基于C8051F020的假肢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

樊炳輝,賈朝川,楊婷

(山東科技大學(xué),山東青島266510）

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,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[1]單片機(jī)作為主控制器，并通過CPLD(Complex Programmable Logic Device)完成對各個(gè)關(guān)節(jié)控制量的檢測以及凌陽61單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語音控制功能。

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、被控對象和檢測反饋四個(gè)部分構(gòu)成?？刂撇糠种饕蒀8051f020完成；驅(qū)動部分由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成；被控對象即是六自由的假肢；檢測反饋部分主要由CPLD檢測目標(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音控制兩種控制方式。

圖1 假肢結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.1 按鍵控制

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

圖2 假肢控制器原理框圖

表1 各個(gè)按鍵對應(yīng)控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動

2.1.2 語音控制

語音識別模塊由SPCE061A單片機(jī)完成。首先，對各個(gè)命令進(jìn)行訓(xùn)練，并將訓(xùn)練結(jié)果保存下來。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)SPCE061A單片機(jī)識別出某條命令時(shí)，它會通過串口給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[2]。例如：當(dāng)SPCE061A識別出“手指張開”命令時(shí)，將會通過串口發(fā)送如“0x10”的十六進(jìn)制的數(shù)，當(dāng)C8051F020通過串口接收到“0x10”后，就會控制手指做張開運(yùn)動。其他關(guān)節(jié)控制亦如此。其語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信號輸出子程序、鍵盤控制子程序、通信子程序、語音識別系統(tǒng)、CPLD檢測編碼器輸出子程序。

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：按鍵方式和語音方式；之后選擇示教3個(gè)位置，并通過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)是手動運(yùn)動到示教的目標(biāo)或是自動運(yùn)動到示教的目標(biāo)位置，至此即可完成對目標(biāo)位置的物體的抓取功能[3]。

3.2 CPLD檢測編碼器設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)流程圖

由系統(tǒng)流程圖可以看出，對各個(gè)示教位置的各個(gè)關(guān)節(jié)控制量的檢測與保存由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)過的角度，A、B的相位關(guān)系反映主軸的旋轉(zhuǎn)方向。語音輸入為了檢測上述兩預(yù)加重端點(diǎn)檢測個(gè)變量即主軸轉(zhuǎn)過的角度和主軸旋轉(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)過的角度，即出現(xiàn)一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換就是主軸轉(zhuǎn)過1°[4]。由旋轉(zhuǎn)編碼器的特性設(shè)計(jì)的CPLD的檢測系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 CPLD系統(tǒng)框圖

3.3 語音識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語音識別是使假肢能夠準(zhǔn)確地聽出操作者的語音內(nèi)容，并能準(zhǔn)確完成操作者的命令。本系統(tǒng)只針對特定人進(jìn)行訓(xùn)練，并且只能對特定人的語音進(jìn)行識別。主要由凌陽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，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的控制調(diào)試。在調(diào)試過程中，各個(gè)關(guān)節(jié)都可以運(yùn)動自如，并且每個(gè)按鍵對應(yīng)的控制都是完全正確的。按鍵在按下的過程中會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，為此，在程序的設(shè)計(jì)過程中通過延時(shí)程序進(jìn)行了消抖。在語音控制模塊中，由于采用的是兩級命令控制，即如圖3所示控制形式。語音系統(tǒng)經(jīng)過多次訓(xùn)練，對特定人的語音識別率達(dá)到了96%以上，辨識率很高。但只是針對特定的人進(jìn)行試驗(yàn)。如果對其他人的語音信號進(jìn)行識別還會存在誤差，會出現(xiàn)個(gè)別誤操作。但這種誤差是可以控制的。只要對特定的人進(jìn)行訓(xùn)練，并由被訓(xùn)練人來控制設(shè)備，即可以避免由于控制者與語音錄入者不同而給系統(tǒng)帶來的控制誤差。

圖6 語音識別系統(tǒng)框圖

該控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以人為自由地進(jìn)行手動控制假肢做相應(yīng)的活動，或者運(yùn)用佩戴者的語音實(shí)現(xiàn)語音智能化控制假肢做相應(yīng)的運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法和控制都簡單，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(前提是針對只失去一只臂膀的用戶)，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)語音控制裝置，使用語音進(jìn)行控制。

[1]萬光毅,孫九安,蔡建平.SoC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐與應(yīng)用設(shè)計(jì)—基于C8051F020系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006．

[2]盧勝利．基于凌陽SPCE061A設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006．

[3]李長有,武學(xué)東．基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007(9-2):120-122．

[4]應(yīng)卓瑜,梁堅(jiān),邵亮,等.基于CPLD的辨向細(xì)分電路設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005,18(1)：143-145．