结合FPGA与DSP的仿人假手控制系统设计 残疾人, 控制系统, 推广

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仿人假手作为肢残患者重获人手功能的主要对象，具有重大的社会需求。理想的假手应具有人手的仿生特征，主要体现在假手构造、控制方式与环境感知3个方面，但由于其有限的体积和复杂的传感器系统，对控制系统提出了更高的要求。
现有的控制系统有外置式和内置式两种。外置式控制系统多用于研究型假手，如Cyber Hand，Tokyo Hand，Vanderbilt Hand等，这种控制系统主要用于算法、方案的验证，在残疾人应用上推广意义较小。内置式控制系统在研究型假手和商业型假手上均有应用，其中研究型假手控制系统，在环境感知和双向信息交互上投入大量研究，如Smart Hand，DARPA hand;而商业型假手控制系统虽然也有部分集成有外部传感器，但传感器系统简单，双向信息交互上也有较大欠缺，如i-Limb，BeBionic Hand.
HIT IV代假手控制系统采用DSP作为主控芯片，集成有位置传感器和力矩传感器，可对肌电信号采样。但控制系统为一个整体，且体积较大，只适用于HIT IV代假手。DSP芯片在功能拓展上弱于FPGA，不利于二次开发。
本文采用模块化设计方案，以FPGA作为核心芯片，运动控制、肌电信号采集、电刺激等模块独立设计，通过通用接口连接。在此基础上，进行多模式的多指抓取实验。
1仿人假手系统介绍
本文所设计的控制系统以HIT V代手为控制对象。该手略小于成年人人手，具有5根手指，每根手指2个指节，大拇指还另有一个内旋/外展关节，共有11个活动关节，整个手由6个直流电机驱动，每根手指安装有力矩传感器、位置传感器、指尖六维力传感器。
控制系统采用模块化设计思想，将整个系统分割成几个模块，通过通用接口建立相互连接，使整个控制系统可以放置在仿人假手内部，实现机电一体化。
2基于FPGA的控制系统设计
仿人假手电气控制系统用于实现假手各手指的驱动控制、多种传感器信息的采集以及与上位机( PC或PCI控制卡)之间的通信。该控制系统由10个模块组成，分别为：由FPGA组成的主控芯片模块、USB接口模块、拇指控制电路模块、食指控制电路模块、中指控制电路模块、无名指控制电路模块、小指控制电路模块、肌电信号采集模块、电池管理系统模块、电刺激反馈模块。模块化设计方法增加了控制系统的灵活性与独立性，便于对模块单独进行调试与修改。电气系统总体功能框图如图1.


图1 电气系统功能框图
2.1 FPGA主控芯片模块设计
FPGA主控芯片模块采用Altera公司CycloneⅢ系FPGA芯片EP3C25F25617作为控制核心，负责肌电信号和多种传感器信号的处理、与手指电路的通信、USB通信、CAN通信接口等功能。同时，主控芯片模块还负责大拇指内旋/外展自由度驱动电机的控制。各个功能通过VHDL语言进行编写，FPGA中嵌入双NIOS核构成双核处理器，其中一个NIOS核用于肌电信号处理，另一个NIOS核用于通信;双核通过2M的EEPROM进行通信。FPGA功能框图如图2.


图2 FPGA功能框图
RS—485通信通过在NIOS核内自定义元件AutoSCI控制RS—485收发接口芯片MAX3362实现。MAX3362收发芯片可通过3.3 V低压实现高速数据传送。CAN与LVDS通信采用复用电路设计(图3)，通过更换接收发送接口芯片完成功能转换。CAN通信采用TI公司的CAN收发器SN65HVD230QD作为接口芯片。LVDS通信采用TI公司的半双工LVDS收发接口芯片SN65LVDM176，构成PPSeCo高速串行通信系统与PCI控制卡通信，通信速率可达25 Mbps，保证控制信息与传感器信息传送的及时性。


图3 CAN通信/LVDS通信复用电路
拇指内旋/外展自由度驱动电机由NIOS核中自定义元件PWM控制。元件功能通过VHDL语言编写，PWM波周期和占空比均可调。电机驱动芯片采用MPC17531A，其内部集成双H桥，可直接控制直流有刷电机。
2.2手指运动控制模块设计
五根手指的运动控制模块采用相同的设计方案，增强系统的互换性与通用性。该模块由DSP作为控制核心，直流有刷电机驱动芯片MPC17531A作为电机驱动芯片，负责手指电机的驱动，力矩传感器、位置传感器、电机电流传感器信号的采集与处理，以及与触觉传感器系统的通信，最后各项数据通过RS—485通信接口与主控芯片模块通信。控制模块如图4.


图4 手指运动控制模块功能框图
该模块采用的DSP TMS320F28027运行速率高，封装小。内部集成的16通道12位A/D转换器可实现对力矩、位置、电机电流信号的采样。串行异步通信接口通过RS—485收发接口芯片实现与主控芯片模块通信。EPWM模块可直接控制直流有刷电机驱动芯片MPC17531A.
如图5，关节力矩传感器信号采集系统包括力矩传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。力矩传感器基于应变原理，采用仪表放大器INA337组成半桥电路对力矩信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。


图5 力矩传感器信号采集系统
如图6，关节位置传感器信号采集系统包括位置传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。位置传感器基于旋转电位器原理，采用集成运放MAX9618对电位器信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。


图6 位置传感器信号采集系统
2.3肌电信号采集模块设计
肌电信号采集模块用来采集肌电电极的信号以及对信号的滤波和D/A转换后存储在CPU中，包括RC电路组成的滤波电路、D/A转换电路和电压转换电路。数字信号通过电压转换芯片转换为3.3 V电压，通过SPI接口输入到CPU中央处理器。
2.4电池管理系统模块设计
电池管理模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路、LED显示电路。电流传感器实时监测电池输出电流大小，通过LED显示电路和蜂鸣器电路显示充电状态和电池电量过低报警。
3软件实现
在FPGA控制器程序设计中主要完成各系统参数的初始化与控制算法的实现，具体由如下几部分构成：
1)与上位机通信部分：通过3种方式与上位机通信，获得控制指令，分别为USB通信、LVDS通信、CAN通信，其中LVDS通信与CAN通信不能同时使用;
2)肌电信号采集部分：通过A/D转换芯片将肌电电极信号转换为数字量，并经过运算处理得到控制指令;
3)与手指运动控制模块通信部分：通过SCI接口实现与手指运动控制模块的RS—485通信;
4)生成驱动电机控制参数部分：运算处理控制指令，生成电机运动参数(方向与占空比)。
控制流程图如图7所示。


图7 FPGA控制流程图
DSP控制程序主要完成DSP各参数的初始化，控制流程图如图8.


图8 DSP控制流程图
4假手抓取实验
基于上述设计，研制出HIT V假手样机，进行抓取实验(图9)，可实现多种动作模式的抓取，分别为：两指捏取、三指捏取、圆柱抓取、球形抓取、单指指向、胡克抓取、侧边捏取、五指端取。控制过程中，系统工作稳定，满足仿人假手运动控制和传感器信息采集要求。


图9 多指抓取实验
5结论
本文介绍了结合FPGA与DSP的仿人假手控制系统的设计组成与工作流程。该控制系统体积小巧，可完全安装于假手内部。实验证明：该系统运行可靠、控制灵活，使用效果良好。