CN101183242A - 基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制*** - Google Patents

基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制*** Download PDF

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Abstract

基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制***，它属于生物机电一体化领域。它的目的是为了解决现有肌电假手的电子控制***存在实时速度不够即延迟时间长、体积庞大、硬件成本高，而制约欠驱动原理假手推广应用这一系列问题。它的主DSP电路的SPI通信端连接从DSP电路的SPI通信端，蜂鸣器电路、电源管理电路、温度传感器、EMG通道电路、振动电机电路、电刺激电路、蓝牙电路分别连接主DSP电路上，多个力矩传感器分别连接在从DSP电路上，多个电动机分别通过多个电机驱动电路、CPLD电路连接在从DSP电路上。本发明的实时速度快，延迟在50ms左右，使用者不会感觉到有延迟，它还具有结构简单、体积小巧、硬件成本低廉、功耗低的优点。

Description

基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制***
技术领域
本发明涉及多自由度肌电假手的硬件电路及其控制技术，属于生物机电一体化(Biomechatronics)的技术领域。
背景技术
假手的研究对于残疾人能够进行日常生活和更好的融入社会是非常重要的。理想的假手应该具有与人手一样的外形和大小，重量轻，具有抓取和灵巧操作的功能，从而在功能上代替人手。
但是，目前市场上比较成熟的商业假手几乎都是基于单自由度，近年来随着机器人技术的发展，具有多指多关节的多自由度假手成为比较活跃的研究方向。在多自由度假手研究领域比较引人注意的是基于欠驱动原理的假手。这种设计减轻了手指的重量，增加了抓握稳定性。
由于假手在机械本体上已趋于小型化、轻量化(体积接近成人正常手，重量约500g)，因此对应的电子控制***也必须集成化，让使用者自身能够承受假手整体重量。目前市场上现有的假手电子控制***要么没有集成，要么集成化程度不高，如国立台湾大学的肌电控制盒，整体置于假手本体之外，其体积庞大，使用不方便。同时，由于用户对假手智能化要求的提高，使得假手的功能模块越来越多，这无疑对其电子控制***的硬件结构提出了更高的要求。而多模式识别的多EMG(electromyography)信号通道对计算量也有增加，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，如果还用一个处理器的构架并靠提高其处理器的性能(使用更高级的芯片)，来实现大容量的计算和较高的实时性将是不现实的，因为这将增加软件算法的复杂程度和增加所开发产品的经济负担。但现有的肌电假手的电子控制***却恰恰存在上述的缺点，即实时速度不够，也就是说延迟时间长、体积庞大、硬件成本高，制约了欠驱动原理假手的推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有肌电假手的电子控制***存在实时速度不够即延迟时间长、体积庞大、硬件成本高，而制约欠驱动原理假手推广应用这一系列的问题。进而提出了一种基于双DSP的嵌入式多自由度肌电假手控制***。
本发明由主DSP电路1、蜂鸣器电路2、电源管理电路3、温度传感器4、EMG通道电路5、振动电机电路6、电刺激电路7、蓝牙电路8、从DSP电路9、多个力矩传感器10、CPLD电路11、多个电机驱动电路12、多个电动机M组成；
蜂鸣器电路2的控制输入端连接主DSP电路1的蜂鸣声音控制信号输出端，电源管理电路3的信号输出端连接主DSP电路1的电源状态信号输入端，温度传感器4的信号输出端连接主DSP电路1的温度信号输入端，EMG通道电路5的信号输出端连接主DSP电路1的EMG通道信号输入端，振动电机电路6的控制信号输入端连接主DSP电路1的振动控制信号输出端，电刺激电路7的控制信号输入端连接主DSP电路1的电刺激控制信号输出端，蓝牙电路8的数据输入、输出端连接主DSP电路1的蓝牙数据输出、输入端，主DSP电路1的SPI通信端连接从DSP电路9的SPI通信端，每个力矩传感器10的信号输出端分别连接从DSP电路9的一个力矩信号输入端，CPLD电路11的数据控制输出输入总线端连接从DSP电路9的数据控制输出输入总线端，CPLD电路11的每个控制输出端分别连接一个电机驱动电路12的控制输入端，每个电机驱动电路12的驱动输出端分别连接一个电动机M的输入端，每个电动机M的编码信号输出端分别连接CPLD11的一个编码信号处理输入端。
本发明的实时速度快，延迟在50ms左右，使用者不会感觉到有延迟，它还具有结构简单、体积小巧、硬件成本低廉的优点。
因本发明中的两个DSP处理器采用主从分布工作模式，在一个总的工作周期中，当某个功能模块的使用只涉及到其中一个DSP时另一个DSP则进入低功耗工作状态，甚至休眠挂起；在当前工作的DSP处理完对应功能模块的数据后也进入低功耗工作或休眠挂起状态。所以，两个主从DSP的配合使用，并不会增加太多的***总功耗，却实现了多功能。同时又避免了换用高级芯片所带来的经济问题。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由主DSP电路1、蜂鸣器电路2、电源管理电路3、温度传感器4、EMG通道电路5、振动电机电路6、电刺激电路7、蓝牙电路8、从DSP电路9、多个力矩传感器10、CPLD电路11、多个电机驱动电路12、多个电动机M组成；
蜂鸣器电路2的控制输入端连接主DSP电路1的蜂鸣声音控制信号输出端，电源管理电路3的信号输出端连接主DSP电路1的电源状态信号输入端，温度传感器4的信号输出端连接主DSP电路1的温度信号输入端，EMG通道电路5的信号输出端连接主DSP电路1的EMG通道信号输入端，振动电机电路6的控制信号输入端连接主DSP电路1的振动控制信号输出端，电刺激电路7的控制信号输入端连接主DSP电路1的电刺激控制信号输出端，蓝牙电路8的数据输入、输出端连接主DSP电路1的蓝牙数据输出、输入端，主DSP电路1的SPI通信端连接从DSP电路9的SPI通信端，每个力矩传感器10的信号输出端分别连接从DSP电路9的一个力矩信号输入端，CPLD电路11的数据控制输出输入总线端连接从DSP电路9的数据控制输出输入总线端，CPLD电路11的每个控制输出端分别连接一个电机驱动电路12的控制输入端，每个电机驱动电路12的驱动输出端分别连接一个电动机M的输入端，每个电动机M的编码信号输出端分别连接CPLD11的一个编码信号处理输入端。
主DSP电路1的DSP芯片选用的型号为TMS320F2812，蜂鸣器电路2选用的型号为FT-35G-3.3的蜂鸣器，电源管理电路3的芯片选用的型号为BQ2050H，温度传感器4选用的型号为LM50，EMG通道电路5选用的型号为QPA4345，振动电机电路6选用常用手机振动片，电刺激电路7的芯片选用的型号为NE555，蓝牙电路8选用的型号为BTM0102C2P系列的蓝牙模块，其主芯片是CSR公司的芯片，从DSP电路9选用的型号为TMS320F2810，CPLD电路11选用的型号为EPM7064AETC44-10，多个电机驱动电路12的芯片选用的型号都为MPC17531，多个电动机M选用的型号都为Portescap公司生产的有刷直流电机。
工作原理：本发明中的两个DSP处理器采用主从分布工作模式，在一个总的工作周期中，当某个功能模块的使用只涉及到其中一个DSP时另一个DSP则进入低功耗工作状态，甚至休眠挂起；在当前工作的DSP在处理完某一模块的数据后也进入低功耗工作或休眠挂起。例如，当在一个工作周期中，手臂主DSP在处理分析EMG电极采集回来的数据时，从DSP关于电机驱动及编码器部分此时并不工作；反过来，当主DSP把EMG关于动作的数据识别、分类并发出动作指令后停止工作，而此时从DSP产生一个中断，进入对应工作状态，即根据上级DSP发送过来的指令产生相应的电机方向及转速信号给CPLD及电机驱动电路，进而驱动电机并带动手指动作。
电源管理电路3用于实时监视两节可充电锂离子聚合物电池的剩余电量，在电池充电时反映充电的状态。EMG通道电路5是对EMG信号(肌电信号)进行检测，它要针对表面电极所提取的生物电信号进行处理，并通知主DSP电路1给出正确的动作命令。蜂鸣器电路2实现的功能有两个：一是在电池电量不足时发出蜂鸣声进行报警；二是在***出现严重故障时，由主DSP电路1及控制程序发出命令，使之报警。蓝牙电路8主要为实现语音方式进行假手动作控制处理，即利用蓝牙技术实现残疾人和假手的语音通讯，是生物电信号控制平台的一个备用控制手段。温度传感器4是用于检测***的温度，可以设置***正常工作的温度范围。振动电机电路6是通过振动来反映假手出力的大小。电刺激电路7是通过电刺激来反映假手出力的大小(力的大小。利用力传感器返回DSP的信号，在DSP中识别判断完之后，给出对应力大小的电刺激脉冲感觉反馈给假手佩戴者的皮肤，并经神经***传递至大脑。它与振动电机感觉反馈的区别是：电刺激反馈可以更精确的使假手佩戴者知道力的大小，可以与振动电机感觉反馈作为不同精度等级感觉反馈配合使用)。
在图1中A部分的电路都设置在手掌内，B部分的电路都设置在手臂内。

Claims (1)

1.基于双DSP的嵌入式多自由度肌电假手控制***，它由主DSP电路(1)、蜂鸣器电路(2)、电源管理电路(3)、温度传感器(4)、EMG通道电路(5)、振动电机电路(6)、电刺激电路(7)、蓝牙电路(8)、从DSP电路(9)、多个力矩传感器(10)、CPLD电路(11)、多个电机驱动电路(12)、多个电动机(M)组成；
其特征在于蜂鸣器电路(2)的控制输入端连接主DSP电路(1)的蜂鸣声音控制信号输出端，电源管理电路(3)的信号输出端连接主DSP电路(1)的电源状态信号输入端，温度传感器(4)的信号输出端连接主DSP电路(1)的温度信号输入端，EMG通道电路(5)的信号输出端连接主DSP电路(1)的EMG通道信号输入端，振动电机电路(6)的控制信号输入端连接主DSP电路(1)的振动控制信号输出端，电刺激电路(7)的控制信号输入端连接主DSP电路(1)的电刺激控制信号输出端，蓝牙电路(8)的数据输入、输出端连接主DSP电路(1)的蓝牙数据输出、输入端，主DSP电路(1)的SPI通信端连接从DSP电路(9)的SPI通信端，每个力矩传感器(10)的信号输出端分别连接从DSP电路(9)的一个力矩信号输入端，CPLD电路(11)的数据控制输出输入总线端连接从DSP电路(9)的数据控制输出输入总线端，CPLD电路(11)的每个控制输出端分别连接一个电机驱动电路(12)的控制输入端，每个电机驱动电路(12)的驱动输出端分别连接一个电动机(M)的输入端，每个电动机(M)的编码信号输出端分别连接CPLD电路(11)的一个编码信号处理输入端。
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