)據(jù)輸出端，C8051F340的引腳47，48作為力反饋控制輸出端。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種七自由度力反饋機(jī)器人遙操作手控器測(cè)控電路，其特征在于包括微處理器模塊、位置檢測(cè)模塊、力反饋模塊、通訊接口模塊和電源模塊。位置檢測(cè)模塊檢測(cè)手控器的七個(gè)自由度的位置信息；力反饋模塊為手控器各自由度提供反饋力/力矩；通訊接口模塊用于手控器測(cè)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊，通訊方式包括USB通信和串口通信；功能鍵為手控器提供復(fù)位、擴(kuò)展行程、記錄當(dāng)前位置信息的功能；電源模塊為整個(gè)手控器測(cè)控系統(tǒng)提供電源。本實(shí)用新型采用增量式光電編碼盤(pán)測(cè)量七自由度手控器的位置信息，采用直流伺服電機(jī)為七自由度手控器提供七自由度反饋力/力矩，滿足七自由度力反饋遙操作的要求。
文檔編號(hào)B25J13/08GK203092570SQ201220142900
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者宋愛(ài)國(guó), 吳常鋮, 崔建偉, 吳涓, 曹寅, 朱澄澄, 李會(huì)軍, 徐寶國(guó) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)