肢體康復系統(tǒng)中多伺服電機控制單元的設計

齊 迪 ， 張 倩， 沈 巍， 呂壯壯， 莊子艾

（1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028；2.康佳集團股份有限公司國際營銷事業(yè)部 廣東 深圳 518058）

隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人均平均壽命也大大增長。與此同時，各類疾病所引起的肢體功能障礙也成為中老年群體亟待解決的問題[1]。

應用于肢體康復設備的多伺服電機控制系統(tǒng)是針對肢體功能障礙患者設計的一款電動康復鍛煉裝置。該裝置主要由外部機械骨骼[2]，多伺服電機控制單元，電源模塊，主控制單元，人機互動模塊組成。其中單片機主控制單元采用Kinetis K60控制多伺服電機系統(tǒng)，進而多伺服電機系統(tǒng)驅動機械手臂[3]，幫助佩戴機械手臂的康復訓練者做出預定的康復訓練動作。此外，其本身可記憶多種模式以及不同的康復訓練動作，以此簡化醫(yī)務人員的相關工作，提高醫(yī)療效率?？祻陀柧氄咴谠撗b置的幫助下做被動康復訓練，能大大降低康復訓練的難度，減少不必要的人力成本。

1 多伺服電機控制系統(tǒng)硬件設計方案與分析

1.1 硬件總體設計方案與分析

應用于肢體康復設備的多伺服電機控制系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成：電源模塊、矩陣鍵盤模塊、液晶顯示模塊、主控芯片模塊、伺服電機單元以及外部的機械手臂支架。其中，電源模塊負責為其余各個模塊提供穩(wěn)定的工作電壓；矩陣鍵盤模塊負責外接控制指令的輸入；液晶顯示模塊負責系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示；主控芯片是整個系統(tǒng)的大腦，負責按照程序指令對各個模塊進行控制；伺服電機單元受控于單片機，其輸出量直接帶動機械手臂的運動，使機械手臂完成指定擺臂動作。

系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1。

1.2 單片機主控模塊

Kinetis K60是飛思卡爾公司推出的Kinetis單片機系列中一款基于ARMv7的體系結構ARM Cortex-M4內核的32位單片機。片內資源豐富，包含了GPIO模塊，EXIT外部中斷模塊，PIT定時器模塊，ADC模塊，DAC模塊，F(xiàn)TM PWM模塊，輸入捕捉模塊，DMA模塊，UART模塊以及I2C模塊。其中GPIO分為A、B、C、D、E 5個端口，每個端口包含了32位IO口資源。所有的普通IO口都可以設置外部中斷，K60包含了4個定時器中斷，兩個獨立的12位DAC模塊，兩個獨立的16位ADC模塊。FTM PWM模塊共有一個8路PWM和兩個2路PWM[4]。

1.3 電源模塊

采用美國國家半導體公司生產的集成穩(wěn)壓電路LM2576，它內部含固定頻率振蕩器（52 kHz）和基準穩(wěn)壓器（1，23 V），并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。LM2576是開關電源，高壓差下效率高，發(fā)熱不嚴重，輸出電流大，可達3 A，但是紋波大，干擾大，電流稍微復雜，需要用到電感，7805是串聯(lián)穩(wěn)壓電源，效率差，輸入輸出壓差和電流越大，損耗越大，而且，輸出電流較小，一般在500 mA左右，也有1.5 A的型號，但是紋波小，電路簡單，較常用。鑒于我們采用7.2 V電池供電，所以采用輸出散熱較好的LM2576穩(wěn)壓芯片。

系統(tǒng)的正常工作要有穩(wěn)定可靠的電源保障。系統(tǒng)中需要的電壓值主要有：7 V，6 V，5 V 3種。7 V電壓主要為電池接入口處，7 V電壓經過兩片LM2576芯片分別產生兩個5 V、6 V兩個不同的電壓值。5 V電壓主要用于K60單片機供電，液晶顯示模塊供電，以及為矩陣鍵盤提供參考電壓。6 V電壓主要用于為多伺服電機控制系統(tǒng)中的舵機供電。

最終電源電路設計如圖2所示。

圖2 5V電源模塊電路設計Fig.2 5V power module circuit design

1.4 伺服電機模塊

選用的舵機工作電壓6 V左右。電源電壓在7.8～7.2 V之間，因此需要穩(wěn)壓片降壓。開始選用穩(wěn)壓片LM2576將電壓穩(wěn)定在6 V，靜態(tài)測試穩(wěn)定效果很好。在實際調試過程中發(fā)現(xiàn)，在電源開啟瞬間芯片穩(wěn)壓值會有突變，對于芯片工作以及舵機轉角造成影響，使得整體控制效果下降。測試其他幾個類型芯片均存在此類問題，最后，決定用二極管降壓。由于二極管不存在電流干擾等問題，而且性能較穩(wěn)定，完全能夠滿足實際要求。

舵機的控制只需要一路PWM波即可滿足要求。PWM波周期10 ms，不同占空比使舵機轉過角度不同。

2 多伺服電機控制系統(tǒng)軟件設計方案與分析

2.1 系統(tǒng)軟件總體設計方案與分析

軟件運行需要配置單片機各個模塊寄存器數值，使單片機各個模塊正常工作。初始化中包括：單片機時鐘配置、I/O口配置、PWM模塊配置、RTI實時中斷配置、脈沖捕捉模塊配置。當初始化完畢后，開始檢測外部按鍵的輸入，通過判斷不同的按鍵輸入，來決定單片機執(zhí)行擺臂動作或是舵機擺角值的加減調整。通過改變PWM模塊內部寄存器數值可以得到不同占空比的方波信號，實現(xiàn)對舵機的調節(jié)。

系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 伺服電機系統(tǒng)軟件設計流程圖Fig.3 Flow chart the servo motor system software design

本設計分別為矩陣鍵盤按鍵定義五種不同的功能。當按下一號鍵時，單片機執(zhí)行內部固有的舵機輸出值，多伺服電機控制系統(tǒng)完成固定擺角，帶動機械手臂完成指定動作；當按下二號鍵時，調整一號舵機值的擺角增大；當按下三號鍵時，調整一號舵機值的擺角減?。划敯聪滤奶栨I時，調整二號舵機值的擺角增大；當按下五號鍵時，調整二號舵機值的擺角減小。主程序不斷掃描哪位按鍵被按下，依次判斷所需執(zhí)行的語句。

2.2 伺服電機模塊軟件設計與分析

伺服電機模塊的控制主要是通過單片機產生的PWM信號調制。在K60單片機中，脈寬調制模塊中有3個獨立的PWM模塊FTM0，F(xiàn)TM1，F(xiàn)TM2。其中FTM0有8路獨立的可設置占空比的8位PWM通道，每個通道配有專門的計數器[5]。該模塊有4個時鐘源，能分別控制8路信號。通過配置寄存器可設置PWM的使能與否、每個通道的工作脈沖極性、每個通道輸出的對齊方式、時鐘源以及使用方式（8個8位通道還是四個16位通道）[6]。另外的FTM1，F(xiàn)TM2模塊各有兩個PWM通道。這3個模塊內部的周期需保持一致，彼此間的周期可設置不同。

3 結束語

文中相關設計是基于伺服電機特性，利用肢體康復設備這個平臺得以體現(xiàn)該設計的實際作用，本設計可使肢體康復設備正確安全的做出相應的動作，利用轉向伺服電機控制擺臂方向，使肢體康復設備達到應有的性能要求。多伺服電機控制系統(tǒng)是應用于肢體康復設備的主要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)通過模擬醫(yī)護人員的肢體恢復輔助動作，能夠使機器手臂代替醫(yī)護人員的一部分工作，減少了醫(yī)護人員的壓力。在目前醫(yī)護人力資源緊缺的情況下，使用本系統(tǒng)對于患者進行肢體康復訓練無疑能節(jié)省大量的人力物力財力，同時擴展了Kinect技術的應用，具備十分廣闊且實用的前景。

[1]謝欲曉，白偉，張羽.下肢康復訓練機器人的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].中國醫(yī)療器械信息，2010，53（3）:1-7.

[2]王占禮，龐在祥，張邦成.仿人按摩機器人手臂結構設計及改進[J].機械設計與制造，2011（7）:38-40.

[3]謝濤，黃鴻.按摩機器人的結構設計及運動學仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2007（7）:105-107.

[4]柯福全.基于視頻運動捕捉的肢體康復虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計[D].長沙：中南大學，2012.

[5]Dmitry Ivanov.Alexandre Dolgui.Applicability of optimal control theory to adaptive supply chain plan-ning and scheduling[J].Annual Reviews in Control，2012 ，2（1）:688-691.

[6]林敏，丁金華，田濤.計算機控制技術及工程應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.