仿人假手作为肢残患者重获人手功用的首要目标，具有严重的社会需求。抱负的假手应具有人手的仿生特征，首要体现在假手结构、操控办法与环境感知3 个方面，但由于其有限的体积和杂乱的传感器体系，对操控体系提出了更高的要求。
现有的操控体系有外置式和内置式两种。外置式操控体系多用于研讨型假手，如Cyber Hand，Tokyo Hand，Vanderbilt Hand等，这种操控体系首要用于算法、计划的验证，在残疾人运用上推行含义较小。内置式操控体系在研讨型假手和商业型假手上均有运用，其间研讨型假手操控体系，在环境感知和双向信息交互上投入很多研讨，如Smart Hand，DARPA hand; 而商业型假手操控体系尽管也有部分集成有外部传感器，但传感器体系简略，双向信息交互上也有较大短缺，如i-Limb，BeBionic Hand。
HIT IV 代假手操控体系选用DSP作为主控芯片，集成有方位传感器和力矩传感器，可对肌电信号采样。但操控体系为一个全体，且体积较大，只适用于HIT IV 代假手。DSP 芯片在功用拓宽上弱于FPGA，不利于二次开发。
本文选用模块化规划计划，以FPGA 作为中心芯片，运动操控、肌电信号收集、电影响等模块独立规划，经过通用接口衔接。在此基础上，进行多形式的多指抓取试验。
1 仿人假手体系介绍
本文所规划的操控体系以HIT V 代手为操控目标。该手略小于成年人人手，具有5 根手指，每根手指2 个指节，大拇指还还有一个内旋/外展关节，共有11 个活动关节，整个手由6 个直流电机驱动，每根手指装置有力矩传感器、方位传感器、指尖六维力传感器。
操控体系选用模块化规划思维，将整个体系分割成几个模块，经过通用接口树立相互衔接，使整个操控体系能够放置在仿人假手内部，完结机电一体化。
2 根据FPGA 的操控体系规划
仿人假手电气操控体系用于完结假手各手指的驱动操控、多种传感器信息的收集以及与上位机( PC 或PCI 操控卡) 之间的通讯。该操控体系由10 个模块组成，分别为: 由FPGA 组成的主控芯片模块、USB 接口模块、拇指操控电路模块、食指操控电路模块、中指操控电路模块、无名指操控电路模块、小指操控电路模块、肌电信号收集模块、电池办理体系模块、电影响反应模块。模块化规划办法增加了操控体系的灵敏性与独立性，便于对模块独自进行调试与修正。电气体系整体功用框图如图1。
图1 电气体系功用框图
2.1 FPGA 主控芯片模块规划
FPGA 主控芯片模块选用Altera 公司Cyclone Ⅲ系FPGA芯片EP3C25F25617 作为操控中心，担任肌电信号和多种传感器信号的处理、与手指电路的通讯、USB 通讯、CAN通讯接口等功用。一起，主控芯片模块还担任大拇指内旋/外展自由度驱动电机的操控。各个功用经过VHDL 言语进行编写，FPGA 中嵌入双NIOS 核构成双核处理器，其间一个NIOS 核用于肌电信号处理，另一个NIOS 核用于通讯; 双核经过2M 的EEPROM 进行通讯。FPGA 功用框图如图2。
图2 FPGA 功用框图
RS—485 通讯经过在NIOS 核内自定义元件AutoSCI 操控RS—485 收发接口芯片MAX3362 完结。MAX3362 收发芯片可经过3.3 V 低压完结高速数据传送。CAN 与LVDS通讯选用复用电路规划( 图3) ，经过替换接纳发送接口芯片完结功用转化。CAN 通讯选用TI 公司的CAN 收发器SN65HVD230QD 作为接口芯片。LVDS 通讯选用TI 公司的半双工LVDS 收发接口芯片SN65LVDM176，构成PPSeCo高速串行通讯体系与PCI 操控卡通讯，通讯速率可达25 Mbps，确保操控信息与传感器信息传送的及时性。
图3 CAN 通讯/LVDS 通讯复用电路
拇指内旋/外展自由度驱动电机由NIOS 核中自定义元件PWM 操控。元件功用经过VHDL 言语编写，PWM 波周期和占空比均可调。电机驱动芯片选用MPC17531A，其内部集成双H 桥，可直接操控直流有刷电机。
2.2 手指运动操控模块规划
五根手指的运动操控模块选用相同的规划计划，增强体系的互换性与通用性。该模块由DSP 作为操控中心，直流有刷电机驱动芯片MPC17531A 作为电机驱动芯片，担任手指电机的驱动，力矩传感器、方位传感器、电机电流传感器信号的收集与处理，以及与触觉传感器体系的通讯，最终各项数据经过RS—485 通讯接口与主控芯片模块通讯。操控模块如图4。
图4 手指运动操控模块功用框图
该模块选用的DSP TMS320F28027 运转速率高，封装小。内部集成的16 通道12 位A/D 转化器可完结对力矩、方位、电机电流信号的采样。串行异步通讯接口经过RS—485 收发接口芯片完结与主控芯片模块通讯。EPWM 模块可直接操控直流有刷电机驱动芯片MPC17531A。
如图5，关节力矩传感器信号收集体系包含力矩传感器、处理扩大电路、滤波电路和A/D 转化电路。力矩传感器根据应变原理，选用外表扩大器INA337 组成半桥电路对力矩信号进行扩大后经过RC 滤波电路进入A/D 转化芯片。
图5 力矩传感器信号收集体系
如图6，关节方位传感器信号收集体系包含方位传感器、处理扩大电路、滤波电路和A/D 转化电路。方位传感器根据旋转电位器原理，选用集成运放MAX9618 对电位器信号进行扩大后经过RC 滤波电路进入A/D 转化芯片。
图6 方位传感器信号收集体系
2.3 肌电信号收集模块规划
肌电信号收集模块用来收集肌电电极的信号以及对信号的滤波和D/A 转化后存储在CPU 中，包含RC 电路组成的滤波电路、D/A 转化电路和电压转化电路。数字信号经过电压转化芯片转化为3.3 V 电压，经过SPI 接口输入到CPU 中央处理器。
2.4 电池办理体系模块规划
电池办理模块包含电池、电流传感器、蜂鸣器电路、LED 显现电路。电流传感器实时监测电池输出电流巨细，经过LED 显现电路和蜂鸣器电路显现充电状况和电池电量过低报警。
3 软件完结
在FPGA 操控器程序规划中首要完结各体系参数的初始化与操控算法的完结，详细由如下几部分构成:
1) 与上位机通讯部分: 经过3 种办法与上位机通讯，取得操控指令，分别为USB 通讯、LVDS 通讯、CAN 通讯，其间LVDS 通讯与CAN 通讯不能一起运用;
2) 肌电信号收集部分: 经过A/D 转化芯片将肌电电极信号转化为数字量，并经过运算处理得到操控指令;
3) 与手指运动操控模块通讯部分: 经过SCI 接口完结与手指运动操控模块的RS—485 通讯;
4) 生成驱动电机操控参数部分: 运算处理操控指令，生成电机运动参数( 方向与占空比) 。
操控流程图如图7 所示。
图7 FPGA 操控流程图
DSP 操控程序首要完结DSP 各参数的初始化，操控流程图如图8。
图8 DSP 操控流程图
4 假手抓取试验
根据上述规划，研制出HIT V 假手样机，进行抓取试验( 图9) ，可完结多种动作形式的抓取，分别为: 两指捏取、三指捏取、圆柱抓取、球形抓取、单指指向、胡克抓取、侧边捏取、五指端取。操控过程中，体系作业安稳，满意仿人假手运动操控和传感器信息收集要求。
图9 多指抓取试验
5 定论
本文介绍了结合FPGA 与DSP 的仿人假手操控体系的规划组成与作业流程。该操控体系体积细巧，可完全装置于假手内部。试验证明: 该体系运转牢靠、操控灵敏，运用作用杰出。
