FPGA與DSP的仿人假手控制系統設計

仿人假手作為肢殘患者重獲人手功能的主要對象，具有重大的社會(huì )需求。理想的假手應具有人手的仿生特征，主要體現在假手構造、控制方式與環(huán)境感知3 個(gè)方面，但由于其有限的體積和復雜的傳感器系統，對控制系統提出了更高的要求。

現有的控制系統有外置式和內置式兩種。外置式控制系統多用于研究型假手，如Cyber Hand，Tokyo Hand，Vanderbilt Hand等，這種控制系統主要用于算法、方案的驗證，在殘疾人應用上推廣意義較小。內置式控制系統在研究型假手和商業(yè)型假手上均有應用，其中研究型假手控制系統，在環(huán)境感知和雙向信息交互上投入大量研究，如Smart Hand，DARPA hand; 而商業(yè)型假手控制系統雖然也有部分集成有外部傳感器，但傳感器系統簡(jiǎn)單，雙向信息交互上也有較大欠缺，如i-Limb，BeBionic Hand。

HIT IV 代假手控制系統采用DSP作為主控芯片，集成有位置傳感器和力矩傳感器，可對肌電信號采樣。但控制系統為一個(gè)整體，且體積較大，只適用于HIT IV 代假手。DSP 芯片在功能拓展上弱于FPGA，不利于二次開(kāi)發(fā)。

本文采用模塊化設計方案，以FPGA 作為核心芯片，運動(dòng)控制、肌電信號采集、電刺激等模塊獨立設計，通過(guò)通用接口連接。在此基礎上，進(jìn)行多模式的多指抓取實(shí)驗。

1 仿人假手系統介紹

本文所設計的控制系統以HIT V 代手為控制對象。該手略小于成年人人手，具有5 根手指，每根手指2 個(gè)指節，大拇指還另有一個(gè)內旋/外展關(guān)節，共有11 個(gè)活動(dòng)關(guān)節，整個(gè)手由6 個(gè)直流電機驅動(dòng)，每根手指安裝有力矩傳感器、位置傳感器、指尖六維力傳感器。

控制系統采用模塊化設計思想，將整個(gè)系統分割成幾個(gè)模塊，通過(guò)通用接口建立相互連接，使整個(gè)控制系統可以放置在仿人假手內部，實(shí)現機電一體化。

2 基于FPGA 的控制系統設計

仿人假手電氣控制系統用于實(shí)現假手各手指的驅動(dòng)控制、多種傳感器信息的采集以及與上位機( PC 或PCI 控制卡) 之間的通信。該控制系統由10 個(gè)模塊組成，分別為: 由FPGA 組成的主控芯片模塊、USB 接口模塊、拇指控制電路模塊、食指控制電路模塊、中指控制電路模塊、無(wú)名指控制電路模塊、小指控制電路模塊、肌電信號采集模塊、電池管理系統模塊、電刺激反饋模塊。模塊化設計方法增加了控制系統的靈活性與獨立性，便于對模塊單獨進(jìn)行調試與修改。電氣系統總體功能框圖如圖1。

圖1 電氣系統功能框圖

2.1 FPGA 主控芯片模塊設計

FPGA 主控芯片模塊采用Altera 公司Cyclone Ⅲ系FPGA芯片EP3C25F25617 作為控制核心，負責肌電信號和多種傳感器信號的處理、與手指電路的通信、USB 通信、CAN通信接口等功能。同時(shí)，主控芯片模塊還負責大拇指內旋/外展自由度驅動(dòng)電機的控制。各個(gè)功能通過(guò)VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，FPGA 中嵌入雙NIOS 核構成雙核處理器，其中一個(gè)NIOS 核用于肌電信號處理，另一個(gè)NIOS 核用于通信; 雙核通過(guò)2M 的EEPROM 進(jìn)行通信。FPGA 功能框圖如圖2。

圖2 FPGA 功能框圖

RS—485 通信通過(guò)在NIOS 核內自定義元件AutoSCI 控制RS—485 收發(fā)接口芯片MAX3362 實(shí)現。MAX3362 收發(fā)芯片可通過(guò)3.3 V 低壓實(shí)現高速數據傳送。CAN 與LVDS通信采用復用電路設計( 圖3) ，通過(guò)更換接收發(fā)送接口芯片完成功能轉換。CAN 通信采用TI 公司的CAN 收發(fā)器SN65HVD230QD 作為接口芯片。LVDS 通信采用TI 公司的半雙工LVDS 收發(fā)接口芯片SN65LVDM176，構成PPSeCo高速串行通信系統與PCI 控制卡通信，通信速率可達25 Mbps，保證控制信息與傳感器信息傳送的及時(shí)性。

圖3 CAN 通信/LVDS 通信復用電路

拇指內旋/外展自由度驅動(dòng)電機由NIOS 核中自定義元件PWM 控制。元件功能通過(guò)VHDL 語(yǔ)言編寫(xiě)，PWM 波周期和占空比均可調。電機驅動(dòng)芯片采用MPC17531A，其內部集成雙H 橋，可直接控制直流有刷電機。

2.2 手指運動(dòng)控制模塊設計

五根手指的運動(dòng)控制模塊采用相同的設計方案，增強系統的互換性與通用性。該模塊由DSP 作為控制核心，直流有刷電機驅動(dòng)芯片MPC17531A 作為電機驅動(dòng)芯片，負責手指電機的驅動(dòng)，力矩傳感器、位置傳感器、電機電流傳感器信號的采集與處理，以及與觸覺(jué)傳感器系統的通信，最后各項數據通過(guò)RS—485 通信接口與主控芯片模塊通信?？刂颇K如圖4。

圖4 手指運動(dòng)控制模塊功能框圖

該模塊采用的DSP TMS320F28027 運行速率高，封裝小。內部集成的16 通道12 位A/D 轉換器可實(shí)現對力矩、位置、電機電流信號的采樣。串行異步通信接口通過(guò)RS—485 收發(fā)接口芯片實(shí)現與主控芯片模塊通信。EPWM 模塊可直接控制直流有刷電機驅動(dòng)芯片MPC17531A。

如圖5，關(guān)節力矩傳感器信號采集系統包括力矩傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D 轉換電路。力矩傳感器基于應變原理，采用儀表放大器INA337 組成半橋電路對力矩信號進(jìn)行放大后通過(guò)RC 濾波電路進(jìn)入A/D 轉換芯片。

圖5 力矩傳感器信號采集系統

如圖6，關(guān)節位置傳感器信號采集系統包括位置傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D 轉換電路。位置傳感器基于旋轉電位器原理，采用集成運放MAX9618 對電位器信號進(jìn)行放大后通過(guò)RC 濾波電路進(jìn)入A/D 轉換芯片。

圖6 位置傳感器信號采集系統

2.3 肌電信號采集模塊設計

肌電信號采集模塊用來(lái)采集肌電電極的信號以及對信號的濾波和D/A 轉換后存儲在CPU 中，包括RC 電路組成的濾波電路、D/A 轉換電路和電壓轉換電路。數字信號通過(guò)電壓轉換芯片轉換為3.3 V 電壓，通過(guò)SPI 接口輸入到CPU 中央處理器。

2.4 電池管理系統模塊設計

電池管理模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路、LED 顯示電路。電流傳感器實(shí)時(shí)監測電池輸出電流大小，通過(guò)LED 顯示電路和蜂鳴器電路顯示充電狀態(tài)和電池電量過(guò)低報警。

3 軟件實(shí)現

在FPGA 控制器程序設計中主要完成各系統參數的初始化與控制算法的實(shí)現，具體由如下幾部分構成:

1) 與上位機通信部分: 通過(guò)3 種方式與上位機通信，獲得控制指令，分別為USB 通信、LVDS 通信、CAN 通信，其中LVDS 通信與CAN 通信不能同時(shí)使用;

2) 肌電信號采集部分: 通過(guò)A/D 轉換芯片將肌電電極信號轉換為數字量，并經(jīng)過(guò)運算處理得到控制指令;

3) 與手指運動(dòng)控制模塊通信部分: 通過(guò)SCI 接口實(shí)現與手指運動(dòng)控制模塊的RS—485 通信;

4) 生成驅動(dòng)電機控制參數部分: 運算處理控制指令，生成電機運動(dòng)參數( 方向與占空比) 。

控制流程圖如圖7 所示。

圖7 FPGA 控制流程圖

DSP 控制程序主要完成DSP 各參數的初始化，控制流程圖如圖8。

圖8 DSP 控制流程圖

4 假手抓取實(shí)驗

基于上述設計，研制出HIT V 假手樣機，進(jìn)行抓取實(shí)驗( 圖9) ，可實(shí)現多種動(dòng)作模式的抓取，分別為: 兩指捏取、三指捏取、圓柱抓取、球形抓取、單指指向、胡克抓取、側邊捏取、五指端取?？刂七^(guò)程中，系統工作穩定，滿(mǎn)足仿人假手運動(dòng)控制和傳感器信息采集要求。

圖9 多指抓取實(shí)驗

5 結論

本文介紹了結合FPGA 與DSP 的仿人假手控制系統的設計組成與工作流程。該控制系統體積小巧，可完全安裝于假手內部。實(shí)驗證明: 該系統運行可靠、控制靈活，使用效果良好。