CN106863309A - 一种基于dsp和fpga的欠驱动灵巧手控制*** - Google Patents

Abstract

一种基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，采用了主从控制和自主控制相结合的复合式递阶控制体系结构，整个***由3个分层构成，依次是上位机终端决策层、多指协调运动层和底层控制层。该***充分利用了处理器性能和外设资源，软件采用了模块化思想，近似最优抓持规划问题应用了遗传算法，降低了***复杂度，有效提高了灵巧手指节运动效率。该控制***响应迅速、性能稳定、可靠性高、人机友好、复杂度降低，可使欠驱动灵巧手有效地完成对不同物体的包络抓持。

Description

一种基于 DSP 和 FPGA 的欠驱动灵巧手控制***

技术领域

本发明涉及一种基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，适用于机械领域。

背景技术

欠驱动多指灵巧手是一类典型的新型仿人手，它在结构设计上采用了欠驱动原理，使其驱动单元数目少于机构自由度数目，它相对于全驱动灵巧手具有成本低廉、结构简单、控制相对较易、体积较小、质量较轻等优势，而且这类机器人手操作灵活，自适应能力较强，能够完全包络被抓取物，抓持性能良好。目前，许多结构和功能各异的欠驱动灵巧手已被逐渐广泛应用于残疾人假肢、航空航天等相关领域，具有较好的应用前景。

为了保证欠驱动灵巧手在操作和抓持各类物体时的运动特点和功能要求，解决其轨迹规划非完全可控等问题，欠驱动灵巧手控制***应具备足够的自动化程度，针对被抓持物体的不同类别和特点，可以准确协调多指抓持过程的运动特性，快速反馈抓持过程中的具体复杂信息，具有较为灵敏的手指感知功能，能够实时地进行精确高效的控制，确保抓持和操作物体的可靠性和稳定性。以往基于欠驱动原理设计的灵巧手控制***在实现的技术手段上具有一定的局限性，存在一定程度的能量耗散和***运行不稳定。

发明内容

本发明提出了一种基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，该***充分利用了处理器性能和外设资源，软件采用了模块化思想，近似最优抓持规划问题应用了遗传算法，降低了***复杂度，有效提高了灵巧手指节运动效率。

本发明所采用的技术方案是：所述控制***采用了主从控制和自主控制相结合的复合式递阶控制体系结构，整个***由3个分层构成，依次是上位机终端决策层、多指协调运动层和底层控制层。上位机终端决策层通过USB总线与多指协调运动层交互通信，实时获取采集到的灵巧手运动、传感器信号等信息，同时远程监控灵巧手运行状态，并根据所获取的各类信息完成对灵巧手运动轨迹的规划和自动调整。多指协调运动层负责整体协同工作和信息的反馈。底层控制层主要针对被动关节的运动控制和手指压力信息采集，该层接受来自上层的运动指令完成对电机的伺服控制，精度较高，具体负责控制器底层行为。

所述控制***的上位终端决策层主要用于抓持运动整体规划和自动调整，它负责发出各类单指或多指运动的控制指令，能够显示各种状态信号的监控，包括：单指和多指的运行状态、伺服***运动参数(目标速度、绝对位置、位置偏差、电流)，压力传感器信息、各类报警情况等，同时还可以设置相关参数(如指端压力0值、位置零位等)，以及调试运行和紧急制动。

由于多指协调运动层直接控制底层设备，它负责协调具体的抓持、操作运动，往往需要有较高可靠性、实时性和灵活性，因此该层采用了DSP和FPCA相结合的主从结构模式。

所述控制***的微处理器选用的是TMS320F28335，其增加了浮点运算内核，内部资源丰富，主频可达150MHz，具有更强大的数据处理能力，同时提供了丰富的片内外设资源和各类接日，如增强型ePWM , A/D等，能够为控制器算法的实现提供可行的硬件基础，特别是适合于底层电机控制，满足抓持任务要求。FPCA由于其强大的逻辑处理和并行数据处理能力，能够较好地满足设计任务要求，该控制***选用的是Cyclone系列的EP4CE6E22C8，其内部具有丰富的逻辑资源。在设计中，FPCA用来实现DSP***的译码电路和位置信息保存，其内部设计了正交解码(QEP )鉴相和计数电路，DSP可通过外部存储器总线EMIF与FPCA进行通信，读取FPCA对电机编码器脉冲信号处理完成后所获得的计数器数据，可用于伺服电机运动信息的获取，便于协调控制。

该层还外扩了SRAM和Flash，用于大容量存储数据，USB接日用于与上位终端层通信，232串口和485串日分别用于软件调试和预留接日，JTAC用于程序下载和仿真，蜂鸣器用于错误信息的报警。

所述底层控制层是整个控制***设计中最为基础和关键的部分，其主要用于灵巧手手指关节驱动和指端压力信号的采集，完成稳定地抓持、操作各类物体。对于伺服电机控制，微处理器DSP具有增强型PWM(ePWM)模块，该模块中的每个完整的PWM通道都是由两个PWM输出组成，并配有硬件扩展模块HRPWM(高精度脉冲宽度调制器)，因而能够产生足够的PWM信号控制直流伺服电机。提高了抗干扰能力。直流伺服电机集成了光电编码器，编码器信号随着电机的转动输出三对差分信号，通过芯片AM26LS32的信号处理，三对差分信号变为三路脉冲信号(即A信号、B信号、C信号)，这三路脉冲信号输入至FPCA内部单元设计的解码电路(QEP)中，完成伺服电机转速信息的采集工作，并把结果保存在FPCA内部寄存器中，DSP再由EMIF总线与FPCA进行通信，读取寄存器数据。在设计中，还对伺服电机电流进行了采样，最终完成对电机电流环的有效控制。对于指端压力信息采样，使用了高精度的压阻式传感器FSR系列，该传感器增强了指端对抓取物体压力的感知能力，压力信号通过钳位、运放等调理电路和RC滤波后被采样，由DSP内部的A/D转换器转换为数字信号，提供给微处理器，实现对指端压力信息的实时控制，使指端压力不超过设定的阀值。

所述控制***的通信模块主要用于上位终端层与多指协调运动层间的指令传输和信息反馈，根据欠驱动灵巧手仿人抓持物体的实际工作环境和较多的控制信息，采用了USB总线协议作为通信标准，USB总线具有较高的传输效率，提高了灵巧手工作的可靠性。芯片采用的是FT245RL, DSP输出使能信号和读写信号(由片选信号通过74HC1C02CV处理得到)，同时在设计中也使用了NUP2105L防ESD干扰。

所述控制***软件部分采用了模块化设计思想，其关键在于底层运动控制部分，电机的运动状态和指端压力信息的反馈直接影响欠驱动灵巧手能否稳定抓持物体，控制***各层软件的设计采用自底向上的原则。根据抓持任务，底层软件可具体划分为位置信息保存(包括初始零位信息)、USB和串日通信、电机运动PID控制、抓持、放松回零、抓持力控制等主要功能模块，空间任意位置均可设置为指节初始零位，电机电流环的错误处理单元能有效地避免指节的“弹射”现象所产生的抓持失效和电机堵转，数字式PID可较好地实现关节位置的闭环控制，力控制模块能有效地监测指端压力17值。上位机软件负责与下层交互通信，获取运动状态、传感器压力反馈信息，完成***监控和运动规划的软件调整。

本发明的有益效果是：该***充分利用了处理器性能和外设资源，软件采用了模块化思想，近似最优抓持规划问题应用了遗传算法，降低了***复杂度，有效提高了灵巧手指节运动效率。该控制***响应迅速、性能稳定、可靠性高、人机友好、复杂度降低，可使欠驱动灵巧手有效地完成对不同物体的包络抓持。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的控制***总体结构框图。

图2是本发明的多指协调运动层硬件结构图。

图3是本发明的底层控制层硬件结构图。

图4是本发明的底层运动控制软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，控制***采用了主从控制和自主控制相结合的复合式递阶控制体系结构，整个***由3个分层构成，依次是上位机终端决策层、多指协调运动层和底层控制层。上位机终端决策层通过USB总线与多指协调运动层交互通信，实时获取采集到的灵巧手运动、传感器信号等信息，同时远程监控灵巧手运行状态，并根据所获取的各类信息完成对灵巧手运动轨迹的规划和自动调整。多指协调运动层负责整体协同工作和信息的反馈。底层控制层主要针对被动关节的运动控制和手指压力信息采集，该层接受来自上层的运动指令完成对电机的伺服控制，精度较高，具体负责控制器底层行为。

如图2，控制***的上位终端决策层主要用于抓持运动整体规划和自动调整，它负责发出各类单指或多指运动的控制指令，能够显示各种状态信号的监控，包括:单指和多指的运行状态、伺服***运动参数(目标速度、绝对位置、位置偏差、电流)，压力传感器信息、各类报警情况等，同时还可以设置相关参数(如指端压力0值、位置零位等)，以及调试运行和紧急制动。

由于多指协调运动层直接控制底层设备，它负责协调具体的抓持、操作运动，往往需要有较高可靠性、实时性和灵活性，因此该层采用了DSP和FPCA相结合的主从结构模式。

控制***的微处理器选用的是TMS320F28335，其增加了浮点运算内核，内部资源丰富，主频可达150MHz，具有更强大的数据处理能力，同时提供了丰富的片内外设资源和各类接日，如增强型ePWM,A/D等，能够为控制器算法的实现提供可行的硬件基础，特别是适合于底层电机控制，满足抓持任务要求。FPCA由于其强大的逻辑处理和并行数据处理能力，能够较好地满足设计任务要求，该控制***选用的是Cyclone系列的EP4CE6E22C8，其内部具有丰富的逻辑资源。在设计中，FPCA用来实现DSP***的译码电路和位置信息保存，其内部设计了正交解码(QEP )鉴相和计数电路，DSP可通过外部存储器总线EMIF与FPCA进行通信，读取FPCA对电机编码器脉冲信号处理完成后所获得的计数器数据，可用于伺服电机运动信息的获取，便于协调控制。

该层还外扩了SRAM和Flash，用于大容量存储数据，USB接日用于与上位终端层通信，232串口和485串日分别用于软件调试和预留接日，JTAC用于程序下载和仿真，蜂鸣器用于错误信息的报警。

如图3，底层控制层是整个控制***设计中最为基础和关键的部分，其主要用于灵巧手手指关节驱动和指端压力信号的采集，完成稳定地抓持、操作各类物体。对于伺服电机控制，微处理器DSP具有增强型PWM(ePWM)模块，该模块中的每个完整的PWM通道都是由两个PWM输出组成，并配有硬件扩展模块HRPWM(高精度脉冲宽度调制器)，因而能够产生足够的PWM信号控制直流伺服电机。提高了抗干扰能力。直流伺服电机集成了光电编码器，编码器信号随着电机的转动输出三对差分信号，通过芯片AM26LS32的信号处理，三对差分信号变为三路脉冲信号(即A信号、B信号、C信号)，这三路脉冲信号输入至FPCA内部单元设计的解码电路(QEP)中，完成伺服电机转速信息的采集工作，并把结果保存在FPCA内部寄存器中，DSP再由EMIF总线与FPCA进行通信，读取寄存器数据。在设计中，还对伺服电机电流进行了采样，最终完成对电机电流环的有效控制。对于指端压力信息采样，使用了高精度的压阻式传感器FSR系列，该传感器增强了指端对抓取物体压力的感知能力，压力信号通过钳位、运放等调理电路和RC滤波后被采样，由DSP内部的A/D转换器转换为数字信号，提供给微处理器，实现对指端压力信息的实时控制，使指端压力不超过设定的阀值。

控制***的通信模块主要用于上位终端层与多指协调运动层间的指令传输和信息反馈，根据欠驱动灵巧手仿人抓持物体的实际工作环境和较多的控制信息，采用了USB总线协议作为通信标准，USB总线具有较高的传输效率，提高了灵巧手工作的可靠性。芯片采用的是FT245RL，DSP输出使能信号和读写信号(由片选信号通过74HC1C02CV处理得到)，同时在设计中也使用了NUP2105L防ESD干扰。

如图4，控制***软件部分采用了模块化设计思想，其关键在于底层运动控制部分，电机的运动状态和指端压力信息的反馈直接影响欠驱动灵巧手能否稳定抓持物体，控制***各层软件的设计采用自底向上的原则。根据抓持任务，底层软件可具体划分为位置信息保存(包括初始零位信息)、USB和串日通信、电机运动PID控制、抓持、放松回零、抓持力控制等主要功能模块，空间任意位置均可设置为指节初始零位，电机电流环的错误处理单元能有效地避免指节的“弹射”现象所产生的抓持失效和电机堵转，数字式PID可较好地实现关节位置的闭环控制，力控制模块能有效地监测指端压力17值。上位机软件负责与下层交互通信，获取运动状态、传感器压力反馈信息，完成***监控和运动规划的软件调整。

灵活有效的抓持规划算法是决定整个***是否稳定的关键因素，抓持的目的在于通过接触点将外部的力与运动传递给被抓持物体，使物体受力平衡，能够实现相关预期操作。文中所述的欠驱动灵巧手采用腿式结构设计，可实现对被抓持物体的包络抓取，该问题可抽象为一个特殊的车间作业调度问题(JSSP ) ,因此可采用基于遗传算法(CA)来对欠驱动灵巧手进行近似的最优抓持运动规划。车间作业调度问题是一类满足任务配置和顺序约束要求的资源分配问题，也是约束组合优化和典型NP难问题。

Claims (5)

1.一种基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，其特征是：所述控制***采用了主从控制和自主控制相结合的复合式递阶控制体系结构，整个***由3个分层构成，依次是上位机终端决策层、多指协调运动层和底层控制层。

2.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，其特征是：所述控制***的上位终端决策层主要用于抓持运动整体规划和自动调整，它负责发出各类单指或多指运动的控制指令，能够显示各种状态信号的监控，包括单指和多指的运行状态、伺服***运动参数(目标速度、绝对位置、位置偏差、电流)，压力传感器信息、各类报警情况等，同时还可以设置相关参数(如指端压力0值、位置零位等)，以及调试运行和紧急制动。

3.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，其特征是：所述控制***的微处理器选用的是TMS320F28335，其增加了浮点运算内核，内部资源丰富，主频可达150MHz，具有更强大的数据处理能力，同时提供了丰富的片内外设资源和各类接日，如增强型ePWM , A/D等，能够为控制器算法的实现提供可行的硬件基础，特别是适合于底层电机控制，满足抓持任务要求。

4.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，其特征是：所述控制***的通信模块主要用于上位终端层与多指协调运动层间的指令传输和信息反馈，根据欠驱动灵巧手仿人抓持物体的实际工作环境和较多的控制信息，采用了USB总线协议作为通信标准，USB总线具有较高的传输效率，提高了灵巧手工作的可靠性。

5.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的欠驱动灵巧手控制***，其特征是：所述控制芯片采用的是FT245RL, DSP输出使能信号和读写信号(由片选信号通过74HC1C02CV处理得到)，同时在设计中也使用了NUP2105L防ESD干扰。