（生物医学工程专业论文）下肢康复机器人的数据采集系统设计与研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fb i o m e d i c a ls i g n a l si sa ni m p o r t a n t b r a n c h o ft h eb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，i tp r o v i d e st h ee s s e n t i a ld a t af o rb a s i c r e s e a r c ha n dc l i n i c a ld i a g n o s i s 、a n a l y s i so fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g i no r d e rt o m e e tt h ed e m a n d so ft e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo n t h er e s e a r c ha n dd e s i g na b o u ta c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mo fb i o m e d i c a l s i g n a l s t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d a n d s i g n i f i c a n c e o f r e h a b i l i t a t i v er o b o t t h em a i nt a s ko ft h er e s e a r c hi st h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mf o rl i m b sr e h a b i l i t a t i v et r a i n i n gr o b o t t h r o u g ha n a l y s i so ft h eg a i ta n dg e s t u r em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h eg e n e r a ld e s i g n i n g s c h e m eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e np r o p o s e d t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e ma b o u tl o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o ts y s t e mo fb i o m e d i c a l s i g n a l si sc o m p o s e do ft w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ep a r t m a i n l yc o n t e n to fd e s i g ni n c l u d et h es e l e c t i o no fc o n t r o l l e rc h i p ，t h em a i nc i r c u i t d e s i g n ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n ，t h ec o n d i t i o n i n g ，a m p l i f y i n g a n df i l t e r i n go fa n a l o gs i g n a l ，i n t e r f a c el e v e lc o n v e r t e r ，a dc o n v e r t i n gw h i c h a r e i m p o s e do nt h es i g n a l s ，o n l ya f t e r t h i sc a nt h e s i g n a l s e n t e rt h e c o m p u t e r c 8 0 51f 0 2 1h a sb e e nc h o s e na st h em a i nc o n t r o l l e rc h i po ft h es e r v o c o n t r o ls y s t e m t h es u p p o r tc i r c u i tf o rt h i sc h i pi st h em a i nw o r ko ft h em a i n c i r c u i td e s i g n m a x i m19 7h a sb e e nc h o s e na st h ea d c o n v e r t ec h i p t h e m a x i m19 7i n c l u d e sh i g ha c c u r a c yr e f e r e n c ev o l t a g es u p p l i e sa n dt i m ec i r c u i t i n s i d e ，w h i c hc a nd oa dc o n v e r s i o nw i t h o u to u t s i d ec i r c u i ta n dt i m ec i r c u i t c o n v e n i e n c e t h es o t t w a r ep a r tm a i n l yc o n t e n to fd e s i g ni n c l u d et h ed e a lw i t ht h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c q u i s i t i o n d a t aa n dc o n t r o lp a r t so ft h e s y s t e m d o t h e p r o g r a mo fc h i p m i c r o p r o c e s s o r ，c o l l e c td a t a ，s i g n a lc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o nb yu s i n g cl a n g u a g e a n de n s u r et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dm c u s u c c e s s f u l l y , r e a l i z et h em o n i t o r i n go fm c ub yp c i na d d i t i o n ，c a l i b r a t et h ep r e s s u r e s e n s o r , a n dd e a l 、衍ms o l ef o r c e s e r v oc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e du s i n g m a t l a b s i m u l i n ka n ds i m u l a t e db a s e do nd s p a c eh w l l ( h a r d 础一i n - l o o p ) s i m u l a t i o np l a t f o r m 嗄a t l a b i 汀wi su s e dt og e n e r a t es e r v oc o n t r o la l g o r i t h m c o d ef o rt h es y s t e mf r o mt h em o d e l t h e e x p e r i m e n t a t i o nv a l i d a t e st h a t t h es y s t e mh a sh i g h s t a b i l i t y , h i g h p r e c i s i o ni nh a r d w a r ec i r c u i t ，a n da l s oc o u l db em o n i t o r e db yp c ，n o to n l y c o n v e n i e n tb u ta l s oa c h i e v i n gg o o dr e s u l t ， ib e l i e v et h a ti th a sa i li m p o r t a n tr o l e i nt h es t u d y i n g k e y w o r d s ：b i o m e d i c a ls i g n a l s ；d a t aa c q u i s i t i o n ； a dc o n v e r s i o n ； a n t i i n t e r f e r e n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，足在导师的指导卜，l _ | 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在义中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：撕 ， 口7 日期： z 1 年5 月j 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究乍存校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程人学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复l = l j 件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保订卜牛业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：参游导师( 签字) ：孙乏? 卜 日期：硼年弓月、f 日w 刁年弓月日 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 生物医学工程学作为边缘学科，体现了新知识的综合和发展，在生物医 学研究、知识产生、转化研究、卫生保健和疾病的诊疗中扮演了许多重要角 色，对提高医学水平，促进医学科学的现代化发挥了关键性的作用。 生物医学工程的研究范围涉及到电子学、微电子学、现代计算机技术， 化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械等和医 学结合的边缘学科。其研究内容可划分为基础研究和应用研究两大领域。其 中应用研究是在基础研究的前提下，运用现代技术手段具体解决基础与临床 医学工程上提出的课题，包括研制新型医用仪器、发展新技术和探索新方法。 具体包括生物医学测量与监测技术、生物医学信息处理技术、医学成像技术、 生物医学仪器等。应用研究是医学工程研究领域中最主要的内容之一，它的 成果直接推动医疗卫生事业的发展瞳1 。 脑血管病是影响人群死亡率最高的疾病之一。在我国经过多次的努力， 目前仍是攻关的重大项目。从全球情况分析也不例外，据w h o 在1 9 7 9 年对 5 7 个国家的调查，脑血管病被列为死亡原因前三位的有4 0 个国家。在我国 的情况是：1 9 8 7 、1 9 8 8 、1 9 9 1 年城市主要死因分析表明，脑血管病为第二主 要死因原因，近年来死因顺序仍然没有改变。若以小样本调查结果进行扩大 计算，估计在我国每年有1 2 0 1 5 0 万人新患急性脑血管病，其中半数残留 严重后遗症，影响生活质量：若以新老脑卒中( 中风) 累计来推测，每年死于 脑血管病的病例数可能高达8 0 万1 0 02 - 。这样一个估计数字在整个中国的 人口基数中虽然仅占千分之一，但它对社会和家庭的经济负担以及对老年人 生活质量的影响是极其严重的口1 。 生物医学仪器的研制是生物医学工程中的一个重要的组成部分。目前， 生物医学仪器将朝着小型化、集成化、数字化、智能化以及无创伤化发展， 检测仪器既能获得病理的诊断依据，又可以实现生理的功能性测量h 1 。 随着现代科学技术的迅猛发展和医学研究、医学诊断及医学治疗的需 要，现代生物医学仪器设备已经有了相当大的提高，特别是计算机技术和图 像处理技术的高速发展，使现代化的生物医学仪器进入了以计算机为主题的 阶段引。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 研究意义 下肢康复训练的传统方法是治疗师对患者进行手把手的训练。病人部分 中枢神经受到损伤，对下肢的运动控制功能丧失，下肢通常衰弱无力，即处 于软瘫期，大约治疗一周以后，肌张力逐渐增高，出现非正常运动模式，继 续进行康复治疗，可以恢复部分或全部运动功能。在这整个过程中，病人下 肢的各种动作必须在治疗师的辅助之下才能完成。通常治疗师要握住患者的 患肢，通过各种手法辅助患者进行运动。这种训练方式存在如下一些问题，： 由于治疗师的原因，可能无法使病人达到足够的训练强度；一名治疗师只能 对一名患者进行康复训练，因此效率低较低：康复过程中，由于会受到不同 治疗师自身因素的影响，治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；不能精确 控制和记录训练参数( 运动速度、轨迹、强度等) ，不利于治疗方案的确定和 改进；不能实时记录描述康复进程的各种数据，不能向患者提供实时直观的 反馈信息，康复评价指标不够客观；无法建立训练参数和康复指标之间的对 应关系，不利于进行康复规律的深入研究。 另外，由于缺乏客观可控的手段对整个康复过程进行监控，对现有治疗 方法没有有效的办法可以进行比较和优化。可以看出，单纯依靠治疗师进行 康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。对于提高治疗效 率，有三条途径可以实现口：( 1 ) 发展基于特点( e v i d e n c e b a s e d ) 的治疗方法 ( 例如，对于单独病人采取最佳的治疗方式) ；( 2 ) 重新分配人员和任务( 例如， 尽量减少文书工作，解放最多的人投身于康复工作) ；( 3 ) 提高每个护理人员 的工作效率( 例如，给治疗师配备更好的辅助设备) 。对于改进治疗效果，则 需要更客观的评价标准的出现。然而，目前所采用的评价标准如 f i m ( f u n c t i o ni n d e p e n d e n c em e a s u r e ) 、f m ( f u g l m e y e r ) 等都是由人来主 观管理的，缺乏客观准确的数据，这就可能降低其可靠性的作用。 应用康复机器人辅助治疗的技术，有可能解决上述的问题。首先，机器 人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求；其次，可 以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案、分析数 据、优化康复内容并改进机器人的功能；再次，机器人可以客观记录康复过 程中患者受损肢体的客观数据，供治疗师分析，以评价治疗的效果；更进一 步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结 果之间的对应关系，从而有可能深入了解康复的规律。 2 堕尘篓三堡奎兰塑圭茎堡兰圣 1 3 国内外研究现状 国内机构少有涉足于康复机器人的研究，而国外的辅助康复治疗机器人 设各已有很多，所运用到的机器人检测技术和控制技术也各有不同。 1 3 1 国外康复机器人的发展概况 康复机器人技术在欧美国家许多相关机构都开展了有关的研究工作，受 到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，近年来取得了一些有价值的成果。 如美国科学家在2 0 0 0 年研制了名为m i t m a u s 的手臂康复训练机器人样机。1 ； 斯坦福大学对手臂康复训练机器人开展了研究工作，在2 0 0 0 年推出了t h e a r mg u i d e 和m i m e 型手臂康复训练机器人样机0 1 0 在下肢康复机器人方面，目 前开发比较成功的有德国弗朗霍费尔研究所研制的h a p t i c w a l k e r 和绳驱动 式康复机器人”，如图1 1 所示；瑞士h o c o m a 公司和瑞士联邦工业大学联 合研制的l o k o m a t 康复训练机器人1 ，如图1 2 所示。 除此之外，日本研制了旋转式康复机器人“2 1 和g a i t m a s t e r 康复机器人 ”，如图1 3 和图i 4 所示。德国柏林自由大学开展了腿部康复机器人的研 究，并研制了m g t 型康复机器人样机“。美国的r u t g e r s 大学开展了脚部康 复机器人的研究，并研制了r u t g e r 踝部康复训练机器人样机“”。目前已有 两种康复机器人打入了市场，也就是h a n d y1 及m a n u s ，它们都是欧洲生产 的产品。h a n d yl 有5 个自由度，可以辅助残疾人吃饭，为残疾人的生活提 供了很多方便；m a n u s 是种装在轮椅上的仿人形的手臂，它有6 或7 个自 由度，其工作范围达到了人体的活动范围。 漤i l 溪 r1 。漕 ：。_ 止o 蓝越函_ 耀d i | _ 图1 1 德国h a p t i c w a l k e r 和绳驱动式康复机器人 3 葶。 豫川， 坠! i 堡三堡查兰堡圭兰堡兰兰 图1 2 瑞士l o k o m a t 康复机器人 圈 图1 3 日本旋转式康复机器人图i 4g a i t m a s t e r 康复机器人 1 32 国内康复机器人的发展概况 我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相 对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。主要有清华大学康复工 程研究l 】心研制的基于肌电控制研制玎发的主一被动式肢体功能训练器，如 图i 5 所示：肌电反馈控制康复设备，如图1 6 所示；交替步念训练器，如 图i 7 所示。 图i 5 清华大学主一被动式肢体功能训练器 4 坠垒堡三堡奎兰堡圭兰堡竺兰 图1 8 北京宝华达和浙江金华等企业的下肢康复器械产品 1 4 数据采集系统国内外研究状况 数据采集系统被定义为广泛应用于模拟量测量的设备”，其作用是把信 号送入相应的信号处理系统或工业控制计算机等，根据不同要求进行相应的 数据处理。具体过程是采集要测的模拟量，通过适当处理将之转换成数字量， 再经过计算机分析得出所需的数据。 在欧美技术发达的国家，数据采集技术不但在工业领域，而且在航空航 天电子设备及军事等领域得到广泛应用。随着集成电路制造技术的不断发 展，涌现出高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，d a s ) t r l | 。目前该产品精度已达1 6 位，后来甚至达到2 4 位以上，其 采集速度每秒达到上百万次以上。数据采集已经成为一种专门的技术，该阶 段数据采集系统采用更先进的模块式结构，应对不同的实际要求，通过简单 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一 个新的系统n 引。 在国内，国产数据采集器在技术水平上与国外数据采集器相比尚有一定 差距。由于受国产传感器技术水平的限制，分析频率范围不宽。国内大部分 采集系统采用的都是工控机加采集板模式，体积笨重，灵活性差，不易扩展， 而且功能单一，成本较高。由于数据采集器的内存不大，造成本身的信号分 析处理能力不强，在现场只能作一些简易的诊断，精密诊断需离线到计算机 上去分析，现场精密诊断的功能较弱。配套的软件水平仍在设备维修管理和 基本频谱分析范围内，而且缺乏机器故障诊断专家系统，有些软件人机界面 不太良好。 1 5 生物医学信号主要特点及其采集处理 生物医学信号采集处理系统面向的处理对象是各类生物医学信号，主要 包括各种生理参数，如心电、脑电、肌电等生物电信号：体温、血压、呼吸、 血流量、脉搏、心音、压力、流量、力、位移等非电量信号。生物医学信号 属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然 信号。生物信号与一般工控现场的信号有很多不同。它具有如下特点训：信 号弱、干扰强、频率低。在进行生物医学仪器研制和进行生物医学信息处理 时必须时刻考虑到生物医学信号这些不同于一般工控信号的特点，以取得预 期的效果。 作为数据采集技术在生物医学工程这一领域中的实际应用的生物医学 信号采集系统。它不仅具有一般数据采集系统的结构形式，而且其设计理论 和方法也与普通数据采集系统的设计类似啪1 。 目前市场上有各种类型数据采集卡可供选用，主要有p c i 总线数据采集 板、i s a 总线数据采集板、u s b ( 通用串行总线) 数据采集板、r s 一4 8 5 远程通讯 采集模块、r s 一2 3 2 串行通讯采集模块等。但这些产品主要面向于工业控制， 用于生物医学工程领域的并不多见。这一方面与我国生物医学工程这一专业 在我国起步较晚有关，另一方面与生物医学信号的特点有关。 1 6 研究目的及研究目标 1 6 1 研究目的 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 本课题的研究目的为： ( 1 ) 帮助处于恢复期的病人完成下肢运动功能的康复，缩小他们与正常人 之间的差别，使他们能够尽快恢复健康。 ( 2 ) 把机器人技术应用于患者的康复治疗领域中去，用机器人带动患者肢 体从事各种复合动作的训练。 ( 3 ) 探索用患者自身生物信号对机器人进行有效而准确控制的途径和方 法，尽量发挥患者的自主性。 ( 4 ) 通过训练中对患者运动参数的记录和分析，建立一套数字化的定量康 复评价指标。 ( 5 ) 提高患者在康复训练中的积极性，让患者能够及时、直观的了解到自 己在康复训练中所取得的进步，提高患者参与训练的热情。 ( 6 ) 为今后的临床应用奠定基础，使机器人指导患者进行康复治疗训练成 为可能。 1 6 2 研究目标 在该下肢康复机器人数据采集系统硬件电路设计中，采取了将信号放大 模块和数据采集模块分开设计的设计方法，解决了一块板设计中不同性质信 号间的相互干扰问题，大大提高了系统的抗干扰能力。 在该系统中，作者主要负责信号放大模块和数据采集模块的研究与设计 工作。具体设计内容包括：高共模抑制比、高放大倍数及宽放大倍数范围、 高抗干扰性能的用于足底力信号的八通道生物医学模拟信号输入通道设计； 以s o c 为核心的可实现采样数据处理的微处理器系统设计；a d 转换设计； p c 机与生物数据采集板之问联系的接口电路设计；以及系统的可靠性和抗干 扰设计等。 1 7 本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面：首先，阐述了国内外康复机器人的 研究背景和意义，以及国内外康复机器入技术的发展现状，总结了目前该技 术发展的成就和存在的问题，并提出了康复机器人数据采集系统的设计背景 和设计目标。其次，对下肢康复机器人数据采集系统进行总体方案设计。然 后分别给出硬件子系统和软件子系统的设计方案，并对实现上述子系统所采 用的技术方法进行研究，列出实现过程。最后对下肢康复机器人数据采集系 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 统进行实验测试，验证所设计的软硬件是否满足要求。 本文的组织如下： ( 1 ) 下肢康复机器人数据采集系统的总体设计。根据系统的需求分析， 确定该数据采集系统的总体设计方案。 ( 2 ) 下肢康复机器人数据采集系统的硬件设计。具体介绍硬件系统的各 部分构成原理。 ( 3 ) 系统的软件设计与可靠性设计。具体介绍模数转换模块与串行通信 协议软件的实现方法。 ( 4 ) 下肢康复机器人数据采集系统的实验研究。对数据采集控制实验以 及对实验数据进行研究和分析，得出该数据采集系统的可行性结论。并且对 系统可靠性与抗干扰进行设计与实现。 8 ! 皇尘堡圭堡垒兰堡圭兰堡篁兰 第2 章数据采集系统总体设计 2 1 系统需求分析 下肢康复机器人，是对下肢具有运动障碍的患者进行主动训练的自动化 机械电子装置，它可以帮助腿部运动障碍的患者进行运动机能恢复性训练， 通过计算机自动控制患者的重心和走步状态，模拟正常人的走路状态，使患 者下肢的运动功能得到锻炼，如图2 1 所示。 图2 1 下肢康复训练机器人 陔；i 复机器人的机械部分包括步态控制机构、脚踝姿态控制机构，两个 机构坍调运动就可以模拟人的行走状态，总体机构简图如酗2 2 所示。 ( 1 ) 步态控制机构。步态控制机构能够模拟正常人的走步状态，使患者 的步态得到l 卜确的训练。如图22 所示，电机1 经过减速器2 和一级链传动 3 带动轴4 转动，在轴4 的两端有2 个曲柄5 和6 ，位置相差1 8 0 度，分别 与长卡t7 和8 构成曲柄连杆机构，在连杆上安装有2 个脚踏板1 l 和1 2 ，患 者就是站在脚踏板上进行康复训练的。当曲柄连杆机构运转起来，如果把脚 踏板看作连杆上的一个点，脚踏板运行的轨迹会是一个非标准的椭圆形，与 正常人在行走时脚的运动轨迹相吻合。 ( 2 ) 脚踝姿态控制机构。脚踝姿态控制机构的功能是调整脚踏板的角度 与地面的角度，进而控制脚踝姿态。脚踏板下各有一组直流电机控制的丝杠 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 螺母机构9 和1 0 。直流电机带动丝杠转动，丝杠螺母机构将电机的回转运动 转化为螺母机构的直线运动，带动脚踏板上下摆动。患者的脚固定在脚踏板 上，随脚踏板一起运动，这样就实现了踝关节姿态的控制。 图2 2 下肢康复机器人机构简图 2 2 系统总体设计基本原则和控制方案 2 2 1 系统设计的基本原则 ( 1 ) 保证性能指标的完全实现 系统设计的依据是所要满足的实际性能指标，如采样速率、系统分辨率、 系统精度等必须得到保证。要保证系统性能指标，主要应考虑系统输入信号 的特性，如输入通道数、是模拟量还是数字量、信号的强弱及动态范围、信 号的输入方式等。 ( 2 ) 系统结构的合理选择 设计系统结构是否合理，对系统的可靠性、性价比等造成直接的影响。 首先要考虑硬件、软件功能的合理分配。其次要考虑系统的布局以及接口特 性。接口特性包括采用什么样的总线形式、采样数据的输出形式、数据的编 码格式等。 ( 3 ) 对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的进行设计。 软件工程强调结构化分析、结构化设计和结构化编程。按照软件工程学 的方法进行设计，可以保证有较高的软件开发效率，保证所开发的软件有较 长的生存周期。 ( 4 ) 安全可靠，有足够的抗干扰能力。 2 。2 2 系统总体的控制方案 该下肢康复机器人的系统控制框图见图2 3 。系统的控制方式采用分散 1 0 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 控制，也叫分级控制，而不采用集中控制方式，虽然集中控制实时性好、接 口功能强，一般采用工业p c 机等完成，可是，系统管理、伺服控制等任务 都由一台计算机完成；而分散控制，它的特点是适用于任务分散、功能分散 的多回路控制系统，一般采用上位机( 工控p c 、p c i 0 4 等) 负责发送控制指令， 通过接受下位机( a v r 、c 8 0 5 1 f 、d s p 等) 发回的数据，实现数据显示、状态显 示。上位机应该具有较强的数据处理能力、具有较好的人机接口( 串口、并 口等) 以及控制界面；下位机应该具有良好的实时性，较快的运行速度，能 在单个采样周期内完成多回路信号的采样、控制算法，并具有快速实时的通 信能力、丰富的输出接口( d a ) 、输入接口( a d 、i o 端口、编码器接口) ， 以及串行通信接口( u a r t 、s p i 、c a n 等) 。所以，本系统采用分散控制。 本系统采用工控p c 机和单片机组成的上、下位机分级控制。主单片机 和交流电机控制单片机均采用c 8 0 5 1 f 0 2 1 ，从单片机采用a v r 。工控p c 机与 主单片机之间采用无线串行通信方式。工控p c 机负责系统控制，向主单片 机发送指令，主单片机再将相应指令传给从单片机。根据指令主单片机一方 面完成模拟信号的数据采集，另一方面接受从单片机发回的数据，最终，主 单片机根据指令上传相应数据，由工控p c 机实现数据实时显示，完成数据 监控。 图2 3 下肢康复机器人系统控制框图 2 3 数据采集系统基本构成和技术要求 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又分为模拟部分和数 字部分。基本组成框图如下： 1 1 哈尔滨t 秤人学硕十学位论文 图2 4 硬件部分组成框图 传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电量( 如电压、电流或频 率) ，通常把传感器输出到a d 转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。 放大器用来放大和调理输入信号。由于传感器输出的信号微弱，因此， 需要将信号放大，以满足大多数a d 芯片的满量程输入的要求。此外，某些 传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用 来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的 种类也很繁杂。 传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦 合渠道使信号通道掺杂噪声，例如工频信号可以成为一种人为的干扰源。它 可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外， 还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修f 等，这些操作统称为 信号调理( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) ，相应的执行电路统称为信号调理电路。 信号输入通道中的信号调理重点为小信号放大、信号滤波以及对频率信号的 放大整形等。比较典型的信号调理电路组成如图2 5 所示。 困- 咽一悃- 咽- 悃一悃 图2 5 典型调理电路的组成框图 2 3 1 前置放大器原理 采用大信号输出传感器，可以省掉小信号放大器环节。但是传感器输出 信号都比较小，因此必须选用前置放大器进行放大比。 1 2 哈尔滨r t 程人学硕十学位论文 由于电路内部有掺杂各种的噪声源，使得电路在没有信号输入时，输出 端仍存在一定幅度的波动电压，即电路的输出噪声。假设由电路输出端测得 的噪声有效值与电路的输入端建立比例关系，即除以该电路的增益k 和 ，即 t = 等 ( 2 一1 ) a 如果该电路的等效输入噪声比该电路输入端的信号幅度还要高，那么 这个有用的微弱信号就会被电路的噪声所“淹没 。为了不使小信号被电路 噪声所“淹没 ，就必须在该电路前面加一级放大器。图2 6 中前置放大器 的增益为，本身的等效输入噪声为。由于前置放大器的噪声与后级电 路的噪声是互不相关的随机噪声，因此，图2 6 电路总输出噪声，即 广_ = = ( 足) 2 + ( k ) 2 ( 2 2 ) 图2 6 前置放大器作用 总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为 y i n2 ( 2 - 3 ) 假设不设置前置放大器时，输入信号刚好被电路噪声淹没，即= ， 加前置放大器后，为使输入信号v , s 不再被电路噪声所淹没，即 略，就 须使咯 ( 1 + 2 a ) ，因此半导体丝材的k 。= k 。x e 。可见，半导体材料的应变 电阻效应主要基于压阻效应。 3 4 应变电桥分析及电桥接法 3 4 1 惠斯登电桥 对于惠斯登电桥( 即4 臂电桥) 啪1 ，如图3 6 所示，电源e ，称为桥压，输出 电压u b d ： 图3 6 惠斯登电桥 【厂肋= i , r l 一1 2 r 4 臣= ，l ( 尺l + r 2 ) = 厶( r + r 4 ) ( 3 一1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 吣e 。 熹一击 _ ( 击蒜高 当r l r3 = r2 r 。或r l r 4 = r2 r3 时，u b d = o 称为电桥的平衡条件。 实测时，随着构件的受力变形r 。r 。发生变化为： r l r l + a r l ，r2 专r2 + a r 2 r 3 兮r 3 + a r 3 ，r 4jr 4 + a r 4 2 4 堕签堡! 堡奎堂堡兰焦堡茎 代入( 3 一1 3 ) 式得： u 肋+ u 肋2 e - 笔等芊蓑暑篡毫气芸爱轰妄三会等踹 1 4 ， 略去分子当中的高阶微量，分母当中的丝项，经整理得： u 肋= e , t a r , 一坐r + 警一竽) - e - q - l k ( s i - 占2 + 6 3 - s 4 ) ( 3 - 1 5 ) a uo c 垒墨或a uo c g ；删 经推理可见：在四臂全桥中，应变片在外力作用下其阻值会发生变化， 由此电桥输出电压也随之变化，并且与应变片的应变成线性变化，通过测量 电桥电压的变化量，就可以计算出应变片所受力的大小。 3 4 2 电桥接法 根据电桥工作臂的不同组合，检测电桥分为三种工作方式，单臂半桥、 双臂半桥和四臂全桥口9 l ，如图3 7 所示。 ( a )( b )( c ) 图3 7 四臂、双臂、单臂桥接法 ( 1 ) 四臂工作的全桥接法 如图3 7 ( a ) 所示，若电桥四个臂都接成应变片，四片相同的应变片中足 和冗：贴在一边，r ，和r 。贴在对称于中性层的另一边，使r 。、r ：与r 3 、r 。感 受到的应变绝对值相等、符号相反，则四个应变片电阻的变化量分别为 a r ，一a r ：= a r ，一a r 。当构件受力并同时有温度变化时，不仅可以实现温 度补偿，而且输出灵敏度也得以提高，电桥输出为a u = 艇。 ( 2 ) 双臂工作的半桥接法 2 5 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 如图3 7 ( b ) 所示，尺和尺，都是应变片，组成差动电桥。其中一个受压 应变，一个受拉应变。故电阻变化一个为增量欲，一个为增量一欲，电桥 z 7 f 输出电压为u = 竺。 2 ( 3 ) 单臂工作的半桥接法 如图3 7 ( c ) 所示，r 为应变片，r ，为温度补偿片，其起始阻值都为r ， 将月，贴在与构件同样的材料上，但它不感受应变。要求见与应变片处于同 样的环境温度中，它因温度变化引起的电阻变化欲，与应变片因温度变化引 起的电阻变化a r 相同，利用电桥的和差特性，电桥的输出反映相邻桥臂电 阻值变化相减的结果，欲，互相抵消。这样，电桥的输出电压仅与应变引起 的电阻变化率成正比，与温度变化引起的电阻变化率a r , 无关，起到了温度 王，z 7 补偿的作用，电桥输出电压为u = 半毛。 4 由以上各式可见，四臂全桥的灵敏度比双臂半桥的电桥的灵敏度提高一 倍，比单臂半桥高四倍。并且在双臂半桥和四臂全桥电路中，应变片由于温 度引起的阻值变化可以被补偿。四臂全桥的电桥灵敏度最高，各臂参数一致， 各种干扰的影响容易相互抵消。 3 5 温度补偿 应变片的电阻随应变的变化而变化，同时也随温度的变化而变化，温度 引起电阻变化的原因有两种h ：一是，试件和电阻丝的线膨胀系数不一样， 因而，温度变化时两者的伸长或缩短就不一样，这就造成因温度变化而引起 的电阻丝变形，使电阻值发生了变化。并且这个电阻变化相当大，有时比构 件引起的电阻变化要大得多；二是，电阻丝的电阻本身随温度的变化而变化； 因此，克服温度影响是提高检测精度的一个重要环节，所以必须在测试中采 取补偿措施，以消除温度变化而引起的误差。通常是利用电桥的加减特性来 消除由温度变化引起的电阻变化，这种抵消温度效应引起的电阻变化的方 法，称为桥路补偿法h 。 由于造成的误差来源很多，所以会有不同现象的误差出现，如温度变化 时，零点会有变化，其次在应力不变的情况下，不同温度条件将可能有不同 的输出。前者称为温度引起的零点漂移，而后者称为灵敏度漂移。引起零点 漂移的原因主要有应变片粘贴的好坏，应变片材料的不均匀，所选应变片的 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 电阻温度特性不一致等。由上述原因造成的零点漂移，在测量桥配好以后， 往往具有固定的方向性，可采用简单的方法，在相应的桥臂中串入一个由较 大温度系数材料制成的电阻来进行补偿。 引起灵敏度漂移的主要原因是弹性体材料的弹性模数随温度的变化，应 变片灵敏系数随温度的变化、弹性元件热膨胀系数变化及热膨胀各向异性等 因素变化。而以弹性模数随温度变化为主，且大多是随温度提高灵敏度也相 应提高。对灵敏度漂移补偿最简单的方法是随温度的变化自动调整供桥电 压。桥路补偿法的优点是方法简单，方便实用，在常温下补偿效果较好。 3 6 本章小结 针对脚踏板的受力测量要求，设计了可以测量脚踏板的电阻应变式传感 器。本章首先介绍了传感器的结构形式，经强度校核可以安全使用，其次， 对应变片粘贴位置、应变片的选择、应变片的应变效应和应变电桥方面作了 具体分析。 2 7 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 第4 章数据采集系统硬件设计 4 1 系统硬件设计概述 下肢康复机器人的数据采集系统采用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司出品 的c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机作为主单片机。由主单片机完成传感器的数据采集和数 据传输，主单片机与p c 机之间采用串行无线通讯方式接受p c 机的指令，完 成主单片机与p c 机以及从单片机与p c 机之间的数据通信。系统由p c 机实 行分级控制，实现数据的屏幕显示。硬件框图如图4 1 所示。 r _ _ i 壤撼l i 置示l 耐 1 _ j 一黧制勰。 焉零甲竺氍赢h| l 图4 1 硬件设计框图 4 20 8 0 5 1f 0 2 1 单片机特性简介 ( 1 ) 与8 0 5 1 完全兼容 c 8 0 5 l f 0 2 1 单片机使用s 儿i c o nl a b s 的专7 k i c i p 一5 1 微控制器内核。c i p 一5 1 与m c s 一5 i t m 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进 行软件开发。c i p 一5 l 内核具有标准8 0 5 l 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计 数器定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器 ( s f r ) 地址空间及8 4 个字节宽的1 o 端口。关键是c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机拥有标准 8 0 5 1 所没有的外设部件：6 4 k 字节可系统编程的f l a s h 存储器；可寻址6 4 k 字 节地址空间的外部数据存储器接口：8 位5 0 0 k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟 多路开关；1 2 位、l o o k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关；两个1 2 位d a c ， 具有可编程数据更新方式；可以硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 串行接口；具有 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器；具有5 个捕捉l l 较模块的可 2 8 曰“ 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 编程计数器定时器阵列；全速、非侵入式的在线系统调试接口( 片内) h 2 | 。 ( 2 ) 运算速度快 c i p - 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的 提高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统 时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p 一5 1 内核，7 0 的指令 的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时 钟周期。c i p - 5 1 共有1 1 1 条指令。见表4 1 所示，列出了指令条数与执行时所 需的系统时钟周期数的关系。 表4 1 指令执行速度 执行周期数 l 22 33 | a 44 | s58 指令数 2 65 051 6731 2 ( 3 ) 可编程i o 端口 c 8 0 5 i f 0 2 1 单片机具有标准8 0 5 1 的( 0 、1 、2 和3 ) i o il ，共有6 4 个通用i o 端口。端口的工作情况与标准8 0 5 1 相似，但其中每个端口i o 引脚都可以被 配置为推挽或漏极开路输出。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这 是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射至；j p o 、p 1 、p 2 和p 3