結合FPGA與DSP的仿人假手控制系統(tǒng)設計

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

　　現(xiàn)有的控制系統(tǒng)有外置式和內置式兩種。外置式控制系統(tǒng)多用于研究型假手，如Cyber Hand，Tokyo Hand，Vanderbilt Hand等，這種控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)雖然也有部分集成有外部傳感器，但傳感器系統(tǒng)簡單，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(tǒng)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(tǒng)為一個整體，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，不利于二次開發(fā)。

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

　　1仿人假手系統(tǒng)介紹

　　本文所設計的控制系統(tǒng)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個指節(jié)，大拇指還另有一個內旋/外展關節(jié)，共有11個活動關節(jié)，整個手由6個直流電機驅動，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(tǒng)采用模塊化設計思想，將整個系統(tǒng)分割成幾個模塊，通過通用接口建立相互連接，使整個控制系統(tǒng)可以放置在仿人假手內部，實現(xiàn)機電一體化。

　　2基于FPGA的控制系統(tǒng)設計

　　仿人假手電氣控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)假手各手指的驅動控制、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(tǒng)由10個模塊組成，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(tǒng)模塊、電刺激反饋模塊。模塊化設計方法增加了控制系統(tǒng)的靈活性與獨立性，便于對模塊單獨進行調試與修改。電氣系統(tǒng)總體功能框圖如圖1.

　　圖1電氣系統(tǒng)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CycloneⅢ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，主控芯片模塊還負責大拇指內旋/外展自由度驅動電機的控制。各個功能通過VHDL語言進行編寫，F(xiàn)PGA中嵌入雙NIOS核構成雙核處理器，其中一個NIOS核用于肌電信號處理，另一個NIOS核用于通信;雙核通過2M的EEPROM進行通信。FPGA功能框圖如圖2.

　　圖2 FPGA功能框圖

　　RS—485通信通過在NIOS核內自定義元件AutoSCI控制RS—485收發(fā)接口芯片MAX3362實現(xiàn)。MAX3362收發(fā)芯片可通過3.3 V低壓實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送。CAN與LVDS通信采用復用電路設計(圖3)，通過更換接收發(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(tǒng)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性。

　　圖3 CAN通信/LVDS通信復用電路