肢體康復(fù)系統(tǒng)中多伺服電機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前各類疾病所引起的肢體功能障礙逐年增加而醫(yī)護(hù)人力資源緊缺的情況，本文主要設(shè)計(jì)了應(yīng)用于外部肢體康復(fù)設(shè)備中的多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成與軟件程序。該系統(tǒng)主要包含電源模塊，單片機(jī)模塊，液晶顯示模塊，按鍵模塊和伺服電機(jī)單元。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序的設(shè)定和外部液晶、按鍵等人機(jī)互動(dòng)模塊的輸入，多伺服電機(jī)系統(tǒng)能依據(jù)指令控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，完成指定動(dòng)作。康復(fù)訓(xùn)練治療病人通過(guò)外部機(jī)械手臂的帶動(dòng)，完成自身力量不能完成的訓(xùn)練動(dòng)作，從而達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練治療的目的。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能較好的完成既定目標(biāo)與要求。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人均平均壽命也大大增長(zhǎng)。與此同時(shí)，各類疾病所引起的肢體功能障礙也成為中老年群體亟待解決的問(wèn)題。

應(yīng)用于肢體康復(fù)設(shè)備的多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是針對(duì)肢體功能障礙患者設(shè)計(jì)的一款電動(dòng)康復(fù)鍛煉裝置。該裝置主要由外部機(jī)械骨骼，多伺服電機(jī)控制單元，電源模塊，主控制單元，人機(jī)互動(dòng)模塊組成。其中單片機(jī)主控制單元采用Kinetis K60控制多伺服電機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而多伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂，幫助佩戴機(jī)械手臂的康復(fù)訓(xùn)練者做出預(yù)定的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。此外，其本身可記憶多種模式以及不同的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，以此簡(jiǎn)化醫(yī)務(wù)人員的相關(guān)工作，提高醫(yī)療效率?？祻?fù)訓(xùn)練者在該裝置的幫助下做被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，能大大降低康復(fù)訓(xùn)練的難度，減少不必要的人力成本。

1 多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案與分析

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)方案與分析

應(yīng)用于肢體康復(fù)設(shè)備的多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：電源模塊、矩陣鍵盤模塊、液晶顯示模塊、主控芯片模塊、伺服電機(jī)單元以及外部的機(jī)械手臂支架。其中，電源模塊負(fù)責(zé)為其余各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的工作電壓;矩陣鍵盤模塊負(fù)責(zé)外接控制指令的輸入;液晶顯示模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示;主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)按照程序指令對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制;伺服電機(jī)單元受控于單片機(jī)，其輸出量直接帶動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手臂完成指定擺臂動(dòng)作。

系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1。

1.2 單片機(jī)主控模塊

Kinetis K60是飛思卡爾公司推出的inetis單片機(jī)系列中一款基于ARMv7的體系結(jié)構(gòu)ARM Cortex—M4內(nèi)核的32位單片機(jī)。片內(nèi)資源豐富，包含了GPID模塊，EXIT外部中斷模塊，PIT定時(shí)器模塊，ADC模塊，DAC模塊，F(xiàn)TMPWM模塊，輸入捕捉模塊，DMA模塊，UART模塊以及I2C模塊。其中GPIO分為A、B、C、D、E 5個(gè)端口，每個(gè)端口包含了32位IO口資源。所有的普通IO口都可以設(shè)置外部中斷，K60包含了4個(gè)定時(shí)器中斷，兩個(gè)獨(dú)立的12位DAC模塊，兩個(gè)獨(dú)立的16位ADC模塊。FTM PWM模塊共有一個(gè)8路PWM和兩個(gè)2路PWM。

1.3 電源模塊

采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成穩(wěn)壓電路LM2576，它內(nèi)部含固定頻率振蕩器(52 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1，23 V)，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576是開(kāi)關(guān)電源，高壓差下效率高，發(fā)熱不嚴(yán)重，輸出電流大，可達(dá)3 A，但是紋波大，干擾大，電流稍微復(fù)雜，需要用到電感，7805是串聯(lián)穩(wěn)壓電源，效率差，輸入輸出壓差和電流越大，損耗越大，而且，輸出電流較小，一般在500mA左右，也有1.5 A的型號(hào)，但是紋波小，電路簡(jiǎn)單，較常用。鑒于我們采用7.2 V電池供電，所以采用輸出散熱較好的LM2576穩(wěn)壓芯片。

系統(tǒng)的正常工作要有穩(wěn)定可靠的電源保障。系統(tǒng)中需要的電壓值主要有：7 V，6 V，5 V 3種。7 V電壓主要為電池接入口處，7 V電壓經(jīng)過(guò)兩片LM2576芯片分別產(chǎn)生兩個(gè)5 V、6 V兩個(gè)不同的電壓值。5 V電壓主要用于K60單片機(jī)供電，液晶顯示模塊供電，以及為矩陣鍵盤提供參考電壓。6 V電壓主要用于為多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中的舵機(jī)供電。

最終電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.4 伺服電機(jī)模塊

選用的舵機(jī)工作電壓6 V左右。電源電壓在7.8～7.2 V之間，因此需要穩(wěn)壓片降壓。開(kāi)始選用穩(wěn)壓片LM2576將電壓穩(wěn)定在6 V，靜態(tài)測(cè)試穩(wěn)定效果很好。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在電源開(kāi)啟瞬間芯片穩(wěn)壓值會(huì)有突變，對(duì)于芯片工作以及舵機(jī)轉(zhuǎn)角造成影響，使得整體控制效果下降。測(cè)試其他幾個(gè)類型芯片均存在此類問(wèn)題，最后，決定用二極管降壓。由于二極管不存在電流干擾等問(wèn)題，而且性能較穩(wěn)定，完全能夠滿足實(shí)際要求。

舵機(jī)的控制只需要一路PWM波即可滿足要求。PWM波周期10 ms，不同占空比使舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度不同。

2 多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案與分析

2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)方案與分析

軟件運(yùn)行需要配置單片機(jī)各個(gè)模塊寄存器數(shù)值，使單片機(jī)各個(gè)模塊正常工作。初始化中包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)時(shí)鐘配置、I/O口配置、PWM模塊配置、RTI實(shí)時(shí)中斷配置、脈沖捕捉模塊配置。當(dāng)初始化完畢后，開(kāi)始檢測(cè)外部按鍵的輸入，通過(guò)判斷不同的按鍵輸入，來(lái)決定單片機(jī)執(zhí)行擺臂動(dòng)作或是舵機(jī)擺角值的加減調(diào)整。通過(guò)改變 PWM模塊內(nèi)部寄存器數(shù)值可以得到不同占空比的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

本設(shè)計(jì)分別為矩陣鍵盤按鍵定義五種不同的功能。當(dāng)按下一號(hào)鍵時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行內(nèi)部固有的舵機(jī)輸出值，多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)完成固定擺角，帶動(dòng)機(jī)械手臂完成指定動(dòng)作;當(dāng)按下二號(hào)鍵時(shí)，調(diào)整一號(hào)舵機(jī)值的擺角增大;當(dāng)按下三號(hào)鍵時(shí)，調(diào)整一號(hào)舵機(jī)值的擺角減小;當(dāng)按下四號(hào)鍵時(shí)，調(diào)整二號(hào)舵機(jī)值的擺角增大;當(dāng)按下五號(hào)鍵時(shí)，調(diào)整二號(hào)舵機(jī)值的擺角減小。主程序不斷掃描哪位按鍵被按下，依次判斷所需執(zhí)行的語(yǔ)句。

2.2 伺服電機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)與分析

伺服電機(jī)模塊的控制主要是通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)調(diào)制。在K60單片機(jī)中，脈寬調(diào)制模塊中有3個(gè)獨(dú)立的PWM模塊 FTM0，F(xiàn)TM1，F(xiàn)TM2。其中FTM0有8路獨(dú)立的可設(shè)置占空比的8位PWM通道，每個(gè)通道配有專門的計(jì)數(shù)器。該模塊有4個(gè)時(shí)鐘源，能分別控制8路信號(hào)。通過(guò)配置寄存器可設(shè)置PWM的使能與否、每個(gè)通道的工作脈沖極性、每個(gè)通道輸出的對(duì)齊方式、時(shí)鐘源以及使用方式(8個(gè)8位通道還是四個(gè)16位通道)。另外的FTM1，F(xiàn)TM2模塊各有兩個(gè)PWM通道。這3個(gè)模塊內(nèi)部的周期需保持一致，彼此間的周期可設(shè)置不同。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中相關(guān)設(shè)計(jì)是基于伺服電機(jī)特性，利用肢體康復(fù)設(shè)備這個(gè)平臺(tái)得以體現(xiàn)該設(shè)計(jì)的實(shí)際作用，本設(shè)計(jì)可使肢體康復(fù)設(shè)備正確安全的做出相應(yīng)的動(dòng)作，利用轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制擺臂方向，使肢體康復(fù)設(shè)備達(dá)到應(yīng)有的性能要求。多伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是應(yīng)用于肢體康復(fù)設(shè)備的主要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)通過(guò)模擬醫(yī)護(hù)人員的肢體恢復(fù)輔助動(dòng)作，能夠使機(jī)器手臂代替醫(yī)護(hù)人員的一部分工作，減少了醫(yī)護(hù)人員的壓力。在目前醫(yī)護(hù)人力資源緊缺的情況下，使用本系統(tǒng)對(duì)于患者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練無(wú)疑能節(jié)省大量的人力物力財(cái)力，同時(shí)擴(kuò)展了Kine ct技術(shù)的應(yīng)用，具備十分廣闊且實(shí)用的前景。