專利名稱：一種基于pci1020運動控制卡的假肢關節控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電控系統，特別涉及ー種基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器。
背景技術：
人體肢體運動的動態檢測和模擬具有極大的醫學應用價值，假肢的設計與控制不僅僅能夠造福于肢體殘疾人，更是ー個國家運動學、生命科學、自動控制等實カ的集中體現。因而成為世界各國研究的重點。傳統的假肢設計最先進的技術是將神經元傳導的生物電信號通過收集器轉化為機械可以識別的電信號，再通過機械操控假肢的移動。由于神經元傳導的生物電信號的復 雜度高，導致現有此方面的研究仍處于探索階段，還不能應用于人們的日常生活。
發明內容本實用新型的目的在于，提供一種基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器。為了實現上述任務，本實用新型采取如下的技術解決方案一種基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器，包括位于假肢中的步進電機，其特征在于，還包括ー個PCI1020運動控制卡，該PCI1020運動控制卡連接有PC機，PCI1020運動控制卡通過驅動器及接ロ連接步進電機。本實用新型的基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器，越過復雜的神經生物信號的處理和連接，采用純機械和電子信號檢測將人在活動中大腿的動作識別分析，并通過電機控制系統給動力裝置發出命令，操控假肢“小腿”的運動，高仿真地模擬出人走路、跑步、上下樓梯等基本動作的腿部正常的運動姿態，使實驗者與正常人一樣可以自由的走動，能夠根據已建立的運動模型實時有效的控制假肢步態行為。實驗證明，關節運動角度可在-70° +15°范圍內連續調節，角度分辨率達到O. 04度。
圖I是試驗用假肢結構示意圖；圖2是本實用新型的基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器硬件結構框圖；圖3是基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器的硬件接線圖；圖4是通過控制的假肢運動狀態函數圖，其中，(a)圖是模擬大腿的運動函數，(b)圖是控制小腿的運動函數，(C)圖是大小腿運動函數關系。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進ー步的詳細說明。
具體實施方式
為滿足下肢關節運動模型研究的需要，申請人以人體關節運動為研究對象，設計了分層式結構的基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器。包括位于假肢中的步進電機，還包括一個PCI1020運動控制卡，該PCI1020運動控制卡連接有PC機，PCI1020運動控制卡通過驅動器及接ロ連接步進電機(圖2)。通過測試驗證了該假肢關節控制器的合理與有效性。同時結構簡單、步態逼真、成本低廉，具有較好的市場應用前景。以下是主要的制備過程。I、整體構架本實施例應用自主設計的假肢(如圖I)作為被控對象。該假肢由大腿I、小腿2和腳3組成，結構尺寸完全按照人體肢體比例等比縮小制作，即大腿I的長度O. 212m,小腿2的長度O. 254m，腳3的長度為O. 143m,高度為O. 039m，假肢中包含三個電機(圖中的標號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機通過Lab VIEW編寫的程序對PCI1020運動控制卡下達指令，并確定肢體的運動狀態。PCI1020接受運動控制卡PC機的指令，并將指令轉換為協調步態的電機控制信號，進而分解為驅動多關節轉動的時鐘脈沖，發送給各個步進電機驅動器。步進電機驅動器接受驅動時鐘脈沖，完成對關節的控制，達到控制假肢運動的目的。I. I.控制方式人體假肢的控制系統需要進行大量的協調計算和聯動處理，控制大小腿的角度、角速度、角加速度等多種參量，并進行聯調運算，同時處理多個電機的驅動，還需要一定的擴展功能，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動控制器，將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制芯片的運動軌跡控制能力有機地結合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好等優點，因此這種基于計算機標準總線的開放式運動控制器必將成為運動控制的主流器件。MCX314AS是單ー芯片且可控制4軸的脈沖序列輸入伺服馬達、步進馬達的運動控制芯片，可以進行各軸獨立的定位控制、速度控制，另ー方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進行圓弧、直線、位方式插補。MCX314AS運動控制芯片能與8/16位數據總線接ロ，通過命令、數據和狀態等寄存器實現4軸3聯動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，實現直線、圓弧、位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設置為恒速、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32位的邏輯、實際位置計數器和狀態比較寄存器，實現位置的閉環控制。另外，MCX314AS較MCX314新増加了自動搜尋原位、輸入信號濾波器、同步動作、輸出脈沖32位、圓弧/直線插補脈沖范圍32位、完全S曲線加減速的非対稱、手動設定模式、位置計算器的可變環形、Z相輸入的實位計數器的清除、實位計數器的增減反轉等功能。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，從而打破了數據I/O地瓶頸，外設能以CPU的速度運行，使高性能CPU的功能得以充分發揮。由于局部總線有極高的數據傳輸率，因此在CPU與高速緩沖存儲器(Cache)、CPU與高速圖形卡等需要高速傳輸信息的場合得到了廣泛的應用。從1993年PCI局部總線標準推出到現在，PCI總線以其優異的性能逐步取代了 ISA、EISA等總線，成為了當今總線發展的主流。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(從屬)接ロ，以使ISA適配器可以迅速、低成本地轉換到PCI總線上。采用PCI9052可使適配卡上的I/O數據傳送速度從ISA總線的8MHz提高到PCI的33MHz。PCI9052能被編程去直接連接復用或非復用的8位、16位或32位局部總線。8位和16位模式也能容易地轉換成ISA轉PCI的設計。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行匹配。最大5個局部地址空間和4個片選被支持。2.硬件連接基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器的硬件接線圖如3所示，各硬件型號參數如表1，針對此次電機控制系統的設計，需要著重考慮電機的靜轉矩與電機的質量以及設計的大、小腿長度的匹配。鑒于膝關節電機需要帶動踝關節的電機一起轉動，由公式(M=F*L)得膝關節的靜カ矩的計算，需要知道踝關節電機的質量和小腿的長度，同理大腿電機需要帶動大腿、膝關節、踝關節的轉動，因此，需要通過踝關節的質量、小腿長度、膝關節的質量、大腿長度來進行確定大腿電機的靜轉矩。由圖I給出的大小腿長度和公式進行電機的匹配，經過精密計算并留下一定余量，保證驅動假肢的正常轉動，而不產生過多功率損耗，選擇電機型號和參數如表I。驅動器的選取，根據各個電機相電流的需求來確定選取相電流可調的驅動器，進而根據相電壓、相電流確定功率，來選取電源。表I :硬件選擇參數
權利要求1.一種基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器，包括位于假肢中的步進電機，其特征在于，還包括一個PCI1020運動控制卡，該PCI1020運動控制卡連接有PC機，PCI1020運動控制卡通過驅動器及接口連接步進電機。
專利摘要本實用新型公開了一種基于PCI1020運動控制卡的假肢關節控制器，包括位于假肢中的步進電機，還包括一個PCI1020運動控制卡，該PCI1020運動控制卡連接有PC機，PCI1020運動控制卡通過驅動器及接口連接步進電機。越過復雜的神經生物信號的處理和連接，采用純機械和電子信號檢測將人在活動中大腿的動作識別分析，并通過電機控制系統給動力裝置發出命令，操控假肢“小腿”的運動，高仿真地模擬出人走路、跑步、上下樓梯等基本動作的腿部正常的運動姿態，使實驗者與正常人一樣可以自由的走動，能夠根據已建立的運動模型實時有效的控制假肢步態行為。實驗證明，關節運動角度可在-70°～+15°范圍內連續調節，角度分辨率達到0.04度。
文檔編號A61F2/70GK202605059SQ201220167958
公開日2012年12月19日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者鄧周虎, 張軍, 黨丹珩, 劉誠 申請人:西北大學