基于CMOS芯片的協(xié)同肢體康復器控制器硬件設計與開發(fā)

郭杰

(西安航空學院 計算機學院，陜西 西安 710078)

0 引言

雖然國內(nèi)在多功能康復設備機械結(jié)構的研究方面取得了豐碩的成果，但在運動控制器及其相關控制算法研究方面仍與國外存在較大的差距[1-3]。運動控制器過高的研發(fā)成本以及控制技術研究的不足，導致國內(nèi)主流的康復訓練系統(tǒng)依舊從國外引進，成本較高且技術保密，這限制國內(nèi)施力器控制系統(tǒng)成本的降低和核心技術的掌握。針對這一現(xiàn)狀，需要對控制器的軟硬件架構進行深入研究，在實現(xiàn)施力器多訓練模式控制的同時降低控制器的研發(fā)、使用和升級成本，以便在未來實現(xiàn)控制器通用化和產(chǎn)品化[4-6]。

人體下肢的肌肉骨骼生物系統(tǒng)是一個復雜的結(jié)構，人體的下肢骨骼結(jié)構由盆骨、大腿骨骼(股骨)、小腿骨骼(脛骨和腓骨)等組成，盆骨與股骨構成骸關節(jié)，股骨與胚骨、腓骨構成膝關節(jié)，小腿骨豁和足部骨豁構成躁關節(jié)[7-9]，雙腿關節(jié)的閉口肌和張口肌等力量存在明顯差異，單出軸設計無法根據(jù)左右腿部實際的差異進行科學化訓練處方配置，故若能將雙腿分開控制，將會取得更好的訓練效果，即對二代設備協(xié)同控制方法的研究具有很高的價值[10-12]。

目前，康復設備功能朝向多樣化發(fā)展，要求設備實現(xiàn)的訓練功能更多且集成度要求更高，則需要更加巧妙的機械結(jié)構設計以及多軸協(xié)調(diào)運動控制。針對設備功能多樣化的發(fā)展需求，以便于將來功能拓展，本文設計了多軸控制器，并完成了硬件電路的開發(fā)。

1 結(jié)構設計

康復設備的種類和功能多樣化成為了將來的發(fā)展趨勢，對腿部多種模式康復訓練的控制策略進行了深入的研究，如圖1為開發(fā)的第一代設備，針對該設備開發(fā)多模式控制算法?？紤]到雙腿的肌力水平不同，本次控制器的設計需要滿足兩路交流伺服電機和兩路直流電機的控制，以便在將來二代康復設備上實現(xiàn)雙腿獨立控制。通過雙施力器進行協(xié)同控制將會取得更加科學、高效的訓練效果。

施力器結(jié)構設計如圖1所示。主要由“伺服電機+傳動機構+施力臂”組成，該結(jié)構采用集約化的設計思想，集成度高、功能完善，且座椅、施力臂電控可調(diào)化的設計，滿足不同使用者的實際需求。整套設備采用的基本方案如下。

1-支撐底板；2-支撐框架；3-伺服電機；4-行星減速器；5-靜扭傳感器；6-換向器；7-輸出軸連接桿；8-施力臂調(diào)節(jié)部件；9-推桿電機；10-座椅坐墊；11-座椅前后調(diào)節(jié)部件；12-推桿電機2；13-座椅上下調(diào)節(jié)支撐桿；14-施力臂

交流伺服電機+行星減速器+靜扭傳感器+施力臂輸出軸。本結(jié)構具有傳動效率高、剛性強度大、體積緊湊、運行平穩(wěn)等優(yōu)點；力臂調(diào)節(jié)部件主要由連桿、推桿電機、施力臂3部分組成，通過調(diào)節(jié)推桿長度實現(xiàn)力臂角度旋轉(zhuǎn)變換；座椅調(diào)節(jié)機構中，水平、豎直方向通過推桿電機實現(xiàn)座椅在滑槽中前后、上下移動調(diào)節(jié)。

2 控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構

為了滿足施力器將來的功能拓展需求，本論文設計了性能良好、通用性強、開發(fā)性好的控制器，其硬件共由8個電路單元模塊組成，各個模塊的相關芯片和元器件選型如表1所示。

表1 系統(tǒng)各模塊硬件設計

3 控制器硬件電路設計

3.1 CMOS芯片選型

考慮到訓練時需要保證操作者的安全性，即運動控制過程必須快速響應和有良好的實時性，故對芯片的選型尤為重要。CMOS系列芯片由于其集成度高、可靠性好被廣泛認可，本文選用芯片為ARM公司下CMOSLDO50，具體參數(shù)如下。

內(nèi) 核：Cortex-M4

存儲資源：192KBRAM 1024KBFLASH

工作頻率：168MHZ

接口類型：1×SDIO接口；1×FSMC接口；1×ETH接口；140×IO口定時器；2×基本定時器；10×通用定時器；2×高級定時器調(diào)試下載：支持JTAG/SWD接口的調(diào)試下載，支持IAP

CMOS處理器及其外圍電路設計框如圖2所示。

圖2 CMOS處理器及外圍接口設計

3.2 電源接口模塊

在設計控制器電源模塊硬件電路時，需要考慮到實際應用，針對課題中實際控制中需要接入24 V的接近開關及若干12 V、5 V工作電壓的傳感器等設備，故需要在控制器設計時預留相應的供電接口，使其可以滿足多功能開發(fā)要求。

如圖3所示，ARM系列芯片外圍電路常用供電電壓為5 V和3.3 V，本文采用DC-DC芯片LM2596S-5.0和LD117-3.3 V分別實現(xiàn)24 V-5 V和5 V-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換工作。其最大輸出電流分別可達2A和1A，具有限流保護和過熱保護功能，通過其輸出作為CMOS芯片主供電源。D6是SMAJ5.0A的瞬態(tài)電壓抑制二極管，可避免由于外部供電電壓不穩(wěn)定，導致開發(fā)板無法正常工作，亦可防止由于外部電源接反導致開發(fā)板被燒毀。在外部電源輸入前端加入一個EMI濾波器，很大程度上減小了電源的共模噪聲，以此可降低電源雜波對控制器的干擾，如圖3所示。

圖3 5 V和3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路

3.3 多軸輸出控制接口模塊

本文所設計的控制器須具備多電機接口設計，且在電機硬件接口電路設計時要考慮到其可靠性和穩(wěn)定性。CMOSF407的I/O口輸出脈沖不可以直接用來控制電機，須對其信號進行隔離與整形處理。本設計預留4路電機接口，其中方向與使能輸出通過普通光耦PC817進行隔離，脈沖通過高速光耦HCPL-2630/2631隔離輸出，該芯片的傳輸速度高達10 MB/s，可以輸出高速脈沖來滿足控制電機的要求。在使用時，這里將其配置為推挽輸出模式，將電機接口設計為共陽極模式，即PUL+、DIR+和EN+直接短接到+5 V，對應負極與光耦輸出相接，多電機控制接口設計電路如圖4所示。

圖4 電機輸出接口電路設計

本控制器需要采集兩路交流伺服電機的位置信息反饋，CMOSF407芯片的高級定時器具有可編程死區(qū)互補的輸出功能，因而非常適用于伺服電機的控制應用。本控制器預留了2個編碼器接口，在設計中選用增強型的高速CMOS接收器DS26LV32對編碼器信號進行處理。雖然只是預留了2個專用接口，但編碼器接口實際上只用到了定時器功能，所設計的控制器可支持多路編碼器接口擴展。接口電路設計如圖5所示。

圖5 編碼器接口電路設計

3.4 模擬量接口模塊

考慮到實際使用以及將來功能拓展需求，設計了6路模擬量輸入接口，用于接收外部傳感器(扭矩傳感器等)的模擬信號，用于扭矩采集、保護等。本設計模擬量接口均通過芯片自帶的ADC/DAC資源來實現(xiàn)。模擬量模塊需要單獨供電，考慮到所接扭矩傳感器模擬量輸出為0-5 V，而CMOSF407的模擬量模塊最大輸入電壓為3.3 V，故本文設計了分壓電路對其處理，通過電阻R54、R52雙電阻進行降壓處理。對于模擬量輸出模塊，通過引入3.3 V的參考電壓Vref，進而實現(xiàn)3.3 V內(nèi)電壓值輸出。而在實際常要用到的電壓值為0-10 V，為了保證模擬量輸出具有一定的驅(qū)動能力，引入了LM358構成的運放電路，通過改變R59和R61便可實現(xiàn)電壓放大，接口電路如圖6所示。

(a)分壓采集電路

3.5 數(shù)字量接口模塊

多軸控制器設計了16路輸入和10路輸出接口，用于接收外部傳感器(限位開關、接近開關等)的數(shù)字信號。在輸入輸出接口均使用光耦IS2801-4進行隔離。CMOSF407芯片的GPIO口可以配置為多種工作模式，輸入接口可以配置為輸入浮空，輸入上拉，輸入下拉和模擬輸入，數(shù)字量輸出可配置為開漏復用功能、開漏輸出、推挽輸出和推挽式復用4種。本文將輸入接口配置為上拉模式，輸出接口配置為推挽輸出模式，接口電路如圖7所示。在數(shù)字量輸入接口，可兼容24 V和12 V電壓輸入，在數(shù)字量輸出端通過EXVCC上拉電壓，可以提供高低電平輸出。

(a)數(shù)字量輸入接口電路設計

3.6 控制器電磁兼容設計

實踐證明，原理圖設計即使正確，但若PCB板設計不規(guī)范，也會無法正常使用，例如電源線與信號線過近、數(shù)字地與模擬地混合使用，元器件位置排放不當均會造成干擾，引起多軸電機控制不精確，因此硬件電路板布線是一個非常重要的步驟。為了保障控制器使用時的安全性問題，結(jié)合康復醫(yī)療設備使用的場合，必須要提高控制器的抗干擾能力，電磁兼容性是指設備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運行且可以不受外界干擾的能力。因此需要滿足該控制器抗干擾高且不對其他電子設備產(chǎn)生干擾。在本文硬件電路板設計過程采用了以下可靠性措施。

(1)接地技術。將數(shù)字地與模擬地分開，布線應遵循相應的規(guī)則，對部分重要的電源線、信號線加以處理，如加粗接地線，可提高抗噪能力。

(2)屏蔽技術。在PCB電路設計時對多軸接口模塊進行屏蔽處理，提高抗干擾能力。

(3)隔離技術。通過使用光耦和運放元件對模擬輸入、輸出信號進行了隔離。

(4)濾波技術。濾波是為了有效地去除噪聲干擾，在電路設計中對所有芯片的電源均連接小容量無極性電容器，起到去耦的作用。

合適的布局以及合理的走線，并設計出可靠性的控制板，在實際使用中才是可靠的。

4 總結(jié)

本文首先對研究對象施力器結(jié)構進行了介紹，完成了硬件控制系統(tǒng)結(jié)構設計。對硬件控制結(jié)構模塊化處理，詳細地介紹了所設計電路各個模塊的功能和芯片選型，然后以ARM處理器CMOSLDO50為核心，對每個模塊進行了電路設計，根據(jù)硬件電路布線的相關規(guī)則，完成了穩(wěn)定可靠的控制器硬件設計。