基于FPGA 的仿人假手控制系統(tǒng)設(shè)計*

李 偉，張 庭，姜 力

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

仿人假手作為肢殘患者重獲人手功能的主要對象，具有重大的社會需求。理想的假手應(yīng)具有人手的仿生特征，主要體現(xiàn)在假手構(gòu)造、控制方式與環(huán)境感知3 個方面［1，2］，但由于其有限的體積和復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)有外置式和內(nèi)置式兩種。外置式控制系統(tǒng)多用于研究型假手，如Cyber Hand［3］，Tokyo Hand［4］，Vanderbilt Hand［5］等，這種控制系統(tǒng)主要用于算法、方案的驗證，在殘疾人應(yīng)用上推廣意義較小。內(nèi)置式控制系統(tǒng)在研究型假手和商業(yè)型假手上均有應(yīng)用，其中研究型假手控制系統(tǒng)，在環(huán)境感知和雙向信息交互上投入大量研究，如Smart Hand［6］，DARPA hand［7］;而商業(yè)型假手控制系統(tǒng)雖然也有部分集成有外部傳感器，但傳感器系統(tǒng)簡單，雙向信息交互上也有較大欠缺，如i-Limb［8］，BeBionic Hand［9］。

HIT IV 代假手控制系統(tǒng)［10］采用DSP 作為主控芯片，集成有位置傳感器和力矩傳感器，可對肌電信號采樣。但控制系統(tǒng)為一個整體，且體積較大，只適用于HIT IV 代假手。DSP 芯片在功能拓展上弱于FPGA，不利于二次開發(fā)。

本文采用模塊化設(shè)計方案，以FPGA 作為核心芯片，運動控制、肌電信號采集、電刺激等模塊獨立設(shè)計，通過通用接口連接。在此基礎(chǔ)上，進行多模式的多指抓取實驗。

1 仿人假手系統(tǒng)介紹

本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)以HIT V 代手為控制對象。該手略小于成年人人手，具有5 根手指，每根手指2 個指節(jié)，大拇指還另有一個內(nèi)旋/外展關(guān)節(jié)，共有11 個活動關(guān)節(jié)，整個手由6 個直流電機驅(qū)動，每根手指安裝有力矩傳感器、位置傳感器、指尖六維力傳感器。

控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)分割成幾個模塊，通過通用接口建立相互連接，使整個控制系統(tǒng)可以放置在仿人假手內(nèi)部，實現(xiàn)機電一體化。

2 基于FPGA 的控制系統(tǒng)設(shè)計

仿人假手電氣控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)假手各手指的驅(qū)動控制、多種傳感器信息的采集以及與上位機(PC 或PCI 控制卡)之間的通信。該控制系統(tǒng)由10 個模塊組成，分別為:由FPGA 組成的主控芯片模塊、USB 接口模塊、拇指控制電路模塊、食指控制電路模塊、中指控制電路模塊、無名指控制電路模塊、小指控制電路模塊、肌電信號采集模塊、電池管理系統(tǒng)模塊、電刺激反饋模塊。模塊化設(shè)計方法增加了控制系統(tǒng)的靈活性與獨立性，便于對模塊單獨進行調(diào)試與修改。電氣系統(tǒng)總體功能框圖如圖1。

圖1 電氣系統(tǒng)功能框圖Fig 1 Function block diagram of electrical system

2.1 FPGA 主控芯片模塊設(shè)計

FPGA 主控芯片模塊采用Altera 公司Cyclone Ⅲ系FPGA 芯片EP3C25F25617 作為控制核心，負責(zé)肌電信號和多種傳感器信號的處理、與手指電路的通信、USB 通信、CAN通信接口等功能。同時，主控芯片模塊還負責(zé)大拇指內(nèi)旋/外展自由度驅(qū)動電機的控制。各個功能通過VHDL 語言進行編寫，F(xiàn)PGA 中嵌入雙NIOS 核構(gòu)成雙核處理器，其中一個NIOS 核用于肌電信號處理，另一個NIOS 核用于通信;雙核通過2M 的EEPROM 進行通信。FPGA 功能框圖如圖2。

圖2 FPGA 功能框圖Fig 2 Function block diagram of FPGA

RS—485 通信通過在NIOS 核內(nèi)自定義元件AutoSCI 控制RS—485 收發(fā)接口芯片MAX3362 實現(xiàn)。MAX3362 收發(fā)芯片可通過3.3 V 低壓實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送。CAN 與LVDS通信采用復(fù)用電路設(shè)計(圖3)，通過更換接收發(fā)送接口芯片完成功能轉(zhuǎn)換。CAN 通信采用TI 公司的CAN 收發(fā)器SN65HVD230QD 作為接口芯片。LVDS 通信采用TI 公司的半雙工LVDS 收發(fā)接口芯片SN65LVDM176，構(gòu)成PPSeCo高速串行通信系統(tǒng)與PCI 控制卡通信，通信速率可達25 Mbps，保證控制信息與傳感器信息傳送的及時性。

圖3 CAN 通信/LVDS 通信復(fù)用電路Fig 3 Circuits of CAN or LVDS communication multi－plexer

拇指內(nèi)旋/外展自由度驅(qū)動電機由NIOS 核中自定義元件PWM 控制。元件功能通過VHDL 語言編寫，PWM 波周期和占空比均可調(diào)。電機驅(qū)動芯片采用MPC17531A，其內(nèi)部集成雙H 橋，可直接控制直流有刷電機。

2.2 手指運動控制模塊設(shè)計

五根手指的運動控制模塊采用相同的設(shè)計方案，增強系統(tǒng)的互換性與通用性。該模塊由DSP 作為控制核心，直流有刷電機驅(qū)動芯片MPC17531A 作為電機驅(qū)動芯片，負責(zé)手指電機的驅(qū)動，力矩傳感器、位置傳感器、電機電流傳感器信號的采集與處理，以及與觸覺傳感器系統(tǒng)的通信，最后各項數(shù)據(jù)通過RS—485 通信接口與主控芯片模塊通信?？刂颇K如圖4。

圖4 手指運動控制模塊功能框圖Fig 4 Function block diagram of finger motion control module

該模塊采用的DSP TMS320F28027 運行速率高，封裝小。內(nèi)部集成的16 通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)對力矩、位置、電機電流信號的采樣。串行異步通信接口通過RS—485 收發(fā)接口芯片實現(xiàn)與主控芯片模塊通信。EPWM 模塊可直接控制直流有刷電機驅(qū)動芯片MPC17531A。

如圖5，關(guān)節(jié)力矩傳感器信號采集系統(tǒng)包括力矩傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路。力矩傳感器基于應(yīng)變原理，采用儀表放大器INA337 組成半橋電路對力矩信號進行放大后通過RC 濾波電路進入A/D 轉(zhuǎn)換芯片。

圖5 力矩傳感器信號采集系統(tǒng)Fig 5 Signal acquisition system of torque sensor

如圖6，關(guān)節(jié)位置傳感器信號采集系統(tǒng)包括位置傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路。位置傳感器基于旋轉(zhuǎn)電位器原理，采用集成運放MAX9618 對電位器信號進行放大后通過RC 濾波電路進入A/D 轉(zhuǎn)換芯片。

一、驚天動地；二、山姆大叔；三、雷厲風(fēng)行；四、蔡福；五、五子登科；六、云海玉弓緣；七、特富龍；八、李云在；九、八公山；十、居里夫人；十一、天王送子圖；十二、陳中。

圖6 位置傳感器信號采集系統(tǒng)Fig 6 Signal acquisition system of position sensor

2.3 肌電信號采集模塊設(shè)計

肌電信號采集模塊用來采集肌電電極的信號以及對信號的濾波和D/A 轉(zhuǎn)換后存儲在CPU 中，包括RC 電路組成的濾波電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路和電壓轉(zhuǎn)換電路。數(shù)字信號通過電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V 電壓，通過SPI 接口輸入到CPU 中央處理器。

2.4 電池管理系統(tǒng)模塊設(shè)計

電池管理模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路、LED 顯示電路。電流傳感器實時監(jiān)測電池輸出電流大小，通過LED 顯示電路和蜂鳴器電路顯示充電狀態(tài)和電池電量過低報警。

3 軟件實現(xiàn)

在FPGA 控制器程序設(shè)計中主要完成各系統(tǒng)參數(shù)的初始化與控制算法的實現(xiàn)，具體由如下幾部分構(gòu)成:

1)與上位機通信部分:通過3 種方式與上位機通信，獲得控制指令，分別為USB 通信、LVDS 通信、CAN 通信，其中LVDS 通信與CAN 通信不能同時使用;

2)肌電信號采集部分:通過A/D 轉(zhuǎn)換芯片將肌電電極信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并經(jīng)過運算處理得到控制指令;

3)與手指運動控制模塊通信部分:通過SCI 接口實現(xiàn)與手指運動控制模塊的RS—485 通信;

控制流程圖如圖7 所示。

圖7 FPGA 控制流程圖Fig 7 Flow chart of FPGA control

DSP 控制程序主要完成DSP 各參數(shù)的初始化，控制流程圖如圖8。

圖8 DSP 控制流程圖Fig 8 Flow chart of DSP control

4 假手抓取實驗

基于上述設(shè)計，研制出HIT V 假手樣機，進行抓取實驗(圖9)，可實現(xiàn)多種動作模式的抓取，分別為:兩指捏取、三指捏取、圓柱抓取、球形抓取、單指指向、胡克抓取、側(cè)邊捏取、五指端取?？刂七^程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足仿人假手運動控制和傳感器信息采集要求。

圖9 多指抓取實驗Fig 9 Grasping experiment of multi－finger

5 結(jié) 論

本文介紹了結(jié)合FPGA 與DSP 的仿人假手控制系統(tǒng)的設(shè)計組成與工作流程。該控制系統(tǒng)體積小巧，可完全安裝于假手內(nèi)部。實驗證明:該系統(tǒng)運行可靠、控制靈活，使用效果良好。

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