摘 要

本论文的工作旨在通过模块化的电子系统设计一种通用型机器人运动控制模块。该模块包含电机驱动器、力传感器接口、姿态感知单元以及一些方便数据传输和编程控制的接口，以提供较为可靠的力控制。

该模块以电机驱动器驱动直流无刷电机，以应变片信号放大单元作为力传感器接口，以惯性测量单元（IMU）作为姿态感知单元，并用RS-485通信接口、USB及相应的程序下载接口作为与外部的通信接口，通过各个单元模块之间的协同工作搭建一个灵活的、可扩展的电子架构（FlexSEA）。该模块可用于精确的运动控制、数据采集和网络连接，通过使用模块之间的快速工业通讯协议和外围接口的标准化可以获得可扩展性。本文设计的通用型机器人运动控制模块可以高效快速地应用到符合用户功能需求的实用控制系统中，具有较强的实时性和可靠性，减小了模块占用体积、降低了设备成本。

关键词：通用型运动控制；电机驱动；应变片信号放大单元；姿态感知单元；通信接口

Abstract

The purpose of this paper is to design a general-purpose robot motion control module through a modular electronic system. The module includes a motor driver, force sensor interface, inertial measurement unit and some convenient data transmission and programming control interface, in order to provide a more reliable force control.

In this module, the brushless dc motor is driven by the motor driver, the strain gauge signal amplifying unit is used as the force sensor interface, the IMU is used as the inertial measurement unit, and the RS-485 communication interface, USB and the corresponding program download interface are used as the External communication interface, through the cooperation between the various modules to build a flexible, scalable electronic architecture (FlexSEA). The module can be used for accurate motion control, data acquisition and network connectivity, through the use of modules between the fast industrial communication protocol and the standardization of peripheral interfaces can be scalable. The general-purpose motion control module designed in this paper can be easily, efficiently and quickly applied to the practical control system which meets the needs of the user. It has strong real-time and reliability, reduces the module occupancy volume and reduces the cost of equipment.

Key words: general-purpose motion control; motor drive; strain gauge signal amplification unit; inertial measurement unit; communication interface.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.3 课题研究内容、预期目标 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 预期目标 2

第二章 电机驱动电路的设计 3

2.1 直流无刷/有刷电机的比较和选择 3

2.2 MCU电路原理图设计 3

2.3 驱动电路设计 5

第三章 应变片信号放大单元与姿态感知单元（IMU）模块设计 8

3.1 应变信号放大单元 8

3.2 测量电路 9

3.3 IMU的功能作用 9

3.4 芯片选择 10

3.5 MPU9250功能作用及原理图设计 10

3.5.1 MPU9250的功能特性 10

3.5.2 MPU9250电路原理图设计 12

3.6 电路参数设定及信号处理方式 13

3.6.1 电压和周围元器件参数设定 13

3.6.2 信息处理方式 14

第四章 RS-485及USB通信接口模块电路设计 15

4.1 RS485的作用功能 15

4.2 RS485接口电路及工作原理 15

4.3 USB及USB串口电路的设计 16

4.3.1 USB及电源部分原理图设计 16

4.3.2 USB串口电路设计 16

第五章 设计结果与仿真 19

5.1 PCB设计图 19

5.2 实验仿真 20

第六章 总结与展望 23

参考文献 24

附 录 25

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

早期的运动控制器都是独立为实现一些特定功能而设计的，这类控制器是有针对性的应用于特定的控制领域，其功能一般都是提前设定好的，各个行业的用户只需要按照控制器的协议要求编写代码文件就可以将控制器应用到自己的行业中。但是这类控制器的应用范围非常单一，并不能根据用户自己的需求去设计它的功能，在具体的应用环境中使它能够适应不同的工作条件和环境，如果在一个需要实现多种功能的情况下，势必会造成更大的工作量，浪费更多的资源，在实现的过程中会带来很大的困难。由于这类控制器缺乏灵活性、创造性和普适性，通用运动控制器开始进入人们的视野并且发展成为了市场的必然需求^[1]。

随着机器人技术的发展及大众对机器人应用需求的提高，新一代机器人系统除对位置控制有要求外，对力控制，尤其是人-机器人动态交互过程中的力控制有更高的要求^[2]。

传统控制模块一般由机器人底层硬件设计人员基于电机厂商所提供的驱动器进行二次开发获得。为了提供可靠的力控制，除电机驱动器外，还需要力传感器接口（一般为应变片信号放大单元），姿态感知单元（一般为IMU）以及一些方便数据传输及编程控制的接口。但是，为每一个机器人都设计一款单独的运动控制系统费时费力，效率低且成本高。因此，本文旨在设计一种通用型运动控制模块，可使得用户可以很方便地利用通用运动控制器开发自己的控制系统。而随着通用运动控制在将来的机器人控制领域的应用越来越广，如何利用现有的通用型运动控制模块高效、快速地开发出符合自己功能需求，同时具有很好的通用性的实用控制系统，成了一种十分迫切的需求^[3]。