本發(fā)明屬于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域、嵌入式控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

康復(fù)機械手是一種幫助手外傷患者康復(fù)的醫(yī)療機器人，依據(jù)是現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)和連續(xù)被動理論，對手外傷患者進行連續(xù)被動運動訓(xùn)練有利于手指功能康復(fù)，這項研究已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工程及機器人學(xué)科的一個熱點方向。

但現(xiàn)有康復(fù)機械手體積大、控制反應(yīng)速度慢、可靠性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有康復(fù)機械手體積大、控制反應(yīng)速度慢、可靠性差的問題，提供了一種手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)。

本發(fā)明所述手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)和頂層控制系統(tǒng)；傳感器系統(tǒng)采集康復(fù)機械手的位置及手指力矩信息，該信息通過底層控制系統(tǒng)發(fā)送給頂層控制系統(tǒng)，頂層控制系統(tǒng)將指令通過底層控制系統(tǒng)下達給康復(fù)機械手。

優(yōu)選地，底層控制系統(tǒng)包括FPGA底層控制芯片及5套手指運動控制模塊，康復(fù)機械手的每個手指均由一套手指運動控制模塊對應(yīng)控制；手指運動控制模塊包括直流電機、電機驅(qū)動器和磁編碼器；

FPGA底層控制芯片接收頂層控制系統(tǒng)下達的動作指令，F(xiàn)PGA底層控制芯片將該動作指令發(fā)送給對應(yīng)的一個或多個手指運動控制模塊，手指運動控制模塊中的電機驅(qū)動器接收動作指令，電機驅(qū)動器根據(jù)該動作指令驅(qū)動直流電機運轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)直流電機帶動康復(fù)機械手手指關(guān)節(jié)完成屈伸動作；磁編碼器監(jiān)測該直流電機的角度信息，并將該角度信號反饋給FPGA底層控制芯片。

優(yōu)選地，其特征在于，傳感器系統(tǒng)包括5套手指傳感模塊，康復(fù)機械手的每個手指均配置一套手指傳感模塊，手指傳感模塊包括力矩傳感器、位置傳感器、力矩信號放大電路和位置信號放大電路；

力矩傳感器設(shè)置在手指指腹上，位置傳感器設(shè)置在手指關(guān)節(jié)上；

力矩傳感器的信號輸出端與力矩信號放大電路的輸入端相連，力矩信號放大電路的輸出端與底層控制系統(tǒng)的FPGA底層控制芯片的力矩信號輸入端相連；

位置傳感器的信號輸出端與位置信號放大電路的輸入端相連，位置信號放大電路的輸出端與底層控制系統(tǒng)的FPGA底層控制芯片的關(guān)節(jié)位置信號輸入端相連。

優(yōu)選地，力矩傳感器的彈性體作為用戶手指骨上的支架，該支架與用戶手指的趾骨固定在一起。

優(yōu)選地，力矩傳感器的彈性體由硬鋁合金LY12制成。

優(yōu)選地，位置傳感器采用基于霍爾傳感器的非接觸測量，所述霍爾傳感器采用2SA-10芯片作為霍爾元件。將薄片磁鋼與霍爾元件平行放置，并與直流電機轉(zhuǎn)動軸線保持垂直。

優(yōu)選地，頂層控制系統(tǒng)包括DSP嵌入式模塊和ARM嵌入式模塊，DSP嵌入式模塊作為主處理內(nèi)核，ARM嵌入式模塊作為多任務(wù)處理通訊核，二者構(gòu)成的異構(gòu)雙處理器共同完成頂層控制。

優(yōu)選地，還包括人機交互系統(tǒng)，頂層控制系統(tǒng)與人機交互系統(tǒng)的通訊由ARM嵌入式模塊完成。

本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明基于嵌入式系統(tǒng)的控制系統(tǒng)與人機交互平臺具有重量輕、體積小、可靠性高、控制簡單和操作靈活方便的特點，用戶可以按照康復(fù)需求隨時進行康復(fù)。系統(tǒng)由多種嵌入式芯片構(gòu)成，可分為頂層系統(tǒng)和底層系統(tǒng)。頂層系統(tǒng)的作用為與用戶進行交互，以及通過采集底層系統(tǒng)發(fā)送的信息做出判斷。FPGA作為底層控制器，主要負責(zé)產(chǎn)生控制電機的PWM信號，采集傳感器信息并把信息通過LVDS方式上傳給嵌入式控制器。頂層系統(tǒng)為基于DSP/ARM的異構(gòu)雙處理器。由于DSP具有的高性能計算處理能力，控制算法使用DSP進行處理可以使系統(tǒng)更高效運行，而不會由于計算時間的延遲造成卡頓現(xiàn)象。ARM可以掛載多種外圍設(shè)備，搭建了系統(tǒng)主體平臺，并向用戶提供了友好的交互界面。這種頂層，底層控制相結(jié)合的方式將系統(tǒng)的任務(wù)有效地分配給各種嵌入式芯片，將使更有效地實行康復(fù)機械手的控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)的總原理框圖；

圖2是本發(fā)明所述手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)的具體原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)1、底層控制系統(tǒng)2和頂層控制系統(tǒng)3；傳感器系統(tǒng)1采集康復(fù)機械手4的位置及手指力矩信息，該信息通過底層控制系統(tǒng)2發(fā)送給頂層控制系統(tǒng)3，頂層控制系統(tǒng)3將指令通過底層控制系統(tǒng)2下達給康復(fù)機械手4。

還可以進一步包括人機交互系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)包括基于MiniGUI的用戶圖形界面。

傳感器系統(tǒng)1采用力矩傳感器101的彈性體和機械本體融合在一起的方法來提取手指力矩信號,該方法減小了傳感器的安裝空間。所述手指力矩信號的傳感器的彈性體為用戶手指骨上的支架。支架與用戶的手指趾骨加以固定。當(dāng)支架發(fā)生微小形變時可以測量各手指骨上的作用力。彈性體由硬鋁合金LY12制成。

傳感器系統(tǒng)1中利用放大電路實現(xiàn)傳感器的信號的處理。電路板的尺寸是根據(jù)手指的結(jié)構(gòu)和運動范圍設(shè)計的，安裝在康復(fù)機械手的手指部分，一端與傳感器相連，另一端與基于FPGA底層控制芯片201相連。傳感器PCB的基關(guān)節(jié)位置、力矩傳感器信號處理電路全部集成在相應(yīng)的傳感器PCB上，可以處理所有傳感器信號，傳感器信號經(jīng)過調(diào)理后經(jīng)SPI接口方式的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號以SPI接口方式送入FPGA底層控制芯片201，完成傳感器信號與FPGA底層控制芯片201的通訊。

傳感器系統(tǒng)1的位置傳感器102用于測量手指位置，位置傳感器102采用基于霍爾傳感器的非接觸測量，所述霍爾傳感器中采用2SA-10芯片作為霍爾元件。將薄片磁鋼與霍爾元件平行放置，并與該手指上對應(yīng)的直流電機202轉(zhuǎn)動軸線保持垂直。

底層控制系統(tǒng)2中FPGA底層控制芯片201同時完成傳感器101、102和磁編碼器203數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)上傳時，F(xiàn)PGA底層控制芯片201將采集到的數(shù)據(jù)打包后通過LVDS發(fā)送給頂層控制系統(tǒng)3，同樣來自頂層控制系統(tǒng)3的運動指令下行發(fā)送給底層控制系統(tǒng)2，由它解包分配控制命令。FPGA底層控制芯片201完成對康復(fù)機械手的電機控制。頂層控制系統(tǒng)3負責(zé)級別比較高的控制，使用了適合密集型計算和多任務(wù)處理的異構(gòu)雙處理器構(gòu)成系統(tǒng)，使其分別承擔(dān)兩類任務(wù)，并通過一種處理器獨有的HPI總線通訊方式完成兩處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5套手指運動控制模塊的核心部分是五個直流電機202，經(jīng)減速系統(tǒng)驅(qū)動康復(fù)機械手的手指部分。電機驅(qū)動器203接收來自FPGA底層控制芯片201的控制信號，首先對信號進行光耦隔離，然后進入電機驅(qū)動器203，產(chǎn)生可控電機信號實現(xiàn)對電機的伺服控制。通過控制電機的轉(zhuǎn)速和方向來實現(xiàn)康復(fù)手指的各種模式的運動。

FPGA底層控制芯片201通過接收頂層控制系統(tǒng)3產(chǎn)生的運動指令，由FPGA底層控制芯片201轉(zhuǎn)化成電機控制所需的控制信號，如PWM、方向、制動、極限位置限位等信號。FPGA底層控制芯片201同時完成電機的磁編碼器204的編碼角度信號和來自手指處的力矩、位置傳感器的信息的處理，并且上傳給頂層控制系統(tǒng)3，從而實現(xiàn)康復(fù)機械手的位置和速度閉環(huán)控制。

頂層控制系統(tǒng)3以DSP和ARM為核心嵌入式芯片組成。DSP作為主處理內(nèi)核，以其為核心的控制模塊主要實現(xiàn)控制閉環(huán)運算、實時多任務(wù)控制的功能,外圍擴展了FPGA輔助處理器、FLASH和SDRAM存儲器,CPLD信號時序調(diào)整等模塊，由于DSP的高速計算性能故作為DSP/ARM異構(gòu)雙處理器的計算核心。ARM作為多任務(wù)處理通訊核，以其為核心的控制模塊主要實現(xiàn)人機交互通訊功能，外圍擴展了液晶屏、觸摸屏、USB、串口、以太網(wǎng)等通訊模塊，是DSP/ARM異構(gòu)雙處理器的主體平臺

人機交互平臺的軟件分為以下幾個模塊：康復(fù)訓(xùn)練模塊、信息處理模塊、娛樂模塊和幫助模塊，主界面負責(zé)全局上對各個模塊的調(diào)度和響應(yīng)，使各個模塊有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個完整的控制軟件?？祻?fù)訓(xùn)練模塊是實現(xiàn)基于FPGA運動控制系統(tǒng)與DSP/ARM異構(gòu)雙處理器的手部康復(fù)機器人嵌入式系統(tǒng)對用戶進行康復(fù)的交互模塊，通過該模塊可以完成康復(fù)運動參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)康復(fù)機械手的康復(fù)控制，為患者提供康復(fù)訓(xùn)練。信息處理模塊主要完成康復(fù)過程中的數(shù)據(jù)采集和處理。處理方式有信息轉(zhuǎn)存和打印。信息轉(zhuǎn)存實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存至flash,并從flash轉(zhuǎn)存到優(yōu)盤的功能，可以為臨床提供手功能康復(fù)的評估數(shù)據(jù)；信息打印就是直接把數(shù)據(jù)信息打印出來。此外還提供了幫助文檔，以方便用戶的操作，并附帶了一些游戲。