專利名稱：一種基于pci1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電控系統(tǒng)，特別涉及ー種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。
背景技術(shù)：
人體肢體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和模擬具有極大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值，假肢的設(shè)計(jì)與控制不僅僅能夠造福于肢體殘疾人，更是ー個(gè)國(guó)家運(yùn)動(dòng)學(xué)、生命科學(xué)、自動(dòng)控制等實(shí)カ的集中體現(xiàn)。因而成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的假肢設(shè)計(jì)最先進(jìn)的技術(shù)是將神經(jīng)元傳導(dǎo)的生物電信號(hào)通過收集器轉(zhuǎn)化為機(jī)械可以識(shí)別的電信號(hào)，再通過機(jī)械操控假肢的移動(dòng)。由于神經(jīng)元傳導(dǎo)的生物電信號(hào)的復(fù) 雜度高，導(dǎo)致現(xiàn)有此方面的研究仍處于探索階段，還不能應(yīng)用于人們的日常生活。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)解決方案一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，還包括ー個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接ロ連接步進(jìn)電機(jī)。本實(shí)用新型的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，越過復(fù)雜的神經(jīng)生物信號(hào)的處理和連接，采用純機(jī)械和電子信號(hào)檢測(cè)將人在活動(dòng)中大腿的動(dòng)作識(shí)別分析，并通過電機(jī)控制系統(tǒng)給動(dòng)力裝置發(fā)出命令，操控假肢“小腿”的運(yùn)動(dòng)，高仿真地模擬出人走路、跑步、上下樓梯等基本動(dòng)作的腿部正常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使實(shí)驗(yàn)者與正常人一樣可以自由的走動(dòng)，能夠根據(jù)已建立的運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)有效的控制假肢步態(tài)行為。實(shí)驗(yàn)證明，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度可在-70° +15°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，角度分辨率達(dá)到O. 04度。

圖I是試驗(yàn)用假肢結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖3是基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器的硬件接線圖；圖4是通過控制的假肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)圖，其中，(a)圖是模擬大腿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，(b)圖是控制小腿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，(C)圖是大小腿運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
為滿足下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型研究的需要，申請(qǐng)人以人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了分層式結(jié)構(gòu)的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，還包括一個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接ロ連接步進(jìn)電機(jī)(圖2)。通過測(cè)試驗(yàn)證了該假肢關(guān)節(jié)控制器的合理與有效性。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步態(tài)逼真、成本低廉，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。以下是主要的制備過程。I、整體構(gòu)架本實(shí)施例應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的假肢(如圖I)作為被控對(duì)象。該假肢由大腿I、小腿2和腳3組成，結(jié)構(gòu)尺寸完全按照人體肢體比例等比縮小制作，即大腿I的長(zhǎng)度O. 212m,小腿2的長(zhǎng)度O. 254m，腳3的長(zhǎng)度為O. 143m,高度為O. 039m，假肢中包含三個(gè)電機(jī)(圖中的標(biāo)號(hào)4)，分別位于大腿I的上方、大腿I和小腿2的連接處，小腿2和腳3的連接處。 PC機(jī)通過Lab VIEW編寫的程序?qū)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡下達(dá)指令，并確定肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。PCI1020接受運(yùn)動(dòng)控制卡PC機(jī)的指令，并將指令轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)步態(tài)的電機(jī)控制信號(hào)，進(jìn)而分解為驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)鐘脈沖，發(fā)送給各個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖，完成對(duì)關(guān)節(jié)的控制，達(dá)到控制假肢運(yùn)動(dòng)的目的。I. I.控制方式人體假肢的控制系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)計(jì)算和聯(lián)動(dòng)處理，控制大小腿的角度、角速度、角加速度等多種參量，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)運(yùn)算，同時(shí)處理多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，還需要一定的擴(kuò)展功能，因此選用PCI1020作為主控制器。PCI1020是基于PC總線的以MCX314As作為核心處理器和PCI9052作為通信芯片的開放式運(yùn)動(dòng)控制器，將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制芯片的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，因此這種基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器必將成為運(yùn)動(dòng)控制的主流器件。MCX314AS是單ー芯片且可控制4軸的脈沖序列輸入伺服馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，可以進(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、速度控制，另ー方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進(jìn)行圓弧、直線、位方式插補(bǔ)。MCX314AS運(yùn)動(dòng)控制芯片能與8/16位數(shù)據(jù)總線接ロ，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、位元3種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率達(dá)4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線性、非対稱S曲線加/減控制、非対稱梯形加/減速控制方式，并有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。另外，MCX314AS較MCX314新増加了自動(dòng)搜尋原位、輸入信號(hào)濾波器、同步動(dòng)作、輸出脈沖32位、圓弧/直線插補(bǔ)脈沖范圍32位、完全S曲線加減速的非対稱、手動(dòng)設(shè)定模式、位置計(jì)算器的可變環(huán)形、Z相輸入的實(shí)位計(jì)數(shù)器的清除、實(shí)位計(jì)數(shù)器的增減反轉(zhuǎn)等功能。I. 2.通信方式PCI總線是局部總線，是來自處理器的延伸線路，與處理器同步操作。外部設(shè)備如果直接掛在局部總線上，就可與高速地CPU總線相匹配，從而打破了數(shù)據(jù)I/O地瓶頸，外設(shè)能以CPU的速度運(yùn)行，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。由于局部總線有極高的數(shù)據(jù)傳輸率，因此在CPU與高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)、CPU與高速圖形卡等需要高速傳輸信息的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。從1993年P(guān)CI局部總線標(biāo)準(zhǔn)推出到現(xiàn)在，PCI總線以其優(yōu)異的性能逐步取代了 ISA、EISA等總線，成為了當(dāng)今總線發(fā)展的主流。PCI9052是PLX公司繼PCI9050之后新推出的，可用于低成本適配器的總線目標(biāo)接ロ芯片。PCI9052與PCI9050 —祥，可提供用于適配卡的小型高性能PCI總線目標(biāo)(從屬)接ロ，以使ISA適配器可以迅速、低成本地轉(zhuǎn)換到PCI總線上。采用PCI9052可使適配卡上的I/O數(shù)據(jù)傳送速度從ISA總線的8MHz提高到PCI的33MHz。PCI9052能被編程去直接連接復(fù)用或非復(fù)用的8位、16位或32位局部總線。8位和16位模式也能容易地轉(zhuǎn)換成ISA轉(zhuǎn)PCI的設(shè)計(jì)。PCI9052包含讀和寫FIFO，用來將32位寬33MHz的PCI總線與有可能總線寬度要窄或慢的局部總線的速度進(jìn)行匹配。最大5個(gè)局部地址空間和4個(gè)片選被支持。2.硬件連接基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器的硬件接線圖如3所示，各硬件型號(hào)參數(shù)如表1，針對(duì)此次電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要著重考慮電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的質(zhì)量以及設(shè)計(jì)的大、小腿長(zhǎng)度的匹配。鑒于膝關(guān)節(jié)電機(jī)需要帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)的電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，由公式(M=F*L)得膝關(guān)節(jié)的靜カ矩的計(jì)算，需要知道踝關(guān)節(jié)電機(jī)的質(zhì)量和小腿的長(zhǎng)度，同理大腿電機(jī)需要帶動(dòng)大腿、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，需要通過踝關(guān)節(jié)的質(zhì)量、小腿長(zhǎng)度、膝關(guān)節(jié)的質(zhì)量、大腿長(zhǎng)度來進(jìn)行確定大腿電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩。由圖I給出的大小腿長(zhǎng)度和公式進(jìn)行電機(jī)的匹配，經(jīng)過精密計(jì)算并留下一定余量，保證驅(qū)動(dòng)假肢的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，而不產(chǎn)生過多功率損耗，選擇電機(jī)型號(hào)和參數(shù)如表I。驅(qū)動(dòng)器的選取，根據(jù)各個(gè)電機(jī)相電流的需求來確定選取相電流可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而根據(jù)相電壓、相電流確定功率，來選取電源。表I :硬件選擇參數(shù)
權(quán)利要求1.一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，還包括一個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接口連接步進(jìn)電機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，還包括一個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接口連接步進(jìn)電機(jī)。越過復(fù)雜的神經(jīng)生物信號(hào)的處理和連接，采用純機(jī)械和電子信號(hào)檢測(cè)將人在活動(dòng)中大腿的動(dòng)作識(shí)別分析，并通過電機(jī)控制系統(tǒng)給動(dòng)力裝置發(fā)出命令，操控假肢“小腿”的運(yùn)動(dòng)，高仿真地模擬出人走路、跑步、上下樓梯等基本動(dòng)作的腿部正常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使實(shí)驗(yàn)者與正常人一樣可以自由的走動(dòng)，能夠根據(jù)已建立的運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)有效的控制假肢步態(tài)行為。實(shí)驗(yàn)證明，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度可在-70°～+15°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，角度分辨率達(dá)到0.04度。
文檔編號(hào)A61F2/70GK202605059SQ201220167958
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者鄧周虎, 張軍, 黨丹珩, 劉誠(chéng) 申請(qǐng)人:西北大學(xué)