采用單片機(jī)和CPLD器件實(shí)現(xiàn)仿人手臂形假肢控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

假肢是人體缺損肢體的替代物，用以彌補(bǔ)缺損肢體的形狀和功能。本文針對(duì)失去整個(gè)手臂的情況，設(shè)計(jì)出一種仿人手臂形假肢的控制系統(tǒng)。使用者可以補(bǔ)償部分缺失的功能，達(dá)到生活自理甚至于可以從事基本勞動(dòng)，減少身心痛苦，同時(shí)也相應(yīng)地解放了護(hù)理工作用。在設(shè)計(jì)中，采用C8051F020單片機(jī)作為主控制器，并通過(guò)CPLD（Complex Programmable Logic Device）完成對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)控制量的檢測(cè)以及凌陽(yáng)61單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制功能。

1、 機(jī)器人假肢結(jié)構(gòu)

多自由度機(jī)器人型假肢（上肢）擁有6個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2、 假肢控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的工作原理

控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，主要由控制、驅(qū)動(dòng)、被控對(duì)象和檢測(cè)反饋四個(gè)部分構(gòu)成?？刂撇糠种饕蒀8051f020完成；驅(qū)動(dòng)部分由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成；被控對(duì)象即是六自由的假肢；檢測(cè)反饋部分主要由CPLD檢測(cè)目標(biāo)位置各個(gè)關(guān)節(jié)的控制量。系統(tǒng)主要采用按鍵控制和語(yǔ)音控制兩種控制方式。

2.1.1 按鍵控制

系統(tǒng)采用了12個(gè)獨(dú)立式按鍵對(duì)6個(gè)電機(jī)正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)著各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況如表1所示。

2.1.2 語(yǔ)音控制

語(yǔ)音識(shí)別模塊由SPCE061A單片機(jī)完成。首先，對(duì)各個(gè)命令進(jìn)行訓(xùn)練，并將訓(xùn)練結(jié)果保存下來(lái)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)SPCE061A單片機(jī)識(shí)別出某條命令時(shí)，它會(huì)通過(guò)串口給C8051F020發(fā)送指令，當(dāng)C8510F020接收到相應(yīng)的指令時(shí)，控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。例如：當(dāng)SPCE061A識(shí)別出“手指張開(kāi)”命令時(shí)，將會(huì)通過(guò)串口發(fā)送如“0x10”的十六進(jìn)制的數(shù)，當(dāng)C8051F020通過(guò)串口接收到“0x10”后，就會(huì)控制手指做張開(kāi)運(yùn)動(dòng)。其他關(guān)節(jié)控制亦如此。其語(yǔ)音命令的控制形式如圖3所示。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要包括：初始化程序、頻率輸出子程序、PWM信號(hào)輸出子程序、鍵盤(pán)控制子程序、通信子程序、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、CPLD檢測(cè)編碼器輸出子程序。

3.1系統(tǒng)主流程

圖4所示為整個(gè)控制系統(tǒng)的流程圖。首先對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化；然后設(shè)計(jì)出兩種工作方式：按鍵方式和語(yǔ)音方式；之后選擇示教3個(gè)位置，并通過(guò)CPLD保存示教位置的各個(gè)關(guān)節(jié)的脈沖控制量，最后的設(shè)計(jì)是手動(dòng)運(yùn)動(dòng)到示教的目標(biāo)或是自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到示教的目標(biāo)位置，至此即可完成對(duì)目標(biāo)位置的物體的抓取功能。

3.2 CPLD檢測(cè)編碼器設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)流程圖可以看出，對(duì)各個(gè)示教位置的各個(gè)關(guān)節(jié)控制量的檢測(cè)與保存由CPLD完成。由于本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)編碼器的傳感器，通常其輸出A和B兩路占空比為50%的脈沖，A、B的脈沖個(gè)數(shù)反映主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，A、B的相位關(guān)系反映主軸的旋轉(zhuǎn)方向。為了檢測(cè)上述兩個(gè)變量即主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度和主軸旋轉(zhuǎn)的方向，系統(tǒng)采用了一種辨向細(xì)分電路。

將A和B兩路輸入信號(hào)分別組成四種狀態(tài)（A，B）：（0，0）、（0，1）、（1，0）和（1，1）。當(dāng)主軸正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程為：（0，0）、（1，0）、（1，1）、（0，1）、（0，0），反向旋轉(zhuǎn)時(shí)正好相反。故只需要判斷狀態(tài)（1，0）和狀態(tài)（1，1）的先后順序即可判斷出主軸旋轉(zhuǎn)的方向，并且由出現(xiàn)狀態(tài)（1，0）和（1，1）之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)就可以確定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即出現(xiàn)一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換就是主軸轉(zhuǎn)過(guò)1°。由旋轉(zhuǎn)編碼器的特性設(shè)計(jì)的CPLD的檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖5所示。

3.3 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別是使假肢能夠準(zhǔn)確地聽(tīng)出操作者的語(yǔ)音內(nèi)容，并能準(zhǔn)確完成操作者的命令。本系統(tǒng)只針對(duì)特定人進(jìn)行訓(xùn)練，并且只能對(duì)特定人的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別。主要由凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)完成。其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

完成以上的軟件和硬件的設(shè)計(jì)后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的控制調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，各個(gè)關(guān)節(jié)都可以運(yùn)動(dòng)自如，并且每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的控制都是完全正確的。按鍵在按下的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，為此，在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)延時(shí)程序進(jìn)行了消抖。在語(yǔ)音控制模塊中，由于采用的是兩級(jí)命令控制，即如圖3所示控制形式。語(yǔ)音系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練，對(duì)特定人的語(yǔ)音識(shí)別率達(dá)到了96%以上，辨識(shí)率很高。但只是針對(duì)特定的人進(jìn)行試驗(yàn)。如果對(duì)其他人的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別還會(huì)存在誤差，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別誤操作。但這種誤差是可以控制的。只要對(duì)特定的人進(jìn)行訓(xùn)練，并由被訓(xùn)練人來(lái)控制設(shè)備，即可以避免由于控制者與語(yǔ)音錄入者不同而給系統(tǒng)帶來(lái)的控制誤差。

該控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以人為自由地進(jìn)行手動(dòng)控制假肢做相應(yīng)的活動(dòng)，或者運(yùn)用佩戴者的語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音智能化控制假肢做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法和控制都簡(jiǎn)單，操作安全、穩(wěn)定的目的。此外，可以給佩戴者設(shè)計(jì)一個(gè)遙控器（前提是針對(duì)只失去一只臂膀的用戶(hù)），如果是失去了雙臂膀，則可以在其適當(dāng)?shù)牟课话惭b一個(gè)語(yǔ)音控制裝置，使用語(yǔ)音進(jìn)行控制。

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