康复机械手嵌入式系统设计与实现

论文摘要

康复机械手是一种帮助手外伤患者迅速康复的医疗机器人,依据是现代循证医学（Evidence Based Medicine,简称EBM）和连续被动理论（Contin-uous Passive Motion,简称CPM）,对手外伤患者进行连续被动运动训练有利于手指功能康复,这项研究已经成为生物医学工程及机器人学科的一个热点方向。结构仿生、重量轻、体积小、可靠性高、控制简单和操作灵活方便是多自由度康复机械手的发展趋势。作者研究了国内外嵌入式系统的发展现状,依据嵌入式设计方法,比较各种嵌入式微处理器的性能,围绕嵌入式微处理器选择合适的嵌入式操作系统,以康复机械手设计指标为依据,设计制作了满足康复机械手功能需求的嵌入式控制系统。本文首先阐述了康复机械手各个子系统的基本结构和功能,主要包括机械本体,采集手指位置、力矩信号的传感器系统以及基于ARM、FPGA和DSP的电气系统。其次,根据直流电机PWM（Pulse Width Modulation）控制原理,设计制作了基于FPGA的直流电机驱动器。驱动器包括微型驱动模块、运动控制模块、传感器信号采集模块。FPGA作为驱动器的核心器件,主要负责产生控制电机的PWM信号,采集传感器信息并把信息通过LVDS（Low Volt-age Differential Signaling）方式上传给嵌入式控制器。再次,设计制作了基于ARM和DSP的异构双处理器构成系统的嵌入式控制器。该控制器由以ARM为核心的人机交互模块和以DSP为核心的实时任务处理模块组成,这样控制器既可以进行人机交互通讯的多任务处理,又可以对康复机械手的运动实时控制处理。ARM与DSP双核通过HPI总线通讯。最后,完成了嵌入式控制器的软件设计开发。软件设计包括Linux下设备的驱动程序设计,Linux操作系统的编译和移植和基于MiniGUI的图形用户界面的编写。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 手指康复CPM机研究现状
• 1.2.1 电机驱动器的发展
• 1.2.2 传感器系统研究现状
• 1.2.3 嵌入式控制系统概述
• 1.3 本课题的来源及研究的目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 康复机械手的系统结构
• 2.1 引言
• 2.2 康复机械手的机械本体
• 2.3 传感器系统
• 2.4 电气系统
• 2.4.1 整体方案
• 2.4.2 底层控制系统
• 2.4.3 顶层控制系统
• 2.5 本章小结
• 第3章 康复机械手驱动器的设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 电机驱动系统设计
• 3.2.1 直流电机PWM控制原理
• 3.2.2 FPGA实现PWM控制机理
• 3.2.3 驱动电路的设计
• 3.3 运动控制器硬件设计
• 3.3.1 FPGA简介
• 3.3.2 基于FPGA的运动控制器的电路设计
• 3.4 传感器系统设计
• 3.4.1 力矩传感器设计
• 3.4.2 位置传感器设计
• 3.4.3 电机编码器信号处理电路设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 康复机械手嵌入式控制器的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 嵌入式方法简介
• 4.3 嵌入式控制器的硬件电路设计
• 4.3.1 嵌入式处理器选择
• 4.3.2 基于DSP的实时处理模块设计
• 4.3.3 基于ARM的人机交互模块设计
• 4.3.4 电源管理模块设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 康复机械手嵌入式控制器的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 驱动程序开发
• 5.2.1 Linux设备驱动程序的结构和调用
• 5.2.2 LCD驱动程序的开发
• 5.3 Linux操作系统编译与移植
• 5.4 基于MiniGUI的图形用户界面开发
• 5.4.1 MiniGUI简介
• 5.4.2 图形用户界面软件设计
• 5.4.3 图形用户界面软件仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢