CN103592932B - 具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统 - Google Patents

具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统 Download PDF

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具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，涉及一种多指肌电假手模块化嵌入式控制系统。它主要由FPGA组成的主控芯片模块、由CUSB3014组成的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、电刺激反馈模块组成。本发明的多自由度假手具有模块化手指，五个手指具有独立的驱动控制系统，可实现“自算自控”功能，提高响应处理速度，模块化手指模块与手掌控制模块通过RS-485总线进行通信，USB接口模块、肌电模块、电源模块均具有通用接口。本发明适用于多指肌电假手模块化嵌入式控制。

Description

具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统
技术领域
本发明涉及一种多指肌电假手模块化嵌入式控制系统。
背景技术
假手作为人手运动功能重建的主要对象，对于残疾人能够进行日常生活和更好的融入社会非常重要，具有重大的社会需求。理想的假手应该具有人手的仿生特征，体现在构造、控制、信息传递三个方面。同时，满足社会需求的商业假手还应具有成本低廉、易于开发生产和改进的优势。
但是，目前市场上比较成熟的商业假手几乎都面临成本高昂、改进性差、不易于后代产品开发的问题，无法满足广大残疾患者的需要。其原因在于假手控制系统采用传统的设计方法，需要定制生产，增加了制造成本。同时，由于采用传统式设计方法的控制系统无法在后代产品上继续使用，不利于早期产品的回收和循环使用。近年来，模块化设计这一新的设计理念和方法在各个领域得到广泛应用，尤其是信息时代不断推陈出新的电子产品。由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。
哈尔滨工业大学的姜力等人申请的专利“基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制系统”，公开号为CN191183242A，公开日为2008年05月21日；
该专利采用两个数字信号处理器实现了五指肌电假手的控制系统。该发明五个手指采用同一个控制系统，各个电气没有模块化，不利于产品改进与成本控制。同时，由于用户对假手的智能化要求越来越高，传感器信息越来越丰富，都对假手电子控制系统的硬件结构提出了更高的要求。因此，假手能否达到预定的使用性能，很大程度上决定于处理器能否在短时间内完成这些数据计算与判断决策。在这种情况下，如果还采用单一的控制系统，来实现大容量的计算和较高的实时性将是不现实的，然而现有假手控制系统恰恰存在处理系统单一、计算量大、处理速度慢、实时性差的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有的残疾人假手控制系统的体积大和实时性差的问题，从而提供一种具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统。
具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征是：它包括手指控制电路1、手掌控制电路2、肌电信号采集模块3、拇指内旋/外展电路6、USB接口电路7和PC机8；
所述手指控制电路1包括拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路；
拇指控制电路用于对假手的拇指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
食指控制电路用于对假手的食指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
中指控制电路用于对假手的中指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
无名指控制电路用于对假手的无名指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
小指控制电路用于对假手的小指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
手掌控制电路2用于通过RS-485总线与拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路进行通信，还用于通过USB接口电路7与PC机8进行数据交互；还用于接收肌电信号采集模块3采集的肌电信号；还用于给拇指内旋/外展电路6发出控制信号；
肌电信号采集模块3包括8路肌电信号采集单元31、ADC芯片32和电压转换芯片33；所述8路肌电信号采集单元31用于采集8路肌电信号；所述8路肌电信号采集单元31的8路模拟信号输出端与ADC芯片32的8路模拟信号输入端连接；所述ADC芯片32的5V电压信号输入或输出端与电压转换芯片33的5V电压信号输出或输入端连接；所述电压转换芯片33的3.3V电压输入或输出端与手掌控制电路2的SPI接口连接；
拇指内旋/外展电路6用于根据手掌控制电路发出的控制信号控制拇指进行内旋/外展。
手掌控制电路2采用FPGA实现。
它还包括电刺激反馈模块5，所述电刺激反馈模块5用于向人体发出电刺激反馈信号。
拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路的结构相同，拇指控制电路包括DSP21、力矩传感器22、指节温度传感器23、关节位置传感器24和电机电流传感器25；
DSP21中内嵌模/数转换模块29、电机驱动模块26、RS-485通信接口27和触觉传感器SPI通信接口28；
力矩传感器22用于采集拇指的力矩信号，所述拇指的力矩采集信号输出端与模/数转换模块29的第一模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器24用于采集拇指的关节位置信号，指节温度传感器23用于采集指节温度，所述指节温度传感器23的指节温度采集信号输出端与模/数转换模块29的第二模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器24的位置采集信号输出端与模/数转换模块29的第三模拟信号输入端连接；电机电流传感器25用于采集拇指的电机电流信号；所述电机电流传感器25的电机电流信号输出端与模/数转换模块29的第四模拟信号输入端连接；
电机驱动模块26用于驱动带动拇指运行的电机工作；
RS-485通信接口27用于作为拇指控制电路的RS-485通信接口；
触觉传感器SPI通信接口28用于作为拇指控制电路的SPI通信接口。
拇指控制电路还包括捕捉CAP模块30，所述捕捉CAP模块30用于接收电机的数字霍尔信号。
它还包括电池管理系统模块，所述电池管理系统模块用于给各部件进行供电，还用于发出电池缺电提示。
电池管理系统模块包括电池61、电池充电接口62、电流传感器63、A/D转换电路64、LED显示电路65和蜂鸣器电路67；
电池61的电源信号输出端与电流传感器63的电源信号输入端连接；所述电流传感器63的一号电源信号输出端与A/D转换电路64的模拟电源信号输入端连接；所述A/D转换电路64的数字电源信号输出端与FPGA的电源信号输入端连接；
FPGA的蜂鸣器信号输出端与蜂鸣器电路67的蜂鸣器信号输入端连接；所述LED显示电路65的LED显示信号输入端与FPGA的LED显示信号输出端连接；
电流传感器63的二号电源信号输入端与负载的电源信号输出端连接；所述电流传感器63同时提供工作电源给负载和电池充电接口。
USB接口电路7通过GPIF构成同步SlaveFIFO接口与手掌控制电路2进行数据交互。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统可以控制假手五个手指独立运动，控制系统采用分布式结构。
二、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统可以同时采集五个手指的位置传感器和力矩传感器信息，并具有大量传感器接口。
三、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的手指控制模块可实现“自算自控”，可以独立于手掌控制系统进行单手指控制。
四、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统可以实时采集8路肌电信号，并对其进行处理控制假手运动，实时性同比提高10％以上。
五、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统采用USB通信接口与PC进行通信，可以实时高速的将传感器信息和肌电信息传输给PC机进行显示、分析处理，并且可以通过界面进行手动控制假手运动。
六、本发明的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的各模块具有通用标准接口，便于开发改进和定制生产，且体积得以大幅度降低，同比降低30％。
附图说明
图1是系统硬件框图；
图2是主控芯片FPGA与USB接口芯片通信接线图；
图3是手指控制电路系统框图；
图4是肌电信号采集系统框图；
图5是电源管理系统框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至5说明本具体实施方式，具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征是：它包括手指控制电路1、手掌控制电路2、肌电信号采集模块3、拇指内旋/外展电路6、USB接口电路7和PC机8；
所述手指控制电路1包括拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路；
拇指控制电路用于对假手的拇指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
食指控制电路用于对假手的食指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
中指控制电路用于对假手的中指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
无名指控制电路用于对假手的无名指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
小指控制电路用于对假手的小指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路2通过RS-485总线进行通信；
手掌控制电路2用于通过RS-485总线与拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路进行通信，还用于通过USB接口电路7与PC机8进行数据交互；还用于接收肌电信号采集模块3采集的肌电信号；还用于给拇指内旋/外展电路6发出控制信号；
肌电信号采集模块3包括8路肌电信号采集单元31、ADC芯片32和电压转换芯片33；所述8路肌电信号采集单元31用于采集8路肌电信号；所述8路肌电信号采集单元31的8路模拟信号输出端与ADC芯片32的8路模拟信号输入端连接；所述ADC芯片32的5V电压信号输入或输出端与电压转换芯片33的5V电压信号输出或输入端连接；所述电压转换芯片33的3.3V电压输入或输出端与手掌控制电路2的SPI接口连接；
拇指内旋/外展电路6用于根据手掌控制电路发出的控制信号控制拇指进行内旋/外展。
USB接口电路7由型号为CUSB3014的芯片实现。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，手掌控制电路2采用FPGA实现。
FPGA芯片通过3.3伏电压的SPI接口与电压转换芯片33连接，电压转换芯片33另一端通过5伏电压的SPI接口与ADC芯片32连接；8路肌电信号31与ADC芯片32连接。
FPGA将SPI信号通过电压转换芯片33由3.3伏转换为5伏对ADC芯片32进行控制，采集8路肌电信号，再通过电压转换芯片33将5伏的SPI信号转换为3.3伏的SPI信号将采集到的8路肌电数字信号传输给FPGA。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，它还包括电刺激反馈模块5，所述电刺激反馈模块5用于向人体发出电刺激反馈信号。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路的结构相同，拇指控制电路包括DSP21、力矩传感器22、指节温度传感器23、关节位置传感器24和电机电流传感器25；
DSP21中内嵌模/数转换模块29、电机驱动模块26、RS-485通信接口27和触觉传感器SPI通信接口28；
力矩传感器22用于采集拇指的力矩信号，所述拇指的力矩采集信号输出端与模/数转换模块29的第一模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器24用于采集拇指的关节位置信号，指节温度传感器23用于采集指节温度，所述指节温度传感器23的指节温度采集信号输出端与模/数转换模块29的第二模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器24的位置采集信号输出端与模/数转换模块29的第三模拟信号输入端连接；电机电流传感器25用于采集拇指的电机电流信号；所述电机电流传感器25的电机电流信号输出端与模/数转换模块29的第四模拟信号输入端连接；
电机驱动模块26用于驱动带动拇指运行的电机工作；
RS-485通信接口27用于作为拇指控制电路的RS-485通信接口；
触觉传感器SPI通信接口28用于作为拇指控制电路的SPI通信接口。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，拇指控制电路还包括捕捉CAP模块30，所述CAP模块30用于接收电机的数字霍尔信号。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式二所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，它还包括电池管理系统模块，所述电池管理系统模块用于给各部件进行供电，还用于发出电池缺电提示。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，电池管理系统模块包括电池61、电池充电接口62、电流传感器63、A/D转换电路64、LED显示电路65和蜂鸣器电路67；
电池61的电源信号输出端与电流传感器63的电源信号输入端连接；所述电流传感器63的一号电源信号输出端与A/D转换电路64的模拟电源信号输入端连接；所述A/D转换电路64的数字电源信号输出端与FPGA的电源信号输入端连接；
FPGA的蜂鸣器信号输出端与蜂鸣器电路67的蜂鸣器信号输入端连接；所述LED显示电路65的LED显示信号输入端与FPGA的LED显示信号输出端连接；
电流传感器63的二号电源信号输入端与负载的电源信号输出端连接；所述电流传感器63同时提供工作电源给负载和电池充电接口。
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。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式四所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，DSP21的型号为TMS320F28027。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统的区别在于，USB接口模块7通过GPIF构成同步SlaveFIFO接口与手掌控制电路2进行数据交互。USB接口模块2通过USB接口连接USB3.0Mini-B接口。

Claims (9)

1.具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征是：它包括手指控制电路(1)、手掌控制电路(2)、肌电信号采集模块(3)、拇指内旋/外展电路(6)、USB接口电路(7)和PC机(8)；
所述手指控制电路(1)包括拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路；
拇指控制电路用于对假手的拇指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路(2)通过RS-485总线进行通信；
食指控制电路用于对假手的食指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路(2)通过RS-485总线进行通信；
中指控制电路用于对假手的中指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路(2)通过RS-485总线进行通信；
无名指控制电路用于对假手的无名指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路(2)通过RS-485总线进行通信；
小指控制电路用于对假手的小指的动作进行控制，还用于与手掌控制电路(2)通过RS-485总线进行通信；
手掌控制电路(2)用于通过RS-485总线与拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路进行通信，还用于通过USB接口电路(7)与PC机(8)进行数据交互，还用于接收肌电信号采集模块(3)采集的肌电信号，还用于给拇指内旋/外展电路(6)发出控制信号；
肌电信号采集模块(3)包括8路肌电信号采集单元(31)、ADC芯片(32)和电压转换芯片(33)；所述8路肌电信号采集单元(31)用于采集8路肌电信号；所述8路肌电信号采集单元(31)的8路模拟信号输出端与ADC芯片(32)的8路模拟信号输入端连接；所述ADC芯片(32)的5V电压信号输入或输出端与电压转换芯片(33)的5V电压信号输出或输入端连接；所述电压转换芯片(33)的3.3V电压输入或输出端与手掌控制电路(2)的SPI接口连接；
拇指内旋/外展电路(6)用于根据手掌控制电路发出的控制信号控制拇指进行内旋/外展。
2.根据权利要求1所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于手掌控制电路(2)采用FPGA实现。
3.根据权利要求1所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于它还包括电刺激反馈模块(5)，所述电刺激反馈模块(5)用于向人体发出电刺激反馈信号。
4.根据权利要求1所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于拇指控制电路、食指控制电路、中指控制电路、无名指控制电路和小指控制电路的结构相同，拇指控制电路包括DSP(21)、力矩传感器(22)、指节温度传感器(23)、关节位置传感器(24)和电机电流传感器(25)；
DSP(21)中内嵌模/数转换模块(29)、电机驱动模块(26)、RS-485通信接口(27)和触觉传感器SPI通信接口(28)；
力矩传感器(22)用于采集拇指的力矩信号，所述拇指的力矩采集信号输出端与模/数转换模块(29)的第一模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器(24)用于采集拇指的关节位置信号，指节温度传感器(23)用于采集指节温度，所述指节温度传感器(23)的指节温度采集信号输出端与模/数转换模块(29)的第二模拟信号输入端连接；所述关节位置传感器(24)的位置采集信号输出端与模/数转换模块(29)的第三模拟信号输入端连接；电机电流传感器(25)用于采集拇指的电机电流信号；所述电机电流传感器(25)的电机电流信号输出端与模/数转换模块(29)的第四模拟信号输入端连接；
电机驱动模块(26)用于驱动带动拇指运行的电机工作；
RS-485通信接口(27)用于作为拇指控制电路的RS-485通信接口；
触觉传感器SPI通信接口(28)用于作为拇指控制电路的SPI通信接口。
5.根据权利要求4所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于拇指控制电路还包括捕捉CAP模块(30)，所述捕捉CAP模块(30)用于接收电机的数字霍尔信号。
6.根据权利要求2所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于它还包括电池管理系统模块，所述电池管理系统模块用于给各部件进行供电，还用于发出电池缺电提示。
7.根据权利要求6所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于电池管理系统模块包括电池(61)、电池充电接口(62)、电流传感器(63)、A/D转换电路(64)、LED显示电路(65)和蜂鸣器电路(67)；
电池(61)的电源信号输出端与电流传感器(63)的电源信号输入端连接；所述电流传感器(63)的一号电源信号输出端与A/D转换电路(64)的模拟电源信号输入端连接；所述A/D转换电路(64)的数字电源信号输出端与FPGA的电源信号输入端连接；
FPGA的蜂鸣器信号输出端与蜂鸣器电路(67)的蜂鸣器信号输入端连接；所述LED显示电路(65)的LED显示信号输入端与FPGA的LED显示信号输出端连接；
电流传感器(63)的二号电源信号输入端与负载的电源信号输出端连接；所述电流传感器(63)同时提供工作电源给负载和电池充电接口。
8.根据权利要求4所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于DSP(21)的型号为TMS320F28027。
9.根据权利要求8所述的具有多种感知功能的多指肌电假手模块化嵌入式控制系统，其特征在于：USB接口电路(7)通过GPIF构成同步SlaveFIFO接口与手掌控制电路(2)进行数据交互。
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