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(多图)结合FPGA与DSP的仿人假手控制系统设计

李伟?? 张庭?? 姜力?? 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室?? 2015年04月16日 ?? 收藏0
仿人假手作为肢残患者重获人手功能的主要对象,具有重大的社会需求。理想的假手应具有人手的仿生特征,主要体现在假手构造、控制方式与环境感知3 个方面,但由于其有限的体积和复杂的传感器系统,对控制系统提出了更高的要求。

现有的控制系统有外置式和内置式两种。外置式控制系统多用于研究型假手,如Cyber Hand,Tokyo Hand,Vanderbilt Hand等,这种控制系统主要用于算法、方案的验证,在残疾人应用上推广意义较小。内置式控制系统在研究型假手和商业型假手上均有应用,其中研究型假手控制系统,在环境感知和双向信息交互上投入大量研究,如Smart Hand,DARPA hand; 而商业型假手控制系统虽然也有部分集成有外部传感器,但传感器系统简单,双向信息交互上也有较大欠缺,如i-Limb,BeBionic Hand。

HIT IV 代假手控制系统采用DSP 作为主控芯片,集成有位置传感器和力矩传感器,可对肌电信号采样。但控制系统为一个整体,且体积较大,只适用于HIT IV 代假手。DSP 芯片在功能拓展上弱于FPGA,不利于二次开发。

本文采用模块化设计方案,以FPGA 作为核心芯片,运动控制、肌电信号采集、电刺激等模块独立设计,通过通用接口连接。在此基础上,进行多模式的多指抓取实验。

1 仿人假手系统介绍

本文所设计的控制系统以HIT V 代手为控制对象。该手略小于成年人人手,具有5 根手指,每根手指2 个指节,大拇指还另有一个内旋/外展关节,共有11 个活动关节,整个手由6 个直流电机驱动,每根手指安装有力矩传感器、位置传感器、指尖六维力传感器。

控制系统采用模块化设计思想,将整个系统分割成几个模块,通过通用接口建立相互连接,使整个控制系统可以放置在仿人假手内部,实现机电一体化。

2 基于FPGA 的控制系统设计

仿人假手电气控制系统用于实现假手各手指的驱动控制、多种传感器信息的采集以及与上位机( PC 或PCI 控制卡) 之间的通信。该控制系统由10 个模块组成,分别为: 由FPGA 组成的主控芯片模块、USB 接口模块、拇指控制电路模块、食指控制电路模块、中指控制电路模块、无名指控制电路模块、小指控制电路模块、肌电信号采集模块、电池管理系统模块、电刺激反馈模块。模块化设计方法增加了控制系统的灵活性与独立性,便于对模块单独进行调试与修改。电气系统总体功能框图如图1。

图1 电气系统功能框图
图1 电气系统功能框图

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仿人假手? 控制系统? 模块化设计? 现场可编程门阵列?

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