基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制系统技术方案

基于双数字信号处理器的嵌入式多自由度肌电假手控制系统，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系统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。本发明专利技术的实时速度快，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。

Embedded dual digital signal processor with multi degree of freedom prosthetic hand control system based on

Embedded dual digital signal processor with multi degree of freedom prosthetic hand control system based on it, which belongs to the field of bio mechatronics. It is for the purpose of real-time speed is not enough that the long delay time, large volume, high cost of hardware of electronic control system to solve the existing prosthetic hand, restricts the popularization and application of the principle of underactuated prosthetic hand a series of problems. The main DSP SPI communication circuit which is connected from the SPI terminal DSP communication circuit, buzzer circuit, power management circuit, temperature sensor, EMG channel circuit, vibration motor circuit, electrical stimulation circuit, Bluetooth circuit are respectively connected with the main circuit DSP, a plurality of torque sensor are respectively connected with the circuit from DSP, a each of a plurality of motor motor drive circuit, CPLD circuit connected on the circuit through DSP. The invention has the advantages of real time speed, delay of about 50ms, and no delay for users, and has the advantages of simple structure, small size, low hardware cost and low power consumption.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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己趋于小型化、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系统也必须集成化，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系统要么没有集成， 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系统的硬件结构 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 子控制系统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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有肌电假手的电子控制系统存在实时速度 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 手控制系统。本专利技术由主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IO、 CPLD电路ll、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CPLD 11的一个编码信号处理输入端。本专利技术的实时速度快，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。因本专利技术中的两个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，并不会增加太多的系统总功耗，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是本专利技术的整体电路结构示意图。 具体实施例方式具体实施方式一结合图l说明本实施方式，本实施方式由主DSP电路l、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IO、 CPLD电路ll、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CPLD 11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。工作原理本专利技术中的两个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是对本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双ＤＳＰ的嵌入式多自由度肌电假手控制系统，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜力，刘宏，赵大威，赵京东，汤奇荣，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]