基于FPGA 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，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

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［1，2］，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［3］，Tokyo Hand［4］，Vanderbilt Hand［5］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［6］，DARPA hand［7］;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［8］，BeBionic Hand［9］。

HIT IV 代假手控制系统［10］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Fig 1 Function block diagram of electrical system

2.1 FPGA 主控芯片模块设计

FPGA 主控芯片模块采用Altera 公司Cyclone Ⅲ系FPGA 芯片EP3C25F25617 作为控制核心，负责肌电信号和多种传感器信号的处理、与手指电路的通信、USB 通信、CAN通信接口等功能。同时，主控芯片模块还负责大拇指内旋/外展自由度驱动电机的控制。各个功能通过VHDL 语言进行编写，FPGA 中嵌入双NIOS 核构成双核处理器，其中一个NIOS 核用于肌电信号处理，另一个NIOS 核用于通信;双核通过2M 的EEPROM 进行通信。FPGA 功能框图如图2。

图2 FPGA 功能框图Fig 2 Function block diagram of FPGA

RS—485 通信通过在NIOS 核内自定义元件AutoSCI 控制RS—485 收发接口芯片MAX3362 实现。MAX3362 收发芯片可通过3.3 V 低压实现高速数据传送。CAN 与LVDS通信采用复用电路设计(图3)，通过更换接收发送接口芯片完成功能转换。CAN 通信采用TI 公司的CAN 收发器SN65HVD230QD 作为接口芯片。LVDS 通信采用TI 公司的半双工LVDS 收发接口芯片SN65LVDM176，构成PPSeCo高速串行通信系统与PCI 控制卡通信，通信速率可达25 Mbps，保证控制信息与传感器信息传送的及时性。

图3 CAN 通信/LVDS 通信复用电路Fig 3 Circuits of CAN or LVDS communication multi－plexer

拇指内旋/外展自由度驱动电机由NIOS 核中自定义元件PWM 控制。元件功能通过VHDL 语言编写，PWM 波周期和占空比均可调。电机驱动芯片采用MPC17531A，其内部集成双H 桥，可直接控制直流有刷电机。

2.2 手指运动控制模块设计

五根手指的运动控制模块采用相同的设计方案，增强系统的互换性与通用性。该模块由DSP 作为控制核心，直流有刷电机驱动芯片MPC17531A 作为电机驱动芯片，负责手指电机的驱动，力矩传感器、位置传感器、电机电流传感器信号的采集与处理，以及与触觉传感器系统的通信，最后各项数据通过RS—485 通信接口与主控芯片模块通信。控制模块如图4。

图4 手指运动控制模块功能框图Fig 4 Function block diagram of finger motion control module

该模块采用的DSP TMS320F28027 运行速率高，封装小。内部集成的16 通道12 位A/D 转换器可实现对力矩、位置、电机电流信号的采样。串行异步通信接口通过RS—485 收发接口芯片实现与主控芯片模块通信。EPWM 模块可直接控制直流有刷电机驱动芯片MPC17531A。

如图5，关节力矩传感器信号采集系统包括力矩传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D 转换电路。力矩传感器基于应变原理，采用仪表放大器INA337 组成半桥电路对力矩信号进行放大后通过RC 滤波电路进入A/D 转换芯片。

图5 力矩传感器信号采集系统Fig 5 Signal acquisition system of torque sensor

如图6，关节位置传感器信号采集系统包括位置传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D 转换电路。位置传感器基于旋转电位器原理，采用集成运放MAX9618 对电位器信号进行放大后通过RC 滤波电路进入A/D 转换芯片。

一、惊天动地；二、山姆大叔；三、雷厉风行；四、蔡福；五、五子登科；六、云海玉弓缘；七、特富龙；八、李云在；九、八公山；十、居里夫人；十一、天王送子图；十二、陈中。

图6 位置传感器信号采集系统Fig 6 Signal acquisition system of position sensor

2.3 肌电信号采集模块设计

肌电信号采集模块用来采集肌电电极的信号以及对信号的滤波和D/A 转换后存储在CPU 中，包括RC 电路组成的滤波电路、D/A 转换电路和电压转换电路。数字信号通过电压转换芯片转换为3.3 V 电压，通过SPI 接口输入到CPU 中央处理器。

2.4 电池管理系统模块设计

电池管理模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路、LED 显示电路。电流传感器实时监测电池输出电流大小，通过LED 显示电路和蜂鸣器电路显示充电状态和电池电量过低报警。

3 软件实现

在FPGA 控制器程序设计中主要完成各系统参数的初始化与控制算法的实现，具体由如下几部分构成:

1)与上位机通信部分:通过3 种方式与上位机通信，获得控制指令，分别为USB 通信、LVDS 通信、CAN 通信，其中LVDS 通信与CAN 通信不能同时使用;

2)肌电信号采集部分:通过A/D 转换芯片将肌电电极信号转换为数字量，并经过运算处理得到控制指令;

3)与手指运动控制模块通信部分:通过SCI 接口实现与手指运动控制模块的RS—485 通信;

控制流程图如图7 所示。

图7 FPGA 控制流程图Fig 7 Flow chart of FPGA control

DSP 控制程序主要完成DSP 各参数的初始化，控制流程图如图8。

图8 DSP 控制流程图Fig 8 Flow chart of DSP control

4 假手抓取实验

基于上述设计，研制出HIT V 假手样机，进行抓取实验(图9)，可实现多种动作模式的抓取，分别为:两指捏取、三指捏取、圆柱抓取、球形抓取、单指指向、胡克抓取、侧边捏取、五指端取。控制过程中，系统工作稳定，满足仿人假手运动控制和传感器信息采集要求。

图9 多指抓取实验Fig 9 Grasping experiment of multi－finger

5 结 论

本文介绍了结合FPGA 与DSP 的仿人假手控制系统的设计组成与工作流程。该控制系统体积小巧，可完全安装于假手内部。实验证明:该系统运行可靠、控制灵活，使用效果良好。

［1］ Arieta A H，Yokoi H，Arai T，et al.FES as biofeedback for an EMG controlled prosthetic hand［C］∥IEEE Region 10 Annual International Conference，2007.

［2］ Yoshida M，Sasaki Y.Sensory feedback system for prosthetic hand by using interferential current［R］.Kyoto:Annual Reports of the Research Reactor Institute，Kyoto University，2001:1431-1432.

［3］ Zollo L，Roccella S，Guglielmelli E，et al.Biomechatronic design and control of an anthropomorphic artificial hand for prosthetic and robotic applications［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2007，12(4):418-429.

［4］ Arieta A H，Katoh R，Yokoi H，et al.Development of a multi-DOF electromyography prosthetic system using the adaptive joint me-chanism［J］.ABBI，2006，3(2):1-10.

［5］ Dalley S A，Varol H A，Goldfarb M.A method for the control of multigrasp myoelectric prosthetic hands［J］.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2012，20(1):58-67.

［6］ Antfolk C，Cipriani C，Controzzi M.Using EMG for real-time prediction of joint angles to control a prosthetic hand equipped with a sensory feedback system［J］.Journal of Medical and Biological Engineering，2010，30(6):399-406.

［7］ Weir R，Mitchell M，Clark S，et al.New multifunctional prosthetic arm and hand systems［C］∥Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology，2007:4359-4360.

［8］ Touch Bionics.I-limb hand brochure［M/OL］.［2012—03—31］http:∥www.touchBionics.com/document-library.

［9］ Rslsteeper.Bebionic product brochure［M/OL］.［2012—03—31］http:∥bebionic.com/latest_news/download_the_bebionic_product_brochure.

［10］赵位桦，姜 力，赵大威.基于DSP 的多自由度假手电气控制系统的研究［J］.传感器与微系统，2008，27(1):118-120.