專利名稱：基于雙數(shù)字信號(hào)處理器的嵌入式多自由度肌電假手控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多自由度肌電假手的硬件電路及其控制技術(shù)，屬于生物機(jī)
電一體化(Biomechatronics)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
假手的研究對(duì)于殘疾人能夠進(jìn)行日常生活和更好的融入社會(huì)是非常重 要的。理想的假手應(yīng)該具有與人手一樣的外形和大小，重量輕，具有抓取 和靈巧操作的功能，從而在功能上代替人手。
但是，目前市場(chǎng)上比較成熟的商業(yè)假手幾乎都是基于單自由度，近年 來(lái)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，具有多指多關(guān)節(jié)的多自由度假手成為比較活躍 的研究方向。在多自由度假手研究領(lǐng)域比較引人注意的是基于欠驅(qū)動(dòng)原理 的假手。這種設(shè)計(jì)減輕了手指的重量，增加了抓握穩(wěn)定性。
由于假手在機(jī)械本體上己趨于小型化、輕量化(體積接近成人正常手， 重量約500g)，因此對(duì)應(yīng)的電子控制系統(tǒng)也必須集成化，讓使用者自身能夠 承受假手整體重量。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的假手電子控制系統(tǒng)要么沒(méi)有集成， 要么集成化程度不高，如國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的肌電控制盒，整體置于假手本體 之外，其體積龐大，使用不方便。同時(shí)，由于用戶對(duì)假手智能化要求的提 高，使得假手的功能模塊越來(lái)越多，這無(wú)疑對(duì)其電子控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 提出了更高的要求。而多模式識(shí)別的多EMG(electromyography)信號(hào)通道對(duì) 計(jì)算量也有增加，因此，假手能否達(dá)到預(yù)定的使用性能，很大程度上決定 于處理器能否在短時(shí)間內(nèi)完成這些數(shù)據(jù)計(jì)算與判斷決策。在這種情況下， 如果還用一個(gè)處理器的構(gòu)架并靠提高其處理器的性能(使用更高級(jí)的芯 片)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量的計(jì)算和較高的實(shí)時(shí)性將是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@將增加軟 件算法的復(fù)雜程度和增加所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但現(xiàn)有的肌電假手的電 子控制系統(tǒng)卻恰恰存在上述的缺點(diǎn)，即實(shí)時(shí)速度不夠，也就是說(shuō)延遲時(shí)間 長(zhǎng)、體積龐大、硬件成本高，制約了欠驅(qū)動(dòng)原理假手的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有肌電假手的電子控制系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)速度 不夠即延遲時(shí)間長(zhǎng)、體積龐大、硬件成本高，而制約欠驅(qū)動(dòng)原理假手推廣 應(yīng)用這一系列的問(wèn)題。進(jìn)而提出了一種基于雙DSP的嵌入式多自由度肌電假 手控制系統(tǒng)。
本發(fā)明由主DSP電路1、蜂鳴器電路2、電源管理電路3、溫度傳感器 4、 EMG通道電路5、振動(dòng)電機(jī)電路6、電刺激電路7、藍(lán)牙電路8、從DSP 電路9、多個(gè)力矩傳感器IO、 CPLD電路ll、多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12、多個(gè) 電動(dòng)機(jī)M組成；
蜂鳴器電路2的控制輸入端連接主DSP電路1的蜂鳴聲音控制信號(hào)輸 出端，電源管理電路3的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的電源狀態(tài)信號(hào)輸 入端，溫度傳感器4的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的溫度信號(hào)輸入端， EMG通道電路5的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的EMG通道信號(hào)輸入端， 振動(dòng)電機(jī)電路6的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路1的振動(dòng)控制信號(hào)輸出 端，電刺激電路7的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路1的電刺激控制信號(hào) 輸出端，藍(lán)牙電路8的數(shù)據(jù)輸入、輸出端連接主DSP電路1的藍(lán)牙數(shù)據(jù)輸 出、輸入端，主DSP電路1的SPI通信端連接從DSP電路9的SPI通信端， 每個(gè)力矩傳感器10的信號(hào)輸出端分別連接從DSP電路9的一個(gè)力矩信號(hào)輸 入端，CPLD電路11的數(shù)據(jù)控制輸出輸入總線端連接從DSP電路9的數(shù)據(jù) 控制輸出輸入總線端，CPLD電路11的每個(gè)控制輸出端分別連接一個(gè)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路12的控制輸入端，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12的驅(qū)動(dòng)輸出端分別連接 一個(gè)電動(dòng)機(jī)M的輸入端，每個(gè)電動(dòng)機(jī)M的編碼信號(hào)輸出端分別連接CPLD 11的一個(gè)編碼信號(hào)處理輸入端。
本發(fā)明的實(shí)時(shí)速度快，延遲在50ms左右，使用者不會(huì)感覺(jué)到有延遲， 它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、硬件成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
因本發(fā)明中的兩個(gè)DSP處理器采用主從分布工作模式，在一個(gè)總的工 作周期中，當(dāng)某個(gè)功能模塊的使用只涉及到其中一個(gè)DSP時(shí)另一個(gè)DSP則 進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，甚至休眠掛起；在當(dāng)前工作的DSP處理完對(duì)應(yīng)功能 模塊的數(shù)據(jù)后也進(jìn)入低功耗工作或休眠掛起狀態(tài)。所以，兩個(gè)主從DSP的 配合使用，并不會(huì)增加太多的系統(tǒng)總功耗，卻實(shí)現(xiàn)了多功能。同時(shí)又避免 了換用高級(jí)芯片所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。


圖1是本發(fā)明的整體電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖l說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由主DSP電
路l、蜂鳴器電路2、電源管理電路3、溫度傳感器4、 EMG通道電路5、 振動(dòng)電機(jī)電路6、電刺激電路7、藍(lán)牙電路8、從DSP電路9、多個(gè)力矩傳 感器IO、 CPLD電路ll、多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12、多個(gè)電動(dòng)機(jī)M組成；
蜂鳴器電路2的控制輸入端連接主DSP電路1的蜂鳴聲音控制信號(hào)輸 出端，電源管理電路3的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的電源狀態(tài)信號(hào)輸 入端，溫度傳感器4的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的溫度信號(hào)輸入端， EMG通道電路5的信號(hào)輸出端連接主DSP電路1的EMG通道信號(hào)輸入端， 振動(dòng)電機(jī)電路6的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路1的振動(dòng)控制信號(hào)輸出 端，電刺激電路7的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路1的電刺激控制信號(hào) 輸出端，藍(lán)牙電路8的數(shù)據(jù)輸入、輸出端連接主DSP電路1的藍(lán)牙數(shù)據(jù)輸 出、輸入端，主DSP電路1的SPI通信端連接從DSP電路9的SPI通信端， 每個(gè)力矩傳感器10的信號(hào)輸出端分別連接從DSP電路9的一個(gè)力矩信號(hào)輸 入端，CPLD電路11的數(shù)據(jù)控制輸出輸入總線端連接從DSP電路9的數(shù)據(jù) 控制輸出輸入總線端，CPLD電路11的每個(gè)控制輸出端分別連接一個(gè)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路12的控制輸入端，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12的驅(qū)動(dòng)輸出端分別連接 一個(gè)電動(dòng)機(jī)M的輸入端，每個(gè)電動(dòng)機(jī)M的編碼信號(hào)輸出端分別連接CPLD 11的一個(gè)編碼信號(hào)處理輸入端。
主DSP電路1的DSP芯片選用的型號(hào)為T(mén)MS320F2812，蜂鳴器電路2 選用的型號(hào)為FT-35G-3.3的蜂鳴器，電源管理電路3的芯片選用的型號(hào)為 BQ2050H，溫度傳感器4選用的型號(hào)為L(zhǎng)M50， EMG通道電路5選用的型 號(hào)為QPA4345，振動(dòng)電機(jī)電路6選用常用手機(jī)振動(dòng)片，電刺激電路7的芯 片選用的型號(hào)為NE555，藍(lán)牙電路8選用的型號(hào)為BTM0102C2P系列的藍(lán) 牙模塊，其主芯片是CSR公司的芯片，從DSP電路9選用的型號(hào)為 TMS320F2810, CPLD電路11選用的型號(hào)為EPM7064AETC44-10，多個(gè)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12的芯片選用的型號(hào)都為MPC17531,多個(gè)電動(dòng)機(jī)M選用的型 號(hào)都為Portescap公司生產(chǎn)的有刷直流電機(jī)。
工作原理本發(fā)明中的兩個(gè)DSP處理器采用主從分布工作模式，在一個(gè)總的工作周期中，當(dāng)某個(gè)功能模塊的使用只涉及到其中一個(gè)DSP時(shí)另一
個(gè)DSP則進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，甚至休眠掛起；在當(dāng)前工作的DSP在處理 完某一模塊的數(shù)據(jù)后也進(jìn)入低功耗工作或休眠掛起。例如，當(dāng)在一個(gè)工作 周期中，手臂主DSP在處理分析EMG電極采集回來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，從DSP關(guān) 于電機(jī)驅(qū)動(dòng)及編碼器部分此時(shí)并不工作；反過(guò)來(lái)，當(dāng)主DSP把EMG關(guān)于 動(dòng)作的數(shù)據(jù)識(shí)別、分類并發(fā)出動(dòng)作指令后停止工作，而此時(shí)從DSP產(chǎn)生一 個(gè)中斷，進(jìn)入對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)，即根據(jù)上級(jí)DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的指令產(chǎn)生相應(yīng)的 電機(jī)方向及轉(zhuǎn)速信號(hào)給CPLD及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)并帶動(dòng)手指 動(dòng)作。
電源管理電路3用于實(shí)時(shí)監(jiān)視兩節(jié)可充電鋰離子聚合物電池的剩余電 量，在電池充電時(shí)反映充電的狀態(tài)。EMG通道電路5是對(duì)EMG信號(hào)(肌 電信號(hào))進(jìn)行檢測(cè)，它要針對(duì)表面電極所提取的生物電信號(hào)進(jìn)行處理，并 通知主DSP電路1給出正確的動(dòng)作命令。蜂鳴器電路2實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè) 一是在電池電量不足時(shí)發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行報(bào)警；二是在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)， 由主DSP電路1及控制程序發(fā)出命令，使之報(bào)警。藍(lán)牙電路8主要為實(shí)現(xiàn) 語(yǔ)音方式進(jìn)行假手動(dòng)作控制處理，即利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)殘疾人和假手的語(yǔ) 音通訊，是生物電信號(hào)控制平臺(tái)的一個(gè)備用控制手段。溫度傳感器4是用 于檢測(cè)系統(tǒng)的溫度，可以設(shè)置系統(tǒng)正常工作的溫度范圍。振動(dòng)電機(jī)電路6 是通過(guò)振動(dòng)來(lái)反映假手出力的大小。電刺激電路7是通過(guò)電刺激來(lái)反映假 手出力的大小(力的大小。利用力傳感器返回DSP的信號(hào)，在DSP中識(shí)別 判斷完之后，給出對(duì)應(yīng)力大小的電刺激脈沖感覺(jué)反饋給假手佩戴者的皮膚， 并經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞至大腦。它與振動(dòng)電機(jī)感覺(jué)反饋的區(qū)別是電刺激反饋 可以更精確的使假手佩戴者知道力的大小，可以與振動(dòng)電機(jī)感覺(jué)反饋?zhàn)鳛?不同精度等級(jí)感覺(jué)反饋配合使用)。
在圖1中A部分的電路都設(shè)置在手掌內(nèi)，B部分的電路都設(shè)置在手臂內(nèi)。
權(quán)利要求
1、基于雙DSP的嵌入式多自由度肌電假手控制系統(tǒng)，它由主DSP電路(1)、蜂鳴器電路(2)、電源管理電路(3)、溫度傳感器(4)、EMG通道電路(5)、振動(dòng)電機(jī)電路(6)、電刺激電路(7)、藍(lán)牙電路(8)、從DSP電路(9)、多個(gè)力矩傳感器(10)、CPLD電路(11)、多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12)、多個(gè)電動(dòng)機(jī)(M)組成；其特征在于蜂鳴器電路(2)的控制輸入端連接主DSP電路(1)的蜂鳴聲音控制信號(hào)輸出端，電源管理電路(3)的信號(hào)輸出端連接主DSP電路(1)的電源狀態(tài)信號(hào)輸入端，溫度傳感器(4)的信號(hào)輸出端連接主DSP電路(1)的溫度信號(hào)輸入端，EMG通道電路(5)的信號(hào)輸出端連接主DSP電路(1)的EMG通道信號(hào)輸入端，振動(dòng)電機(jī)電路(6)的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路(1)的振動(dòng)控制信號(hào)輸出端，電刺激電路(7)的控制信號(hào)輸入端連接主DSP電路(1)的電刺激控制信號(hào)輸出端，藍(lán)牙電路(8)的數(shù)據(jù)輸入、輸出端連接主DSP電路(1)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)輸出、輸入端，主DSP電路(1)的SPI通信端連接從DSP電路(9)的SPI通信端，每個(gè)力矩傳感器(10)的信號(hào)輸出端分別連接從DSP電路(9)的一個(gè)力矩信號(hào)輸入端，CPLD電路(11)的數(shù)據(jù)控制輸出輸入總線端連接從DSP電路(9)的數(shù)據(jù)控制輸出輸入總線端，CPLD電路(11)的每個(gè)控制輸出端分別連接一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12)的控制輸入端，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12)的驅(qū)動(dòng)輸出端分別連接一個(gè)電動(dòng)機(jī)(M)的輸入端，每個(gè)電動(dòng)機(jī)(M)的編碼信號(hào)輸出端分別連接CPLD電路(11)的一個(gè)編碼信號(hào)處理輸入端。
全文摘要
基于雙數(shù)字信號(hào)處理器的嵌入式多自由度肌電假手控制系統(tǒng)，它屬于生物機(jī)電一體化領(lǐng)域。它的目的是為了解決現(xiàn)有肌電假手的電子控制系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)速度不夠即延遲時(shí)間長(zhǎng)、體積龐大、硬件成本高，而制約欠驅(qū)動(dòng)原理假手推廣應(yīng)用這一系列問(wèn)題。它的主DSP電路的SPI通信端連接從DSP電路的SPI通信端，蜂鳴器電路、電源管理電路、溫度傳感器、EMG通道電路、振動(dòng)電機(jī)電路、電刺激電路、藍(lán)牙電路分別連接主DSP電路上，多個(gè)力矩傳感器分別連接在從DSP電路上，多個(gè)電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CPLD電路連接在從DSP電路上。本發(fā)明的實(shí)時(shí)速度快，延遲在50ms左右，使用者不會(huì)感覺(jué)到有延遲，它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、硬件成本低廉、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/00GK101183242SQ20071014461
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者宏 劉, 力 姜, 湯奇榮, 趙京東, 趙大威 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)