CN106344341A - 一种手部康复机器人嵌入式系统 - Google Patents
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Abstract
一种手部康复机器人嵌入式系统，属于医疗康复领域、嵌入式控制领域，本发明为解决现有康复机械手体积大、控制反应速度慢、可靠性差的问题。本发明包括传感器系统、底层控制系统和顶层控制系统；传感器系统采集康复机械手的位置及手指力矩信息，该信息通过底层控制系统发送给顶层控制系统，顶层控制系统将指令通过底层控制系统下达给康复机械手。顶层系统的作用为与用户进行交互，以及通过采集底层系统发送的信息做出判断。FPGA作为底层控制器，主要负责产生控制电机的PWM信号，采集传感器信息并把信息通过LVDS方式上传给嵌入式控制器。顶层系统为基于DSP/ARM的异构双处理器。本发明为患者提供康复训练。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复领域、嵌入式控制领域。
背景技术
康复机械手是一种帮助手外伤患者康复的医疗机器人，依据是现代循证医学和连续被动理论，对手外伤患者进行连续被动运动训练有利于手指功能康复，这项研究已经成为生物医学工程及机器人学科的一个热点方向。
但现有康复机械手体积大、控制反应速度慢、可靠性差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有康复机械手体积大、控制反应速度慢、可靠性差的问题，提供了一种手部康复机器人嵌入式系统。
本发明所述手部康复机器人嵌入式系统，包括传感器系统、底层控制系统和顶层控制系统；传感器系统采集康复机械手的位置及手指力矩信息，该信息通过底层控制系统发送给顶层控制系统，顶层控制系统将指令通过底层控制系统下达给康复机械手。
优选地，底层控制系统包括FPGA底层控制芯片及5套手指运动控制模块，康复机械手的每个手指均由一套手指运动控制模块对应控制；手指运动控制模块包括直流电机、电机驱动器和磁编码器；
FPGA底层控制芯片接收顶层控制系统下达的动作指令，FPGA底层控制芯片将该动作指令发送给对应的一个或多个手指运动控制模块，手指运动控制模块中的电机驱动器接收动作指令，电机驱动器根据该动作指令驱动直流电机运转，进而实现直流电机带动康复机械手手指关节完成屈伸动作；磁编码器监测该直流电机的角度信息，并将该角度信号反馈给FPGA底层控制芯片。
优选地，其特征在于，传感器系统包括5套手指传感模块，康复机械手的每个手指均配置一套手指传感模块，手指传感模块包括力矩传感器、位置传感器、力矩信号放大电路和位置信号放大电路；
力矩传感器设置在手指指腹上，位置传感器设置在手指关节上；
力矩传感器的信号输出端与力矩信号放大电路的输入端相连，力矩信号放大电路的输出端与底层控制系统的FPGA底层控制芯片的力矩信号输入端相连；
位置传感器的信号输出端与位置信号放大电路的输入端相连，位置信号放大电路的输出端与底层控制系统的FPGA底层控制芯片的关节位置信号输入端相连。
优选地，力矩传感器的弹性体作为用户手指骨上的支架，该支架与用户手指的趾骨固定在一起。
优选地，力矩传感器的弹性体由硬铝合金LY12制成。
优选地，位置传感器采用基于霍尔传感器的非接触测量，所述霍尔传感器采用2SA-10芯片作为霍尔元件。将薄片磁钢与霍尔元件平行放置，并与直流电机转动轴线保持垂直。
优选地，顶层控制系统包括DSP嵌入式模块和ARM嵌入式模块，DSP嵌入式模块作为主处理内核，ARM嵌入式模块作为多任务处理通讯核，二者构成的异构双处理器共同完成顶层控制。
优选地，还包括人机交互系统，顶层控制系统与人机交互系统的通讯由ARM嵌入式模块完成。
本发明的优点：本发明基于嵌入式系统的控制系统与人机交互平台具有重量轻、体积小、可靠性高、控制简单和操作灵活方便的特点，用户可以按照康复需求随时进行康复。系统由多种嵌入式芯片构成，可分为顶层系统和底层系统。顶层系统的作用为与用户进行交互，以及通过采集底层系统发送的信息做出判断。FPGA作为底层控制器，主要负责产生控制电机的PWM信号，采集传感器信息并把信息通过LVDS方式上传给嵌入式控制器。顶层系统为基于DSP/ARM的异构双处理器。由于DSP具有的高性能计算处理能力，控制算法使用DSP进行处理可以使系统更高效运行，而不会由于计算时间的延迟造成卡顿现象。ARM可以挂载多种外围设备，搭建了系统主体平台，并向用户提供了友好的交互界面。这种顶层，底层控制相结合的方式将系统的任务有效地分配给各种嵌入式芯片，将使更有效地实行康复机械手的控制。
附图说明
图1是本发明所述手部康复机器人嵌入式系统的总原理框图；
图2是本发明所述手部康复机器人嵌入式系统的具体原理框图。
具体实施方式
下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种手部康复机器人嵌入式系统，包括传感器系统1、底层控制系统2和顶层控制系统3；传感器系统1采集康复机械手4的位置及手指力矩信息，该信息通过底层控制系统2发送给顶层控制系统3，顶层控制系统3将指令通过底层控制系统2下达给康复机械手4。
还可以进一步包括人机交互系统，人机交互系统包括基于MiniGUI的用户图形界面。
传感器系统1采用力矩传感器101的弹性体和机械本体融合在一起的方法来提取手指力矩信号,该方法减小了传感器的安装空间。所述手指力矩信号的传感器的弹性体为用户手指骨上的支架。支架与用户的手指趾骨加以固定。当支架发生微小形变时可以测量各手指骨上的作用力。弹性体由硬铝合金LY12制成。
传感器系统1中利用放大电路实现传感器的信号的处理。电路板的尺寸是根据手指的结构和运动范围设计的，安装在康复机械手的手指部分，一端与传感器相连，另一端与基于FPGA底层控制芯片201相连。传感器PCB的基关节位置、力矩传感器信号处理电路全部集成在相应的传感器PCB上，可以处理所有传感器信号，传感器信号经过调理后经SPI接口方式的A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，数字信号以SPI接口方式送入FPGA底层控制芯片201，完成传感器信号与FPGA底层控制芯片201的通讯。
传感器系统1的位置传感器102用于测量手指位置，位置传感器102采用基于霍尔传感器的非接触测量，所述霍尔传感器中采用2SA-10芯片作为霍尔元件。将薄片磁钢与霍尔元件平行放置，并与该手指上对应的直流电机202转动轴线保持垂直。
底层控制系统2中FPGA底层控制芯片201同时完成传感器101、102和磁编码器203数据的采集和传输。数据上传时，FPGA底层控制芯片201将采集到的数据打包后通过LVDS发送给顶层控制系统3，同样来自顶层控制系统3的运动指令下行发送给底层控制系统2，由它解包分配控制命令。FPGA底层控制芯片201完成对康复机械手的电机控制。顶层控制系统3负责级别比较高的控制，使用了适合密集型计算和多任务处理的异构双处理器构成系统，使其分别承担两类任务，并通过一种处理器独有的HPI总线通讯方式完成两处理器之间的数据传输。
5套手指运动控制模块的核心部分是五个直流电机202，经减速系统驱动康复机械手的手指部分。电机驱动器203接收来自FPGA底层控制芯片201的控制信号，首先对信号进行光耦隔离，然后进入电机驱动器203，产生可控电机信号实现对电机的伺服控制。通过控制电机的转速和方向来实现康复手指的各种模式的运动。
FPGA底层控制芯片201通过接收顶层控制系统3产生的运动指令，由FPGA底层控制芯片201转化成电机控制所需的控制信号，如PWM、方向、制动、极限位置限位等信号。FPGA底层控制芯片201同时完成电机的磁编码器204的编码角度信号和来自手指处的力矩、位置传感器的信息的处理，并且上传给顶层控制系统3，从而实现康复机械手的位置和速度闭环控制。
顶层控制系统3以DSP和ARM为核心嵌入式芯片组成。DSP作为主处理内核，以其为核心的控制模块主要实现控制闭环运算、实时多任务控制的功能,外围扩展了FPGA辅助处理器、FLASH和SDRAM存储器,CPLD信号时序调整等模块，由于DSP的高速计算性能故作为DSP/ARM异构双处理器的计算核心。ARM作为多任务处理通讯核，以其为核心的控制模块主要实现人机交互通讯功能，外围扩展了液晶屏、触摸屏、USB、串口、以太网等通讯模块，是DSP/ARM异构双处理器的主体平台
人机交互平台的软件分为以下几个模块：康复训练模块、信息处理模块、娱乐模块和帮助模块，主界面负责全局上对各个模块的调度和响应，使各个模块有机地结合在一起，构成一个完整的控制软件。康复训练模块是实现基于FPGA运动控制系统与DSP/ARM异构双处理器的手部康复机器人嵌入式系统对用户进行康复的交互模块，通过该模块可以完成康复运动参数设置，实现康复机械手的康复控制，为患者提供康复训练。信息处理模块主要完成康复过程中的数据采集和处理。处理方式有信息转存和打印。信息转存实现数据保存至flash,并从flash转存到优盘的功能，可以为临床提供手功能康复的评估数据；信息打印就是直接把数据信息打印出来。此外还提供了帮助文档，以方便用户的操作，并附带了一些游戏。
Claims (8)
1.一种手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，包括传感器系统(1)、底层控制系统(2)和顶层控制系统(3)；传感器系统(1)采集康复机械手(4)的位置及手指力矩信息，该信息通过底层控制系统(2)发送给顶层控制系统(3)，顶层控制系统(3)将指令通过底层控制系统(2)下达给康复机械手(4)。
2.根据权利要求1所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，底层控制系统(2)包括FPGA底层控制芯片(201)及5套手指运动控制模块，康复机械手(4)的每个手指均由一套手指运动控制模块对应控制；手指运动控制模块包括直流电机(202)、电机驱动器(203)和磁编码器(204)；
FPGA底层控制芯片(201)接收顶层控制系统(3)下达的动作指令，FPGA底层控制芯片(201)将该动作指令发送给对应的一个或多个手指运动控制模块，手指运动控制模块中的电机驱动器(203)接收动作指令，电机驱动器(203)根据该动作指令驱动直流电机(202)运转，进而实现直流电机(202)带动康复机械手(4)手指关节完成屈伸动作；磁编码器(204)监测该直流电机(202)的角度信息，并将该角度信号反馈给FPGA底层控制芯片(201)。
3.根据权利要求2所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，传感器系统(1)包括5套手指传感模块，康复机械手(4)的每个手指均配置一套手指传感模块，手指传感模块包括力矩传感器(101)、位置传感器(102)、力矩信号放大电路(103)和位置信号放大电路(104)；
力矩传感器(101)设置在手指指腹上，位置传感器(102)设置在手指关节上；
力矩传感器(101)的信号输出端与力矩信号放大电路(103)的输入端相连，力矩信号放大电路(103)的输出端与底层控制系统(2)的FPGA底层控制芯片(201)的力矩信号输入端相连；
位置传感器(102)的信号输出端与位置信号放大电路(104)的输入端相连，位置信号放大电路(104)的输出端与底层控制系统(2)的FPGA底层控制芯片(201)的关节位置信号输入端相连。
4.根据权利要求3所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，力矩传感器(101)的弹性体作为用户手指骨上的支架，该支架与用户手指的趾骨固定在一起。
5.根据权利要求4所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，力矩传感器(101)的弹性体由硬铝合金LY12制成。
6.根据权利要求3所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，位置传感器(102)采用基于霍尔传感器的非接触测量，所述霍尔传感器采用2SA-10芯片作为霍尔元件。将薄片磁钢与霍尔元件平行放置，并与直流电机(202)转动轴线保持垂直。
7.根据权利要求1所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，顶层控制系统(3)包括DSP嵌入式模块(301)和ARM嵌入式模块(302)，DSP嵌入式模块(301)作为主处理内核，ARM嵌入式模块(302)作为多任务处理通讯核，二者构成的异构双处理器共同完成顶层控制。
8.根据权利要求7所述手部康复机器人嵌入式系统，其特征在于，还包括人机交互系统，顶层控制系统(3)与人机交互系统的通讯由ARM嵌入式模块(302)完成。
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