基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统及该系统的USB3.0数据传输方法技术方案

基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统及该系统的USB3.0数据传输方法，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领域。它为了解决残疾人假手领域中，因测试系统和控制系统分离而导致无法对假手进行在线控制，以及测控过程中数据无法实时传输和监测的问题。本发明专利技术将肌电信号采集系统和电机驱动系统集成在一个测控系统中，并采用USB3.0接口与PC机进行数据传输，不仅能够同时采集五个手指的位置传感器和力矩传感器信息，还能够实现与PC机的实时数据传输，并根据采集到的信号在线控制假手运动，不需要专门的设备进行残疾人肌电信号采集训练。本发明专利技术适用于生物医学工程的仿生残疾人假手。

【技术实现步骤摘要】
基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统及该系统的USB3.0数据传输方法
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。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，重量约一500克)，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。传统的肌电假肢与肌电信号采集系统是独立的两个系统，安装假肢时需要先采用肌电信号分析仪对残疾人的残端肌电信号进行分析，选择电极安装位置，以及对残疾人的训练。肌电假肢不能对肌电信号进行实时的波形显示，不能对肌电信号进行分析以及对残疾人的训练。残疾人在使用过程中，对电极安装位置进行更新时需要使用独立的肌电信号分析仪。现在国际上没有假肢系统可以同时实现对肌电信号的实时采集、波形显示以及假手的运动控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决残疾人假手领域中，因测试系统和控制系统分离而导致无法对假手进行在线控制，以及测控过程中数据无法实时传输和监测的问题，提供一种基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统及该系统的USB3.0数据传输方法。本专利技术所述的基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统包括肌电信号采集系统、电机驱动系统、电机编码器处理系统、位置和力矩传感器信号米集系统、基于FPGA的CPU、电源管理系统和USB3.0通用串行总线接口电路；肌电信号采集系统用来采集肌电电极的信号，所述肌电信号采集系统的肌电电极信号输出端连接基于FPGA的CPU的肌电电极信号输入端，电机驱动系统用来驱动五个直流电机实现手指的运动，所述电机驱动系统的控制信号输入端连接基于FPGA的CPU的电机控制信号输出端，电机驱动系统的编码器信号输出端通过电机编码器处理系统连接基于FPGA的CPU的编码器信号输入端，位置和力矩传感器信号采集系统用来采集五个手指的位置和力矩传感器信号，所述位置和力矩传感器信号采集系统的位置传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU的位置传感器信号输入端，所述位置和力矩传感器信号采集系统的力矩传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU的位置传感器信号输入端，电源管理系统用来为所述基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统提供工作电压，USB3.0通用串行总线接口电路用来在基于FPGA的CPU与PC机之间传输数据，所述USB3.0通用串行总线接口电路包括CUSB3014芯片和USB-PORT，所述CUSB3014芯片通过基于FPGA的CPU的FIFO接口连接基于FPGA的CPU的USB数据端，CUSB3014芯片的USB信号端连接USB-PORT的CUSB信号端。所述的肌电信号采集系统包括滤波电路、A/D转换芯片和电压转换芯片，所述滤波电路的信号输入端为肌电信号采集系统的肌电电极信号输入端，所述滤波电路的信号输出端通过A/D转换芯片连接电压转换芯片的肌电电极信号输入端，所述电压转换芯片的肌电电极信号输出端为肌电信号采集系统的肌电电极信号输出端。所述的位置和力矩传感器信号采集系统包括位置传感器处理放大电路、第一滤波电路、第一数模转换电路、力矩传感器处理放大电路、第二滤波电路和第二数模转换电路，所述位置传感器处理放大电路的信号输入端为位置和力矩传感器信号采集系统的位置传感器信号输入端，所述位置传感器处理放大电路的信号输出端通过第一滤波电路连接第一数模转换电路的信号输入端，所述第一数模转换电路的信号输出端为位置和力矩传感器信号采集系统的位置传感器信号输出端；所述力矩传感器处理放大电路的信号输入端为位置和力矩传感器信号采集系统的力矩传感器信号输入端，所述力矩传感器处理放大电路的信号输出端通过第二滤波电路连接第二数模转换电路的信号输入端，所述第二数模转换电路的信号输出端为位置和力矩传感器信号采集系统的力矩传感器信号输出端。所述的电源管理系统包括电池、电流传感器和电压转换电路，所述电池的电输出端连接电流传感器的电流信号输入端，所述电流传感器的电流传感信号输出端连接电压转换电路的信号输入端。所述的电机驱动系统采用MPC17531A型号的直流有刷电机驱动芯片实现。基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统的USB3.0数据传输方法，所述的⑶SB3014芯片内部嵌入有固件方法，基于FPGA的CPU内部嵌入有Slave FIFO方法，所述Slave FIFO方法包括FIFO读方法和FIFO写方法，基于FPGA的CPU向PC机写入数据的过程为:基于FPGA的CPU定时通过FIFO写`方法将数据写到⑶SB3014芯片，所述⑶SB3014芯片通过USB-PORT将数据写入PC机；基于FPGA的CPU从PC机读出数据的过程为:PC机通过USB-PORT将数据写入CUSB3014芯片，基于FPGA的CPU定时通过FIFO读方法使CUSB3014芯片向基于FPGA的CPU发送数据。所述的固件方法使用USB芯片的三个端点，即第一端点、第二端点和第三端点。其中，第一端点是系统默认的控制端点，用于USB通信的枚举过程，第二端点和第三端点配置为中断传输方式，第二端点方向配置为输入，用于从PC机读数据，第三端点的方向配置为输出，用于向PC机写数据。所述的FIFO读操作方法包括以下步骤:用于初始化FIF0，并在该步骤结束之后执行第一空判断步骤的第一初始化步骤；用于判断FIFO是否为空，并在判断结果为是时返回执行第一空判断步骤，在判断结果为否时执行FIFO读操作步骤的第一空判断步骤；用于进行FIFO读操作，并在该步骤结束之后执行结束判断步骤的读操作步骤；用于判断FIFO读操作是否结束，并在判断结果为是执行读操作结束步骤，在判断结果为否时返回执行读操作步骤的结束判断步骤；用于结束FIFO读操作方法的读操作结束步骤。所述的FIFO写操作方法包括以下步骤:用于初始化FIFO，并在该步骤结束之后执行第二空判断步骤的第二初始化步骤；用于判断FIFO是否为空，并在判断结果为是时执行写操作步骤，在判断结果为否时返回执行二空判断步骤的二空判断步骤；用于进行FIFO写操作，并在该步骤结束之后执行满判断步骤的写操作步骤；用于判断FIFO是否为满，并在判断结果为是执行写操作结束步骤，在判断结果为否时返回执行写操作步骤的满判断步骤；用于结束FIFO写操作方法的写操作结束步骤。本专利技术所述的基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统将肌电信号采集系统和电机驱动系统集成在一个测控系统中，不仅能够同时采集五个手指的位置传感器和力矩传感器信息，还可以根据采集到的信号在线控制假手的五个手指进行独立运动，不需要专门的设备进行残疾人肌电信号采集训练；本实施方式采用USB3.0通用串行总线接口电路与PC机进本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统，其特征在于：它包括肌电信号采集系统（1）、电机驱动系统（2）、电机编码器处理系统（3）、位置和力矩传感器信号采集系统（4）、基于FPGA的CPU（5）、电源管理系统（6）和USB3.0通用串行总线接口电路（7）；肌电信号采集系统（1）用来采集肌电电极的信号，所述肌电信号采集系统（1）的肌电电极信号输出端连接基于FPGA的CPU（5）的肌电电极信号输入端，电机驱动系统（2）用来驱动五个直流电机实现手指的运动，所述电机驱动系统（2）的控制信号输入端连接基于FPGA的CPU（5）的电机控制信号输出端，电机驱动系统（2）的编码器信号输出端通过电机编码器处理系统（3）连接基于FPGA的CPU（5）的编码器信号输入端，位置和力矩传感器信号采集系统（4）用来采集五个手指的位置和力矩传感器信号，所述位置和力矩传感器信号采集系统（4）的位置传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU（5）的位置传感器信号输入端，所述位置和力矩传感器信号采集系统（4）的力矩传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU（5）的位置传感器信号输入端，电源管理系统（6）用来为所述基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统提供工作电压，USB3.0通用串行总线接口电路（7）用来在基于FPGA的CPU（5）与PC机之间传输数据，所述USB3.0通用串行总线接口电路（7）包括CUSB3014芯片和USB?PORT，所述CUSB3014芯片通过基于FPGA的CPU（5）的FIFO接口连接基于FPGA的CPU（5）的USB数据端，CUSB3014芯片的USB信号端连接USB?PORT的CUSB信号端。...

【技术特征摘要】
1.基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统，其特征在于:它包括肌电信号采集系统(I)、电机驱动系统(2)、电机编码器处理系统(3)、位置和力矩传感器信号采集系统(4)、基于FPGA的CPU (5)、电源管理系统(6)和USB3.0通用串行总线接口电路(7)； 肌电信号采集系统(I)用来采集肌电电极的信号，所述肌电信号采集系统(I)的肌电电极信号输出端连接基于FPGA的CPU (5)的肌电电极信号输入端，电机驱动系统(2)用来驱动五个直流电机实现手指的运动，所述电机驱动系统(2)的控制信号输入端连接基于FPGA的CPU (5)的电机控制信号输出端，电机驱动系统(2)的编码器信号输出端通过电机编码器处理系统(3)连接基于FPGA的CPU (5)的编码器信号输入端，位置和力矩传感器信号采集系统(4)用来采集五个手指的位置和力矩传感器信号，所述位置和力矩传感器信号采集系统(4)的位置传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU (5)的位置传感器信号输入端，所述位置和力矩传感器信号采集系统(4)的力矩传感器信号输出端连接基于FPGA的CPU (5)的位置传感器信号输入端，电源管理系统(6)用来为所述基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统提供工作电压，USB3.0通用串行总线接口电路(7)用来在基于FPGA的CPU (5)与PC机之间传输数据，所述USB3.0通用串行总线接口电路(7)包括⑶SB3014芯片和USB-PORT，所述CUSB3014芯片通过基于FPGA的CPU (5)的FIFO接口连接基于FPGA的CPU (5)的USB数据端，CUSB3014芯片的USB信号端连接USB-PORT的CUSB信号端。2.根据权利要求1所述基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统，其特征在于:所述的肌电信号采集系统(I)包括滤波电路(11)、A/D转换芯片(12)和电压转换芯片(13)，所述滤波电路(11)的信号输入端为肌电信号采集系统(I)的肌电电极信号输入端，所述滤波电路(11)的信号输出端通过A/D转换芯片(12)连接电压转换芯片(13)的肌电电极信号输入端，所述电压转换芯片(13)的肌电电极信号输出端为肌电信号采集系统(I)的肌电电极信号输出端。3.根据权利要求1所述基于USB3.0的五指肌电假肢嵌入式测控系统，其特征在于:所述的位置和力矩传感器信号采集系统(4)包括位置传感器处理放大电路、第一滤波电路、第一数模转换电路、力矩传感器处理放大电路、第二滤波电路和第二数模转换电路，所述位置传感器处理放大电路的信号输入端为位置和力矩传感器信号采集系统(4)的位置传感器信号输入端，所述位置传感器处理放大电路的信号输出端通过第一滤波电路连接第一数模转换电路的信号输入端，所述第一数模转换电路的信号输出端为位置和力矩传感器信号采集系统(4)的位置传感器信号输出端；所述力矩传感器处理放大电路的信号输入端为位置和力矩传感器信号采集系统(4)的力矩传感器信号输入端，所述力矩传感器处理放大电路的信号输出端通过第二滤波电路连接第二数模转换电路的信号输入端，所述第二数模转换电路的信号输出端为位置和力矩传感器信号采集系统(4)的力矩传感器信号输出端。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，张庭，樊绍巍，杨大鹏，曾博，姜力，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：