CN113131798A - 一种机器人 - Google Patents

Abstract

一种涉及机电领域的机器人，包括机器人主体和电动***，电动***包括机械执行机构、电机和电机控制***；电机控制***包括有主控端和多个电机控制模块，主控端通过一根信号线逐级串联连接各个电机控制模块，电机控制模块包括有多个数据解码芯片和驱动电路，其各个电机驱动输出端连接到各个电机。其意义是采用单信号线的总线连接方式，但通信协议更简单，传送时间更短，最关键是各个电机驱动控制器无需设定地址编码，彼此是一样的，可互换使用，维修更换时也无需修改地址编码，可随时更换使用。

Description

一种机器人

技术领域 本发明属于申请号为2018110602335的中国专利申请的分案申请，用于对原母案申请在审查时，由于技术方向不同而被删除的权利要求进行补救。本发明涉及机电技术领域的一种电动机器人。

背景技术 机器人技术在近年快速发展，在工业、民用甚至玩具领域得到广泛应用。广义的机器人包括各种具有操作能力的机器设备，而我们更习惯理解的传统机器人则往往有类似人类的外形，能够行进运动和进行多种操作比如拿东西之类，甚至一些机器人能够进行烹调和护理等复杂操作。这些传统机器人大多需要以电机为动力，通过机械传动机构或液压(气压)传动机构来驱动运动机构和机械手，控制机器人头部和上下肢等各个关节的机械运动，来实现运动和工作。显然，这样的机器人除了需要感觉输入和智能控制的技术，也需要一个电机控制***来对数量众多的电机进行独立的灵活的控制，包括正反转和转速的控制，以驱动机械结构完成各种动作。

电机控制***对多个电机的独立控制，一般是从主控端引出控制信号到各个电机，控制电机进行运转。目前从主控端到各个电机的连接方式有直接连接和总线连接。

直接连接方式是各个电机控制器各自引出一组信号线直接连接到主控端的各个独立输出端口，主控端将控制信号输出到特定输出端口来独立控制对应的电机。优点是技术简单容易实现，缺点是随着被控电机数量增多而相应需要大量的信号连接线，造成连接复杂和混乱，而且主控端上的主控芯片也很难具有足够多的输出脚，造成对被控电机数量的限制。所以在需要使用大量电机的机器人领域，直接连接方式是难以胜任的。

总线连接方式是从主控端引出一组控制总线，同时连接到各个被控电机的电机驱动控制器，各个电机驱动控制器的输入端都同时连接到控制总线上，主控端在进行控制时需要同时发出地址编码和数据编码，地址编码用于识别对应的电机驱动控制器，数据编码用于驱动电机运转。总线连接的优点是仅使用一组控制总线便能够控制所有电机，连线简单方便。其缺点是：1、主控端和电机驱动控制器需要采用相同的总线控制协议，如果没有，则主控端和电机驱动控制器都需要自己实现相应的总线协议，而采用自带总线协议的芯片成本高，自己实现总线协议则编程复杂。2、主控端发出的每组控制信号需要同时包含地址编码和数据编码，增加数据传送的复杂性和传送时间。3、当总线的控制距离较长时，需要增加中继器，否则容易造成数据被干扰出错，传送不稳定。4、最主要的是，主控端需要通过地址编码来识别不同的电机驱动控制器，每个电机驱动控制器的解码芯片需要写入或设定特定的地址编码，所以在同一个电机控制***中各个电机驱动控制器的地址都是不同的，彼此之间不能互换，这一方面使得企业在组装产品时需要预先对同一型号的电机驱动控制器逐个写入或设定地址编码，造成部件统一性差和增加加工成本，另一方面是在使用中如果某个电机驱动控制器损坏需要更换，则需要更换具有一样地址编码的电机驱动控制器才能工作，或者需要在新的电机驱动控制器写入或设定相应地址编码才能工作，这给维护和现场应急维修工作带来不便。

发明内容 本发明的目的是公开一种机器人，其电机控制***采用逐级串联连接方式，通信协议简单，传送时间更短，关键是各个电机控制模块包括数据解码芯片都是统一的，无需设定地址编码，在生产或维修更换时都无需写入或修改地址编码，可随时更换。

本发明的机器人包括机器人的主体和电动***。主体内部安装机器人的各个组成***，比如能源***、感觉***、智能***和电动***。电动***包括有机械执行机构、电机、和电机控制***，以电机为动力并通过机械执行机构来控制机器人完成各种机械动作。其特征在于：其电机控制***包括有主控端和多个电机控制模块，主控端通过一根信号线依次串联连接各个电机控制模块；电机控制模块分别安装在机器人主体内的各个不同位置上，用于对各个位置附近的多个电机进行集中控制；每个电机控制模块具有多个电机驱动输出端，分别连接到所控制的各个电机。

电机控制模块根据不同造型机器人的工作需要，可包括头部电机控制模块、右臂电机控制模块、右手电机控制模块、右腿电机控制模块、左腿电机控制模块、左臂电机控制模块、左手电机控制模块这些电机控制模块中的全部或其中的部分，分别设置安装在机器人各个相应位置，用于对各个位置附近的多个电机进行集中控制。这能够减少电机控制输出线对外的电磁干扰，同时减少信号线受到的电磁干扰。

电机控制模块包括有一个数据输入端和一个数据输出端；主控端的控制输出端通过一根信号线连接到第一个电机控制模块的数据输入端，第一个电机控制模块的数据输出端连接第二个电机控制模块的数据输入端，第二个电机控制模块的数据输出端连接第三个电机控制模块的数据输入端，依此将各个电机控制模块进行依次串联连接，直至最后一个电机控制模块。所以主控端通过一根信号线便串联连接了各个电机控制模块。

每个电机控制模块包括有多个数据解码芯片和驱动电路，电机控制模块的数据输入端连接到第一个数据解码芯片的数据输入引脚，第一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第二个数据解码芯片的数据输入引脚，第二个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第三个数据解码芯片的数据输入引脚，依此将各个数据解码芯片进行依次连接，直至最后一个数据解码芯片；最后一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到电机控制模块的数据输出端；数据解码芯片的控制输出引脚连接到电机控制模块的电机驱动输出端，或者通过驱动电路后连接到电机驱动输出端；电机驱动输出端用于连接并控制电机的工作。所以每个电机控制模块包含了多个独立的电机驱动控制电路和电机驱动输出端。

数据解码芯片内部包括有串行解码电路、多个数据寄存器、多个PWM转换电路和多个输出驱动电路。数据寄存器、PWM转换电路和输出驱动电路的个数是一样的。串行解码电路的输出连接到各个数据寄存器，每个数据寄存器的输出连接一个PWM转换电路，PWM转换电路的输出连接一个输出驱动电路，各个输出驱动电路的输出作为数据解码芯片的控制输出引脚。

由于数据解码芯片里面包含有输出驱动电路，具有一定的输出能力，所以能够直接驱动小功率电机。对于较大功率的电机，可以在数据解码芯片的控制输出引脚与电机控制模块的电机驱动输出端之间再加上独立的驱动电路，驱动电路一般可采用驱动芯片来实现。驱动芯片可以是电机单向驱动芯片，用于驱动和控制电机的单向转动；也可以是电机双向驱动芯片，用于驱动和控制电机进行双向正反转动，电机双向驱动芯片具有两个信号输入端，需要同时连接到数据解码芯片的两个控制输出引脚，电机双向驱动芯片的两个输出端作为电机驱动输出端，同时连接到电机的正负两端。

电机控制***的具体控制方法是：1、主控端的控制输出端通过信号线向第一个电机控制模块发生控制数据；2、第一个电机控制模块的第一个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，将各组控制数据按组依次填写保存在各个寄存器里面，(每个寄存器写入一组8位的控制数据)，但暂时不进行输出；当第一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则串行解码电路不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第二个数据解码芯片的数据输入引脚；3、第二个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，同样将控制数据按组依次填写保存在其各个寄存器里面，但暂时不进行输出；当第二个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第三个数据解码芯片的数据输入引脚；4、依此过程进行工作，控制数据被依次逐个填写入各个数据解码芯片的寄存器；直至第一个电机控制模块的最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第一个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第二个电机控制模块的数据输入端上；5、第二个电机控制模块按照第一个电机控制模块的方法进行工作，控制数据被依次逐个填写入第二电机控制模块的各个数据解码芯片的寄存器，直至其最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，不再接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第二个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第三个电机控制模块的数据输入端上；6、依此进行工作，控制数据被依次填写入各个电机控制模块的各个数据解码芯片的各个寄存器，直至最后一个电机控制模块的各个数据解码芯片的各个寄存器被填满控制数据，或者主控端停止发送控制数据；7、主控端的控制输出端向电机控制模块发送一个同步输出信号，所有的数据解码芯片从数据输入引脚上接收到同步输出信号时，一方面将同步输出信号直接转发到数据输出引脚上，(也即同步输出信号是不被任何数据解码芯片寄存的，而是直接发送给所有电机控制模块的所有数据解码芯片)，另一方面将寄存在各个寄存器里面的控制数据输出到各自连接的PWM转换电路，转换为控制电机运转的PWM输出信号，再经过各自连接的驱动电路的放大后，输出到数据解码芯片的控制输出引脚；同时将寄存器里面的数据清零，等待下一个工作过程；8、各个数据解码芯片的控制输出引脚通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作；或者通过驱动电路的放大后再通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作。

本发明的技术效果在于：1、机器人主控端与所有电机驱动模块之间接线方式简单，只需单根数据线即可实现连接。2、由于无需设置和输出地址编码，只需发送控制电机运转所需的控制数据即可，所以通信协议更简单，数据传输时间更短，传输效率更高。3、由于采用级联(逐级串联)方式，发送的控制数据信号经过每个数据解码芯片后再输出的话都会被重新整形再转发输出，每个数据解码芯片和电机控制模块都相当于一个信号中继器，所以信号不容易因连接距离长而导致衰减或受干扰，能够保证信号传送稳定。4、尤其重要的是，由于所有的数据解码芯片都无需写入地址编码，所以在生产组装时不用预先给芯片写入地址编码，也无需区分不同的数据解码芯片，使生产组装更简单高效；而且组装出来的各个电机控制模块也都是一样的，在使用中碰到任何一个电机控制模块损坏时，可直接更换都一样的电机控制模块备件，而无需写入地址编码，这给现场维修带来极大方便性。4、由于电机驱动模块上面的数据解码芯片都无需地址编码，只需要按顺序连接好即可正确工作，所以还可根据工作需要随时扩展接入更多的电机驱动模块及电机，只需在主控端扩展发送控制新加入电机的控制数据。5、相比原来有地址编码的电机控制数据，本发明由于省去地址编码而只有电机控制数据，所以可以将所有电机的控制数据简化成一张二维数据表，这个数据表易于移植，易于复用。比如，反复调制好一个机器人的复杂操作动作，得到的所有电机的PWM参数,然后可以很容易的搬迁到其他机器人的主控端上，只要接法一样数据一样出来的效果就是一样。

本发明的机器人控制技术适用于各种需要使用大量电机来完成复杂操作动作的机器人，包括工业机器人、民用机器人和玩具机器人。

附图说明 图1是典型的人形机器人示意图。图2是电机控制***的主控端与各个电机控制模块的连接结构示意图。图3是主控端与电机控制模块的线路连接示意图。图4是电机控制模块的结构示意图。图5是数据解码芯片的内部组成示意图。图6是数据解码芯片所接收的数据结构及其控制对象的示意图。图7是主控端输出的控制数据的数据结构示意图。图8是电机控制模块用于对大电流电机进行正反转动控制的电路原理图。图9是电机控制模块用于对小电流电机进行正向转动控制的电路原理图。

具体实施方式 下面根据附图，对本发明的实施进行说明。

本发明的申请文件所采用的英文简称均为本技术领域的使用习惯，但为了表述更准确无歧义，以下进行说明：IC：集成电路芯片；DI：芯片上的数据输入引脚；DO：芯片上的数据输出引脚；IN：电机控制模块上的数据输入端；OUT：电机控制模块上的数据输出端；SC：Small Current缩写，表示小电流；LC：Large Current缩写，表示大电流；PWM：Pulse WidthModulation的缩写，也即脉冲宽度调制；VCC：电源正端；VSS：电源负端；GND：接地端。

图1是典型的人形机器人的示意图。(以下实施例采用人形机器人进行叙述，但本发明的机器人电机控制***的技术应用当然不限于人形机器人)。本发明的机器人包括机器人的主体1和电动***。主体1构成机器人的整体外部形状，其内部安装有机器人的各个构成***，包括能源***(比如各类电池)、感觉***(用于实现视觉、听觉或温度等信息输入)、智能***(通过程序控制信息输入输出和各种行动)、和电动***等。电动***包括机械执行机构2、电机和电机控制***，以电机为动力通过机械执行机构来驱动机器人完成各种机械动作。机械执行机构2可包括：行进机构(轮式行进机构或双下肢行进机构)，用于驱动机器人行走；操作机构主要包括机械手机构，用于驱动机器人的手臂、手掌、手指等进行各种操作动作来实现各种工作；头部运动机构，驱动机器人头部或眼睛转动来接收不同方向的音频或视频信息。电机包括各种大小功率和正反转的电机，由于机器人大多使用直流电源工作，所以这些电机基本是直流电机。这些是现有技术，不属于本发明的发明范围。

显然，这些电动***需要大量的各式电机安装在不同位置，带动多种机械执行机构来完成各种机械动作，比如驱动一个机械手及多个手指的各种动作便需要很多个电机。而这也需要一个电机控制***来对数量众多的这些电机进行独立的控制，包括正反转和转速的控制，以驱动机械执行机构协调和精准完成各种动作。

本发明采用一种级联(逐级串联)控制的电机控制***，包括有主控端和多个电机控制模块，主控端通过一根信号线依次串联连接各个电机控制模块，电机控制模块的多个电机驱动输出端分别连接到各自控制的电机。主控端也是机器人的控制中心，一般设置在躯体或头部，能够接受声音或视频等信号输入，在程序控制下输出电机控制信号到各个电机控制模块以驱动电动***完成各种机械动作，或进行声音应答等其他功能。

各个电机控制模块分别安装在机器人各个相关位置。比如图2，安装在头部的主控端3通过信号线依次连接安装在相关位置的头部电机控制模块4，(用于控制与头部机械运动相关的电机)；右臂电机控制模块5，(用于控制与右臂机械运动相关的电机)；右手电机控制模块6，(用于控制与右手掌和右手指机械运动相关的电机)；右腿电机控制模块7，(用于控制与右腿机械运动相关的电机)；左腿电机控制模块8，(用于控制与左腿机械运动相关的电机)；左臂电机控制模块9，(用于控制与左臂机械运动相关的电机)；左手电机控制模块10，(用于控制与左手掌和左手指机械运动相关的电机)；形成电机级联控制***，分别对头部、右臂、右手(右手掌和手指)、右腿、左腿、左臂、左手(左手掌和手指)等位置附近的相关电机进行集中控制。实际应用中，上述各个电机控制模块可以根据不同造型机器人的工作需要而采用全部或其中的部分模块。

设置在机器人各个不同位置的电机控制模块，只用于对该位置附近所设置的各个电机的运转进行集中控制。比如，左手电机控制模块，其电机输出端所连接和控制的多个电机，只用于控制左手手掌和手指的运动。而右手电机控制模块，其电机输出端所连接和控制的多个电机，只用于控制右手手掌和手指的运动。所以，各个电机控制模块的驱动输出线只需要连接到附近的电机，而无需连接到其他远距离位置的电机，以降低对外的电磁干扰。而信号线只需在各个电机控制模块之间进行串联连接，而无需连接到所有电机上，可以降低受到的电磁干扰。

图3是主控端与电机控制模块的线路连接示意图。为了附图简明，图3只画出两个电机控制模块，实际是多个电机控制模块进行逐个串联连接，主控端的控制输出端通过一根信号线连接到第一个电机控制模块的数据输入端，第一个电机控制模块的数据输出端连接第二个电机控制模块的数据输入端，第二个电机控制模块的数据输出端连接第三个电机控制模块的数据输入端，依此将各个电机控制模块进行依次串联连接，直至最后一个电机控制模块，形成级联的连接结构。图3可以看出，除去电源和接地线，从主控端连接各个电机控制模块的信号线只需一根连线。

图4是电机控制模块的结构示意图。每个电机控制模块包括有多个数据解码芯片和驱动电路，(图4是包含有4个数据解码芯片)，电机控制模块的数据输入端连接到第一个数据解码芯片的数据输入引脚，第一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第二个数据解码芯片的数据输入引脚，第二个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第三个数据解码芯片的数据输入引脚，依此将各个数据解码芯片进行依次连接，直至最后一个数据解码芯片；最后一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到电机控制模块的数据输出端；数据解码芯片的控制输出引脚连接到电机控制模块的电机驱动输出端，或者通过驱动电路后连接到电机驱动输出端；电机驱动输出端用于连接并控制电机的工作。所以，本发明的技术，每个电机控制模块包含了多个独立的电机控制通道和电机驱动输出端。

图5是数据解码芯片的内部结构示意图。数据解码芯片内部包括有串行解码电路、多个数据寄存器、多个PWM转换电路和多个输出驱动电路，数据寄存器、PWM转换电路、和输出驱动电路的个数是相同的。按图5的实施例，数据解码芯片内部包括有串行解码电路、三个数据寄存器、三个PWM转换电路、和三个输出驱动电路。数据解码芯片在内部固化的程序控制下进行工作。工作时，其串行解码电路将从数据输入引脚DI接收三组电机控制数据(串行Byte数据)，并依次填入和暂时储存在三个寄存器里面。当串行解码电路已经接收到三组数据，也即已经将三个寄存器依次填满时，则串行解码电路不再从DI引脚接收新的控制数据，而是将控制数据直接发送到数据输出引脚DO上，传输给后面的其他芯片。之后，数据解码芯片一直维持这样的工作状态，不断将数据输入引脚DI所接收到的数据直接发送到数据输出引脚DO上，直至当串行解码电路从数据输入引脚DI上接收到一个同步输出信号，则一方面将同步输出信号直接发送到数据输出引脚DO上传输给后面的其他数据解码芯片，同时，另一方面将储存在三个寄存器上的控制数据输出到三个PWM转换电路，由PWM转换电路转换为控制电机运转所需的PWM信号，再输出到三个输出驱动电路，经过输出驱动电路后输出到三个控制输出脚OUT1、OUT2、OUT3上，作为控制电机运转的PWM信号输出。然后，将寄存器的数据全部清零，进入下一个工作过程，等待来自信号线的新的控制数据。

同步输出信号是一个特殊信号，其信号格式明显有别于控制数据信号，所以数据解码芯片一旦接收到该信号，便会直接识别出来，并执行数据同步输出和寄存器清零(刷新)。同步输出信号一般会采用一个持续时间较长的低电平或高电平信号，其持续时间可取数据中0与1的信号宽度的10倍或以上时间。比如数据信号中0码是一个宽度3.5us的脉冲，1码是一个宽度8us的脉冲，0码或1码的完整周期都是11.5us，那么同步输出信号可以采用一个宽度超过120us的低电平或高电平信号，便足以被可靠识别。

这样，在一个数据传输的工作周期中，每个数据解码芯片一共有且只有接收Byte1、Byte2、Byte3三组数据，(分别为A0-A7，B0-B7，C0-C7)，分别填入和储存在三个寄存器里面。每组Byte数据由8位数据(8Bit)组成，对应于数值0-255，可通过PWM转换电路转换为占空比不同的PWM脉冲波形，一般设置其数值0对应于转速0也即停止，数值255对应于转速最大值，以此来控制电机的运转。每个数据解码芯片能够实现对三个电机控制通道的解码和控制。其数据结构及其控制对象如图6。

而对于整个控制***的主控端输出的控制数据，则由更多组Byte数据构成，一个电机控制通道对应一组Byte，Byte的值对应该电机控制通道输出的PWM波的占空比。如果整个控制***具有n个电机控制通道，则主控端便需要输出n组Byte数据。因为每个数据解码芯片同时对应3组Byte数据，所以在一个数据传输周期中，整串数据信号的Byte数据的总数量n为3的倍数。其控制数据的数据结构如图7。

由于数据解码芯片里面包含有输出驱动电路，具有一定输出能力，所以能够直接驱动小功率电机。对于较大功率的电机，可以在数据解码芯片的控制输出引脚与电机控制模块的电机驱动输出端之间再加上独立的驱动电路，驱动电路一般可采用驱动芯片来实现。驱动芯片可以是单向驱动芯片，用于驱动和控制电机的单向转动，这属于常规技术。驱动芯片也可以是双向驱动芯片，用于驱动和控制电机进行双向正反转动。电机双向驱动芯片具有两个信号输入端，需要同时连接到数据解码芯片的两个控制输出引脚；电机双向驱动芯片的两个输出端作为电机驱动输出端，同时连接到电机输入的正负两端(也即正负极)。当电机负端被固定置于低电平，电机正端输入PWM方波时，则电机正转，转速受PWM方波的占空比控制；将电机负端输入PWM方波，电机正端固定置于低电平时，则电机反转，转速受PWM方波的占空比控制。

电机控制***的具体控制方法是：1、主控端的控制输出端通过信号线向第一个电机控制模块发送控制数据；2、第一个电机控制模块的第一个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，将各组控制数据按组依次填写保存在各个寄存器里面，(每个寄存器写入一组8位的控制数据)，但暂时不进行输出；当第一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则串行解码电路不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第二个数据解码芯片的数据输入引脚；3、第二个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，同样将控制数据按组依次填写保存在其各个寄存器里面，但暂时不进行输出；当第二个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第三个数据解码芯片的数据输入引脚；4、依此过程进行工作，控制数据被依次逐个填写到各个数据解码芯片的寄存器；直至第一个电机控制模块的最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第一个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第二个电机控制模块的数据输入端上；5、第二个电机控制模块按照第一个电机控制模块的方法进行工作，控制数据被依次逐个填写入第二电机控制模块的各个数据解码芯片的寄存器，直至其最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，不再接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第二个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第三个电机控制模块的数据输入端上；6、依此进行工作，控制数据被依次填写到各个电机控制模块的各个数据解码芯片的各个寄存器，直至最后一个电机控制模块的数据解码芯片的各个寄存器被填满控制数据，或者主控端停止发送控制数据；7、主控端的控制输出端向电机控制模块发送一个同步输出信号，所有的数据解码芯片从数据输入引脚上接收到同步输出信号时，一方面将同步输出信号直接转发到数据输出引脚上，(也即同步输出信号是不被任何数据解码芯片寄存的，而是直接发送给所有电机控制模块的所有数据解码芯片)，另一方面将寄存在各个寄存器里面的控制数据输出到各自连接的PWM转换电路，转换为控制电机运转的PWM输出信号，再经过各自连接的输出驱动电路的放大后，输出到数据解码芯片的控制输出引脚；同时将寄存器里面的数据清零，等待下一个工作过程；8、各个数据解码芯片的控制输出引脚通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作；或者通过驱动电路后再通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作。

简要的说，本发明的机器人的电机控制***包括有主控端和多个电机控制模块，各个电机控制模块分别设置安装在机器人各个关键部位上，用于驱动和控制附近的各个电机；主控端通过信号线依次串联连接各个电机控制模块；而每个电机控制模块包括有多个数据解码芯片及驱动电路，各个数据解码芯片也按照信号传送方向进行串联连接，所以，整个电机控制***的各个数据解码芯片是采用逐个串联的级联连接结构。而主控端将控制***各个电机的运转控制信号编码为串行控制数据，按顺序发送形成一连串的控制信号输出；这一控制信号通过信号线发送到电机控制模块，并按顺序依次填写到各个电机控制模块的各个数据解码芯片的各个寄存器里面，一个寄存器填写一组控制数据，每个数据解码芯片的寄存器填满数据后再转发给下一个数据解码芯片，依次填满各个数据解码芯片的寄存器。然后，主控端发送一个同步输出信号，所有数据解码芯片接收到同步输出信号后，将寄存器里面的数据转换为PWM控制信号，通过输出驱动电路缓冲放大后输出去驱动控制电机的运转，同时将寄存器的数据清零，等待下一次工作。

具体工作示例描述。图8和图9是一个电机控制模块实施例的两种接法的电路原理图。该模块包含有IC1-IC4共4个数据解码芯片，和IC5-IC10共6个驱动芯片，可实现12路PWM输出。12路PWM输出分为大电流和小电流两种输出端口，SC1-SC12为小电流单向输出端，LC1-LC12为大电流双向输出端。数据解码芯片及电机驱动IC的数量可根据实际需要增加或减少，如果仅驱动单向运转的小电流电机，则IC5-IC10也可以不装。SW1为电机驱动的电源开关，用来统一关闭整块驱动板的电机输出。

来自主控端的控制数据从电机控制模块的数据输入端也即插口CN1的IN端输入，依次连接IC1-IC4的数据输入引脚DI和数据输出引脚DO，最后连接到电机控制模块的数据输出端也即插口CN2的OUT端，再连接到后面的其他电机控制模块。各个数据解码芯片接收到相应的控制数据后，按照前面对数据解码芯片的工作描述，最终是将控制数据转换为相应的PWM控制信号，PWM控制信号可以有两种输出选择，一是可以直接输出通过电机输出端去驱动小电流电机，如输出端SC1-SC12；二是可以输入到驱动芯片IC5-IC10，再由驱动芯片输出去驱动电流较大的电机，如输出端LC1-LC12。每一路电机控制通道均可选择大电流或小电流输出，但显然不能同时使用。电机控制模块的每一路都可以独立输出PWM信号，互不干扰，因此可以实现灵活的控制。

为了描述更清晰，其中图8只画出数据解码芯片通过驱动芯片驱动M13-M18共6只大电流电机的双向正反转动，图9只画出数据解码芯片直接驱动M1-M12共12只小电流电机的单向转动，而实际上小电流电机和大电流电机，单向转动和双向转动都可根据需要进行混合搭配。以下为该实施例进行工作时的几个具体示例。

一、驱动大电流电机工作时的说明。

当需要接大电流电机时，采用图8所示的接法。这种接法能够实现对大电流电机的正反转双向转动控制，当然也可以只控制单向转动。

其传输数据与输出通道、大电流电机对应关系如下表所示：

注：+表示电机正极；－表示电机负极。

以M13为例说明：由图8可以看出，LC1接M13负方向，LC2接M13正方向。当LC2高电平，LC1低电平时，电机正转。当LC2低电平，LC1高电平时，电机反转。

Byte1和Byte2分别对应IC1的OUT1和OUT2输出的PWM占空比。IC1的OUT1接IC5(L9110)的IA，IC1的OUT2接IC5(L9110)的IB。IC5(L9110)的OA接LC2，OB接LC1。当Byte1为0时，IC1的OUT1引脚内部驱动管持续关闭，电流无法流入IC1的OUT1引脚，IC5的IA通过上拉电阻维持高电平，当Byte2为255时，表示占空比为255，即100％最大，IC1的OUT2引脚内部驱动管持续导通输出低电平，IC5的IB也跟着被拉为低电平。

L9110输入输出真值表如下：

IA	IB	OA	OB
				高电平	低电平	高电平	低电平
低电平	高电平	低电平	高电平
				低电平	低电平	低电平	低电平
高电平	高电平	低电平	低电平

根据L9110的真值表得到Byte1与Byte2与电机正反转的关系，如下表格所示:

Byte1

Byte2

IA

IB

LC2(OA)

LC1(OB)

电机

0

255

高电平

低电平

高电平

低电平

正转

255

0

低电平

高电平

低电平

高电平

反转

255

255

低电平

低电平

低电平

低电平

停止

0

0

高电平

高电平

低电平

低电平

停止

当Byte1为0，Byte2为255时，LC2高电平，LC1低电平，M13正转。

当Byte1为255，Byte2为0时，LC2低电平，LC1高电平，M13反转。

实例1:顺序控制M13-M18正转。

参考如前举例的M13正反转所述说明及真值表说明。

步骤01：Byte1为0，LC2输出高电平，Byte2为255，LC1输出低电平，M13正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤02：Byte3为0，LC4输出高电平，Byte4为255，LC3输出低电平，M14正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤03：Byte5为0，LC6输出高电平，Byte6为255，LC5输出低电平，M15正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤04：Byte7为0，LC8输出高电平，Byte8为255，LC7输出低电平，M16正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤05：Byte9为0，LC10输出高电平，Byte10为255，LC9输出低电平，M17正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤06：Byte11为0，LC12输出高电平，Byte12为255，LC11输出低电平，M18正转。同时其它Byte均为0，电机停转。

每一步的时间间隔为300ms，每一步骤都是主控端发送完12个Byte的数据后，再发一个同步输出信号，将IC1-IC4已保存的数据输出为电机控制PWM信号输出，从步骤01-步骤06，M13-M18逐个正转后停止。

实例2:顺序控制M13-M18反转。

参考如前举例的M13正反转所述说明及真值表说明。

步骤01：Byte1为255，LC2输出低电平，Byte2为0，LC1输出高电平，M13反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤02：Byte3为255，LC4输出低电平，Byte4为0，LC3输出高电平，M14反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤03：Byte5为255，LC6输出低电平，Byte6为0，LC5输出高电平，M15反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤04：Byte7为255，LC8输出低电平，Byte8为0，LC7输出高电平，M16反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤05：Byte9为255，LC10输出低电平，Byte10为0，LC9输出高电平，M17反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

步骤06：Byte11为255，LC12输出低电平，Byte12为0，LC11输出高电平，M18反转。同时其它Byte均为0，电机停转。

从步骤01-步骤06，M13-M18逐个反转后停止。

实例3:同时控制M13-M18正反转。

步骤01：Byte1、Byte3、Byte5、Byte7、Byte9、Byte11均为0，相应的LC2、LC4、LC6、LC8、LC10、LC12输出高电平，Byte2、Byte4、Byte6、Byte8、Byte10、Byte12均为255，相应的LC1、LC3、LC5、LC7、LC9、LC11输出低电平，控制M13-M18同时正转。

步骤02：Byte1、Byte3、Byte5、Byte7、Byte9、Byte11均为255，相应的LC2、LC4、LC6、LC8、LC10、LC12输出低电平，Byte2、Byte4、Byte6、Byte8、Byte10、Byte12均为0，相应的LC1、LC3、LC5、LC7、LC9、LC11输出高电平，控制M13-M18同时反转。

二、驱动小电流电机工作时的说明。

当只需要驱动小电流电机进行单向运转时，可以采用图9的接法，每个电机接到SC1-SC12的其中一个端口上。这种接法只能实现电机单向运转的控制。

其传输数据与电机输出通道、小电流电机编号的对应关系如下所示：

以M01为例说明：如图9所示，M01接在SC1上。当Byte1为255时，表示占空比为255，即100％最大，IC1的OUT1引脚内部驱动管持续导通，SC1输出低电平，电流从VCC端经过SW1由M01倒灌入IC1的OUT1引脚，M01转动，电机两端电压占空比为255即100％最大。当Byte1为0时，IC1的OUT1引脚内部驱动管持续关闭，电流无法流入IC1的OUT1引脚，M01停止，电机两端电压占空比为0。

实例1:每隔300ms控制M01-M12顺序驱动。

M01-M12接在SC1-SC12上，为了控制M01-M12顺序转动，需要在SC1-SC12上按顺序输出相应的PWM方波。

控制步骤如下表格所示：

从表格上可以看成，Byte1为255，SC1输出低电平，电流从VCC端经过SW1由M01倒灌入IC1的OUT1引脚，M01电机转动。其它Byte为0，相应的SC端口处于高阻状态无法对地导通，M02-M12电机停止。

每一步的时间间隔为300ms，每一步骤都是主控端发送完12个Byte的数据后，再发一个同步输出信号，将IC1-IC4已保存的数据输出为电机控制PWM信号输出，每个步骤都只有1个通道的电机驱动，这样就实现了M01-M12依次驱动的效果。

Claims (7)

1.一种机器人，包括机器人主体和电动***；电动***包括有机械执行机构、电机、和电机控制***；其特征在于：电机控制***包括有主控端和多个电机控制模块；主控端通过信号线依次连接各个电机控制模块；

电机控制模块包括头部电机控制模块，右臂电机控制模块，右手电机控制模块，右腿电机控制模块，左腿电机控制模块，左臂电机控制模块，左手电机控制模块中的全部或部分，分别设置安装在机器人的各个相应位置，用于对各个位置附近的多个电机进行集中控制；每个电机控制模块具有多个电机驱动输出端，分别连接到所控制的电机。

2.根据权利要求1所述的一种机器人，其特征在于：电机控制模块包括有数据输入端和数据输出端；主控端的控制输出端通过一根信号线连接到第一个电机控制模块的数据输入端，第一个电机控制模块的数据输出端连接第二个电机控制模块的数据输入端，第二个电机控制模块的数据输出端连接第三个电机控制模块的数据输入端，依此，将各个电机控制模块进行串联连接，直至最后一个电机控制模块。

3.根据权利要求2所述的一种机器人，其特征在于：电机控制模块包括有多个数据解码芯片和驱动电路，电机控制模块的数据输入端连接到第一个数据解码芯片的数据输入引脚，第一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第二个数据解码芯片的数据输入引脚，第二个数据解码芯片的数据输出引脚连接到第三个数据解码芯片的数据输入引脚，依此将各个数据解码芯片进行依次连接，直至最后一个数据解码芯片；最后一个数据解码芯片的数据输出引脚连接到电机控制模块的数据输出端；数据解码芯片的控制输出引脚连接到电机控制模块的电机驱动输出端，或者通过驱动电路后连接到电机驱动输出端。

4.根据权利要求3所述的一种机器人，其特征在于：数据解码芯片内部包括有串行解码电路、多个数据寄存器、多个PWM转换电路和多个输出驱动电路；串行解码电路的输出连接到各个数据寄存器，每个数据寄存器的输出连接一个PWM转换电路，PWM转换电路的输出连接一个输出驱动电路，各个输出驱动电路的输出连接数据解码芯片的控制输出引脚。

5.根据权利要求3所述的一种机器人，其特征在于：数据解码芯片的控制输出引脚与电机控制模块的电机驱动输出端之间加有驱动电路；驱动电路可以采用电机单向驱动芯片，用于驱动和控制电机的单向转动；也可以采用电机双向驱动芯片，用于驱动和控制电机进行双向正反转动。

6.根据权利要求5所述的一种机器人，其特征在于：电机双向驱动芯片具有两个信号输入端，同时连接到数据解码芯片的两个控制输出引脚；电机双向驱动芯片的两个输出端作为电机驱动输出端，同时连接到电机输入的正负两端。

7.根据权利要求1至6之一所述的一种机器人，其特征在于其电机控制***的工作步骤包括：

⑴、主控端的控制输出端通过信号线向第一个电机控制模块发送控制数据；

⑵、第一个电机控制模块的第一个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，将各组控制数据按组依次填写保存在各个寄存器里面，但暂时不进行输出；当第一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则串行解码电路不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第二个数据解码芯片的数据输入引脚；

⑶、第二个数据解码芯片从数据输入引脚接收到控制数据后，同样将控制数据按组依次填写保存在其各个寄存器里面，但暂时不进行输出；当第二个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚上，也即直接转发给后续的第三个数据解码芯片的数据输入引脚；

⑷、依此过程进行工作，控制数据被依次逐个填写入各个数据解码芯片的寄存器；直至第一个电机控制模块的最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，则其串行解码电路也不再从数据输入引脚接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第一个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第二个电机控制模块的数据输入端上；

⑸、第二个电机控制模块按照第一个电机控制模块的方法进行工作，控制数据被依次逐个填写入第二电机控制模块的各个数据解码芯片的寄存器，直至其最后一个数据解码芯片的各个寄存器填满控制数据后，不再接收新的控制数据，而是将新的控制数据直接发送到其数据输出引脚、也即第二个电机控制模块的数据输出端上，并转发到第三个电机控制模块的数据输入端上；

⑹、依此进行工作，控制数据被依次填写入各个电机控制模块的各个数据解码芯片的各个寄存器，直至最后一个电机控制模块的数据解码芯片的各个寄存器被填满控制数据，或者主控端停止发送控制数据；

⑺、主控端的控制输出端向电机控制模块发送一个同步输出信号，所有的数据解码芯片从数据输入引脚上接收到同步输出信号时，一方面将同步输出信号直接转发到数据输出引脚上，另一方面将寄存在各个寄存器里面的控制数据输出到各自连接的PWM转换电路，转换为控制电机运转的PWM输出信号，再经过各自连接的驱动电路的放大后，输出到数据解码芯片的控制输出引脚；同时将寄存器里面的数据清零，等待下一个工作过程；

⑻、各个数据解码芯片的控制输出引脚通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作；或者通过驱动电路后再通过电机控制模块的电机驱动输出端去控制电机的工作。

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