CN202605059U

CN202605059U - 一种基于pci1020运动控制卡的假肢关节控制器

Info

Publication number: CN202605059U
Application number: CN 201220167958
Authority: CN
Inventors: 邓周虎; 张军; 党丹珩; 刘诚
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2022-04-19

Abstract

本实用新型公开了一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，包括位于假肢中的步进电机，还包括一个PCI1020运动控制卡，该PCI1020运动控制卡连接有PC机，PCI1020运动控制卡通过驱动器及接口连接步进电机。越过复杂的神经生物信号的处理和连接，采用纯机械和电子信号检测将人在活动中大腿的动作识别分析，并通过电机控制系统给动力装置发出命令，操控假肢“小腿”的运动，高仿真地模拟出人走路、跑步、上下楼梯等基本动作的腿部正常的运动姿态，使实验者与正常人一样可以自由的走动，能够根据已建立的运动模型实时有效的控制假肢步态行为。实验证明，关节运动角度可在-70°～+15°范围内连续调节，角度分辨率达到0.04度。

Description

一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器

技术领域

本实用新型涉及电控系统，特别涉及一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器。

背景技术

人体肢体运动的动态检测和模拟具有极大的医学应用价值，假肢的设计与控制不仅仅能够造福于肢体残疾人，更是一个国家运动学、生命科学、自动控制等实力的集中体现。因而成为世界各国研究的重点。

传统的假肢设计最先进的技术是将神经元传导的生物电信号通过收集器转化为机械可以识别的电信号，再通过机械操控假肢的移动。由于神经元传导的生物电信号的复杂度高，导致现有此方面的研究仍处于探索阶段，还不能应用于人们的日常生活。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，包括位于假肢中的步进电机，其特征在于，还包括一个PCI1020运动控制卡，该PCI1020运动控制卡连接有PC机，PCI1020运动控制卡通过驱动器及接口连接步进电机。

本实用新型的基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，越过复杂的神经生物信号的处理和连接，采用纯机械和电子信号检测将人在活动中大腿的动作识别分析，并通过电机控制系统给动力装置发出命令，操控假肢“小腿”的运动，高仿真地模拟出人走路、跑步、上下楼梯等基本动作的腿部正常的运动姿态，使实验者与正常人一样可以自由的走动，能够根据已建立的运动模型实时有效的控制假肢步态行为。实验证明，关节运动角度可在-70°～+15°范围内连续调节，角度分辨率达到0.04度。

附图说明

图1是试验用假肢结构示意图；

图2是本实用新型的基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器硬件结构框图；

图3是基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器的硬件接线图；

图4是通过控制的假肢运动状态函数图，其中，(a)图是模拟大腿的运动函数，(b)图是控制小腿的运动函数，(c)图是大小腿运动函数关系。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

为满足下肢关节运动模型研究的需要，申请人以人体关节运动为研究对象，设计了分层式结构的基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器。包括位于假肢中的步进电机，还包括一个PCI1020运动控制卡，该PCI1020运动控制卡连接有PC机，PCI1020运动控制卡通过驱动器及接口连接步进电机(图2)。

通过测试验证了该假肢关节控制器的合理与有效性。同时结构简单、步态逼真、成本低廉，具有较好的市场应用前景。

以下是主要的制备过程。

1、整体构架：

本实施例应用自主设计的假肢(如图1)作为被控对象。该假肢由大腿1、小腿2和脚3组成，结构尺寸完全按照人体肢体比例等比缩小制作，即大腿1的长度0.212m，小腿2的长度0.254m，脚3的长度为0.143m，高度为0.039m，假肢中包含三个电机(图中的标号4)，分别位于大腿1的上方、大腿1和小腿2的连接处，小腿2和脚3的连接处。

PC机通过Lab VIEW编写的程序对PCI1020运动控制卡下达指令，并确定肢体的运动状态。PCI1020接受运动控制卡PC机的指令，并将指令转换为协调步态的电机控制信号，进而分解为驱动多关节转动的时钟脉冲，发送给各个步进电机驱动器。步进电机驱动器接受驱动时钟脉冲，完成对关节的控制，达到控制假肢运动的目的。

1.1.控制方式

人体假肢的控制系统需要进行大量的协调计算和联动处理，控制大小腿的角度、角速度、角加速度等多种参量，并进行联调运算，同时处理多个电机的驱动，还需要一定的扩展功能，因此选用PCI1020作为主控制器。PCI1020是基于PC总线的以MCX314As作为核心处理器和PCI9052作为通信芯片的开放式运动控制器，将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制芯片的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等优点，因此这种基于计算机标准总线的开放式运动控制器必将成为运动控制的主流器件。

MCX314As是单一芯片且可控制4轴的脉冲序列输入伺服马达、步进马达的运动控制芯片，可以进行各轴独立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4轴中任意的选择2轴或是3轴来进行圆弧、直线、位方式插补。

MCX314As运动控制芯片能与8/16位数据总线接口，通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧、位元3种模式的轨迹插补，输出脉冲频率达4MHz。每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立地设置为恒速、线性、非对称S曲线加/减控制、非对称梯形加/减速控制方式，并有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器，实现位置的闭环控制。另外，MCX314As较MCX314新增加了自动搜寻原位、输入信号滤波器、同步动作、输出脉冲32位、圆弧/直线插补脉冲范围32位、完全S曲线加减速的非对称、手动设定模式、位置计算器的可变环形、Z相输入的实位计数器的清除、实位计数器的增减反转等功能。

1.2.通信方式

PCI总线是局部总线，是来自处理器的延伸线路，与处理器同步操作。外部设备如果直接挂在局部总线上，就可与高速地CPU总线相匹配，从而打破了数据I/O地瓶颈，外设能以CPU的速度运行，使高性能CPU的功能得以充分发挥。由于局部总线有极高的数据传输率，因此在CPU与高速缓冲存储器(Cache)、CPU与高速图形卡等需要高速传输信息的场合得到了广泛的应用。从1993年PCI局部总线标准推出到现在，PCI总线以其优异的性能逐步取代了ISA、EISA等总线，成为了当今总线发展的主流。

PCI9052是PLX公司继PCI9050之后新推出的，可用于低成本适配器的总线目标接口芯片。PCI9052与PCI9050一样，可提供用于适配卡的小型高性能PCI总线目标(从属)接口，以使ISA适配器可以迅速、低成本地转换到PCI总线上。采用PCI9052可使适配卡上的I/O数据传送速度从ISA总线的8MHz提高到PCI的33MHz。

PCI9052能被编程去直接连接复用或非复用的8位、16位或32位局部总线。8位和16位模式也能容易地转换成ISA转PCI的设计。PCI9052包含读和写FIFO，用来将32位宽33MHz的PCI总线与有可能总线宽度要窄或慢的局部总线的速度进行匹配。最大5个局部地址空间和4个片选被支持。

2.硬件连接

基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器的硬件接线图如3所示，各硬件型号参数如表1，针对此次电机控制系统的设计，需要着重考虑电机的静转矩与电机的质量以及设计的大、小腿长度的匹配。鉴于膝关节电机需要带动踝关节的电机一起转动，由公式(M＝F*L)得膝关节的静力矩的计算，需要知道踝关节电机的质量和小腿的长度，同理大腿电机需要带动大腿、膝关节、踝关节的转动，因此，需要通过踝关节的质量、小腿长度、膝关节的质量、大腿长度来进行确定大腿电机的静转矩。由图1给出的大小腿长度和公式进行电机的匹配，经过精密计算并留下一定余量，保证驱动假肢的正常转动，而不产生过多功率损耗，选择电机型号和参数如表1。驱动器的选取，根据各个电机相电流的需求来确定选取相电流可调的驱动器，进而根据相电压、相电流确定功率，来选取电源。

表1：硬件选择参数

3.软件设计

肢体的控制涉及到大腿的主控，主要是应用LabVIEW编程实现控制运动控制卡驱动它的X轴，使用采集的正常人行走姿态的大腿运动信号，按照大小腿运动关系模型驱动假肢小腿进行运动，来模拟人体走路过程中的小腿运动。通过倾角传感器检测出大腿的运动姿态，作为残疾人大腿的运动监测数据，输入到电控系统的控制核心，通过已建立的大小腿运动模型库进行匹配，来选择驱动假肢的运动，进而实现小腿截肢的残疾人的正常行走。

3.1人体行走过程中姿态模拟控制

经过使用本实用新型的基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，采集上百名志愿者的运动姿态，通过年龄、身高、性别等多种因素分类研究，应用函数拟合、误差处理等知识来实现肢体运动姿态库的建立。同时分提取出大腿的运动姿态函数。应用PCI1020运动控制卡的X轴来实现模拟大腿的运动控制，通过时间分割插补函数实现精确的定位控制。同时分别启动PCI1020的Y轴、Z轴来控制膝关节、踝关节的电机转动，需完成小腿与脚掌的联动关系，应用MCX314As芯片的参数曲线自适应插补功能编程实现对两轴的插补功能。

3.2电机驱动控制原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

4.电机控制软件的验证

电机控制软件采用G语言的虚拟仪器开发平台-LabVIEW编写，主要采用了数据流的驱动方式，编译后运行速度接近于C语言，并能够驱动众多厂家的多种数据采集卡，具有强大的精确控制和信号处理功能，能够直观高效的表现编程算法。通过LabVIEW实现了驱动运动控制卡的X轴即主动大腿的运动控制，运动函数关系如式4-1，在LabVIEW程序实现的电机控制系统中，通过倾角传感器，将模拟大腿的信息采集，获得如图4中(a)所示函数图，并输入到运动姿态库中进行匹配，控制运动控制卡的Y轴、Z轴即小腿电机和踝关节电机的转动，运用参数曲线自适应插补来进行更精确的控制定位，完成联动控制。通过检测记录出控制小腿的运动函数关系以及模拟大腿与控制的小腿函数关系如图4中的(b)图和(c)图所示。

人体下肢检测出的大腿运动函数，小腿运动函数，大小腿运动函数分别为式4-2，4-3，4-4所示：

Y＝0.1819+0.1919cos(579.3T)+0.2226sin(579.3T)+0.08284cos(2*579.3T)+0.02762sin(2*579.3T)+0.03129cos(3*579.3T)-0.0297sin(3*579.3T)+0.004242cos(4*579.3T)-0.01342sin(4*579.3T)

(4-1)

Y＝-13.4-11.75cos(270.2T)-19.43sin(270.2T)+7.047cos(2*270.2T)-12.66sin(2*270.2T)+6.151cos(3*270.2T)-0.4925sin(3*270.2T)+0.8817cos(4*270.2T)+0.9528sin(4*270.2T)

(4-2)

Y＝630900-841500cos(0.08452θ)+7958sin(0.08452θ)+210600cos(2*0.08452θ)-3969sin(2*0.08452θ)，(+0.46～-0.16)

(4-3)

Y＝45090000-60120000cos(0.04204θ)-276400sin(0.04204θ)+15030000cos(2*0.04204θ)+138200sin(2*0.04204θ)(-0.16～0.50)

(4-4)

电机控制的假肢运动状态函数与检测出的人体下肢运动函数关系在误差范围内是吻合的，因此说明本电机控制软件设计的合理性，能够实时有效的控制假肢运动的步态行为，满足假肢运动设计的需求。

本实用新型的基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，是在国家大学生创新性实验计划项目的资助下完成的，实现了一种结构简单、步态逼真、成本低廉的假肢设计控制方法，为实现低成本假肢的平民化、市场化推广设计打下了一定的基础。

Claims

1.一种基于PCI1020运动控制卡的假肢关节控制器，包括位于假肢中的步进电机，其特征在于，还包括一个PCI1020运动控制卡，该PCI1020运动控制卡连接有PC机，PCI1020运动控制卡通过驱动器及接口连接步进电机。