（机械电子工程专业论文）手臂康复训练机器人控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 康复训练机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机器人 技术在医学领域的新应用。本论文结合理论与实践，对手臂康复训练机器人 的机构进行设计、研制样机，并对其控制系统进行研究。 机器人采用了直流力矩电机作为驱动装置，电机采用比较成熟的双向式 p w m 功率放大驱动方式。本文对机器人机械结构进行了分析设计：对电机模 型、控制算法进行了分析，设计了手臂康复训练机器人的控制系统，通过软、 硬件实现对手臂康复训练机器人的控制。 手臂康复训练机器人采用两级c p u 控制方式，可以进行上位机的主从控 制和下位机的自主控制。机器人的上位机是p c 机，通过串口与下位机进行通 讯。下位机是a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 ，硬件电路包括l 2 9 8 电机驱动电路、键 盘和l e d 显示电路等。本文还分析设计了手臂康复训练机器人控制系统软件。 研制了机器人产品样机，并进行了实验，实验结果表明所研制的机器人 及控制系统达到了设计要求。 关键词：手臂康复训练机器人；a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机：双向式p w m 控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i v er o b o ti san e wt e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ：i tr e p r e s e n t st h er o b o t sa p p l i c a t i o ni nt h e m e d i c a lf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r ea n dc o m p u t e rc o n t r o l o fa na r mr e h a b i i i t a t i v er o b o t t h i sr o b o ti sd r o v e d b yd c t o r q u em o t o r ：t h i sr o b o tu s e st h em a t u r e p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) p o w e rm a g n i f i e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h e c o n t r o l s y s t e mo ft h ea r mr e h a b i l i t a t i v er o b o t ，m a i n l yi n c l u d i n g b u i l d i n gt h em o t o rm o d e la n dd e s i g n i n gt h ec o n t r o la l g o r i t h m s a r mr e h a b i l i t a t i v er o b o tm a k e su s eo ft h et w o c l a s sc o n t r o lm e t h o d t h et o pc o n t r o lu n i ti sp c ，w h i c hc o n t r o lt h er o b o tt h r o u g ht h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n t h eb o t t o mc o n t r o lu n i ti sc o n t r o l l e db ya na t 9 0 s 8 5 3 5 m c ua n di n c l u d e sl 2 9 8 n ，k e y b o a r da n dl e d t h es o f t w a r ei sa l s od e s i g n e d i nt h ep a p e r f i n a l l y t h e s a m p l e m a c h i n eo fa r mr e h a b i l i t a t i v er o b o ti s m a n u f a c t u r e da n dt h e e x p e r i m e n t i sm a d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er o b o ta n di t sc o n t r o ls y s t e mr e a c ht h ed e s i g n r e q u e s t k e y w o r d ：a r mr e h a b i l i t a t i v er o b o t ：a t 9 0 s 8 5 3 5m c u ；t w o p o l a rp w m c o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 题目的来源及研究意义 本课题为自立课题。 机器人技术是近3 0 年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、 机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、 人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，体现了机电一体化多 学科结合，互相渗透的特点，代表了机电一体化的最高成就。康复训练机器 人是近年来出现的一种新型机器人。本文研究的手臂康复训练机器人正是机 器人技术在医学领域中的应用。 随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正 在步入老龄化，在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这 类患者多数伴有偏瘫症状。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事 故而造成神经性损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。医学理论和临床医学 证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的 康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。康复训练机 器人作为一种自动化康复医疗设备，以医学理论为依据，帮助患者进行科学 而又有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机器人 由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下 自动进行。此外本课题研究的手臂康复训练机器人还可以用于评价康复训练 效果，根据病人的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。另外手臂康复训 练机器人还可以作为健康老年人的体育运动训练器械。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 康复训练机器人的国内外发展概况 康复机器人属于医疗机器人范畴，是机器人技术在医疗领域的新应用。 康复机器入分为康复训练机器人和辅助型康复机器人，康复训练机器人的主 要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训 练、脊椎运动训练、颈部运动训练等等；辅助型康复机器人主要用来帮助肢 体运动有困难的患者完成各种动作，如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢、 机器人护士等。康复机器人在原理上和工业机器人有很大的区别，也不同于 一般的体育运动训练器材，因为它直接作用于人体，与人在同一个作业空间 工作，人与机器人作为一个整体协调运动；而工业机器人在工作时，通常是 不允许人进入作业空间的。普通体育器材都是阻力型的，通过对受训者施加 运动阻力使肌肉得到锻炼，它只能用于健康人，不能用于有运动障碍的患者。 康复机器人技术在欧美等国家已经得到了科研工作者和医疗机构的普遍 重视，近年来也取得了一些有价值的成果。图1 _ l 和图1 2 分别是借助于跑 步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练。训练过程必须有专业人员帮助才 能进行，还不能称为康复训练它只是种半自动的康复训练器械。 图1 1 跑步训练机图1 2 悬挂式步行训练机 自动化的康复训练机器人技术在近2 0 年来在欧美取得了很多的成果。如 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来自美国麻省理工学院和s p a t l l d n g 康复医院的研究小组发明了一种被称为 m 1 t - m a n u s 的机器人( 如图1 3 所示) 。m i t - m a n u s 是一种3 0 英寸高的机械 臂，并且与计算机屏幕相连接。在训练过程中我们将中风患者的手臂与机器 人机械臂捆缚在一起，机械臂可以带动患者的肩部和肘部运动，运动轨迹在 计算机屏幕上显示为光标移动。机器人能够像康复治疗师一样锻炼中风患者 的手臂，这将有助于恢复患者由于中风而瘫痪的肩部和肘部运动机能。s u s a n e f a s o l i 不仅是一名康复专家，同时又是一名机械工程师，他首次发现中风患 者在出院之后依靠机器人的帮助进行康复治疗将对其恢复有益。一般情况下， 随着发病时间的延长，中风患者力量和运动功能恢复的希望会逐渐减小。研 究结果显示，由s p a u l d i n g 发明的这种机器人不仅能够帮助轻微的中风患者进 行康复治疗，此机器人甚至对那些中风发生5 年以上的患者也有效果。现阶 段已经认为康复锻炼对于这些患者效果最佳。在美国中风学会第2 7 界国际研 讨会上，f a s o l i 向与会者通报了临床研究结果，应用这种被称为m i t - m a n u s 的康复机器人，已经使中风5 年之上的患者的生理机能得到明显的恢复。 f a s o l i 还指出这种治疗方法还可以用于脑损伤j 多发性硬化症和其它神经系 统疾病的患者的治疗。 斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 也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 m g u i d e ( 如图1 4 所示) 和m i m e ( 如 图1 5 所示) 型手臂康复训练机器人样机( 美国专利) ；德国柏林自由大学 ( f r e eu n i v e r s i t y b e r l n ) 开展了腿部康复机器人的研究，并研制了 m g t 型腿部康复机器人样机( 如图1 6 所示) 。瑞士苏黎士联邦工业大学( e t h ) 在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果，在汉诺威2 0 0 1 年世 界工业展览会上展出了名为l o k o m a t ( 如图1 7 所示) 的康复机器人模型。 同时亚洲国家也投入了康复训练机器人胡研究，日本研制了旋转式康复机器 人( 如图1 _ 8 所示) 。我国许多科研院所也开始投入康复训练机器人的研制， 图1 9 为清华大学研制的康复机器人。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3m i t m a r i u s图1 4t h e a r m g u i d e 图1 5 手臂康复训练机器人m i m e 图1 6m g t 型康复机器入 图1 7l o k o m a t 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 8 旋转式康复训练机器人 图1 9 清华大学研制的康复训练机器人 近年来，随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国 家，医疗康复枫器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机嚣 人市场，2 0 0 5 年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为2 5 0 ，0 0 0 美元，而 到2 0 1 0 年将上升到1 , 0 5 0 ，0 0 0 美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占 据首位。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需 要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有6 0 0 ，0 0 0 中风幸存者，其中的 二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。自主的运动康复训练己成为基本 而有效的疗法，而形形色色的康复训练机器人，如跑步机式康复训练机器人、 自行车式腿部训练机器人、行走辅助车、手臂训练机器人、踝关节训练机器 人、下肢训练机器人，以及人工假肢、电动轮椅等，以其经济的价格，简易 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的操作，适时的病情反馈与康复训练指导得到医学专家和病人的肯定。在我 国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶 段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器 人的需求。所以康复训练机器人广阔的市场前景将推动这一新型的技术在以 后得到更多的重视与推广。 1 3 论文主要完成工作 本课题研究了一种手臂康复训练机器人的控制系统。主要研究：手臂康 复训练机器人机械本体、控制系统总体方案分折设计、硬件控制电路设计、 控制系统软件设计调试。课题内容包括如下几个方面： i 机械机构设计 1 。驱动方案的选择 2 机器人机械本体的设计加工 控制系统模型建立 1 建立位置伺服控制系统数学模型 2 数字调节器设计 控制系统硬件部分 1 a v r 单片机控制系统硬件电路设计 2 电机驱动电路设计 3 显示板、键盘电路设计 控制系统软件部分 1 a v r 单片机驱动控制系统软件设计 2 p c 机与a v r 单片机控制系统的串口通信软件设计 v 样机实验 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章手臂康复训练机器人总体方案设计 本课题研究的手臂康复训练机器人要求安全、稳定地完成康复训练任务， 并且要考虑成本低廉以便于推广到家庭使用，所以在方案设计中必须兼顾系 统可靠性和经济性等多方面的因素。 2 1 驱动方式选择 驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人的驱动方式可分为以下 几类： 1 ) 气压驱动使用压力通常在0 4 o 6 m p a ，最高可达1 m p a 。气压驱动 主要优点是气源方便( 一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气) ，驱动系统具 有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。 气压驱动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使 得机器人在任意定位时，位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。 2 ) 液压驱动液压驱动系统用2 1 5 m p a 的油液驱动机器人，体积较气 压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同 时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制 液体流量和运动方向时，可以使机器人的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点 是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多 用于要求输出力较大，运动速度较低的场合。 3 ) 电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减 速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的 机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便， 信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点，电气驱动已经成为最普遍、应用最多的驱动方式，9 0 年代后生产的机器 人大多数采用这种驱动方式。 由于本课题所研究的手臂康复训练机器人驱动负载小，要求结构简单、 定位精度高，所以选用了电气驱动方式。机器人的驱动装置为直流力矩电机， 它通过电机轴与减速机构配合，将电机的旋转运动转递到手柄，减小了功率 损耗。选用了电气驱动方式，使得整个系统具有结构紧凑，成本低廉，操作 方便等优点，适合于康复训练机器人。 2 1 1 驱动电机 驱动电机选用直流力矩电机，这是因为直流力矩电机具有优越的速度调 节控制性能，具体来说，直流力矩电机具有以下优点： ( 1 ) 具有较大的转矩，用以克服转动装置的摩擦阻力和负载转矩。 ( 2 ) 调速范围宽，而且运行速度平稳。 ( 3 ) 具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 ( 4 ) 电机的负载特性硬，有较大的过载能力，可以确保运行速度不受 负载冲击的影响。 根据所需要的驱动力矩和传动结构的要求。驱动电机选用北京市微电机 总厂生产的s y 卜5 型永磁直流力矩电机，其参数如表2 1 所示： 表2 ，1s 厂_ - 5 型永磁直流力矩电机参数 峰值堵转转矩( n - r n )0 4 9 5 峰值堵转电流( a )1 8 峰值堵转电压( v )约2 0 空载转速( n m i n )约5 0 0 静摩擦力矩( n m )s 0 0 9 8 峰值堵转功率( w )3 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转速波动系数1 0 质量( 蚝)1 1 质量( k g ) 1 1 电机的驱动方式采用技术比较成熟的双向式p w m 功率放大驱动，可以 很方便的用于直流力矩电机的调速控制。 2 1 2 带传动 i 由于所选用的电动机的转速较高、转矩小。空载转速为5 0 0 r m i n ，所以应 该在驱动电机和机械手之间添加减速机构。本康复机器人采用同步齿形带传 动( 如图2 1 所示) ，因为兼有带传动、链传动和齿轮传动的优点：带传动具 有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点：啮合传动，传动比 恒定，带轻而且薄，可以用于高速传动，效率可以达到9 8 。齿形带有两种： 梯形和圆弧形。圆弧形比梯形齿形带优越，它避免了梯形齿应力集中的缺点， 使齿根和齿底不易损坏。寿命长，故本机器人选用圆弧形同步齿形带。 考虑到机器人的运行速率较低，而所使用的电动机的空载转速为 5 0 0 r m i n ，选择带传动传动比为l ：6 。皮带轮传动机构的参数如下： ( 1 )大皮带轮，齿数7 2 齿，节长3 6 5 7 6 m m ( 2 )小皮带轮，齿数1 2 齿，节长6 0 9 6 呲 ( 3 )皮带，2 2 0 x l0 7 6 带传动的中心距为 0 , 7 + ( d i + d 2 ) a 斗 工 哩， 、j _ 。 l j i 一 1 图4 7l 2 9 8 n 内部结构框图 从输入、输出逻辑关系表( 表4 1 ) 可以看出，使c ( 1 0 脚) 、d ( 1 2 脚) 处 于不同的逻辑状态，可以使电机正转、反转或快速停止。它们分别和 a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的p d 4 ( o c r i b ) 、p d 5 ( o c r l a ) 连接，启动停止端y m 接 p w m 信号，即a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的p d 4 ( o c r l b ) 或者p d 5 ( o c r l a ) 脚，当 它为高电平时，通过1 0 脚上的4 个晶体管全部截止，使正在运行的电机电枢 电流反向，电机自由停止。和1 2 脚可以控制电机的正反转，当它为低电平时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 驱动桥路。由于p w m 信号高低电平交替出现，通过调节p w m 信号的占空 比，即可实现对电机的p w m 调速。 u d 图4 8 电枢短路时电压电流 表4 1 输入、输出逻辑关系 输入功能 c = h ；d = l向右转 y m = h c = l ；d = h向左转 c = d 急停 v i n h = 工c - x ：d = c自由停 4 3 通信电路 终端设备和计算机之间的通信或计算机和计算机之间的通信，通常称为 数据通信。数据通信方式有两种：同步通信方式和异步通信方式。 ( i ) 同步通信方式，同步通信( s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ) 方式要求通 信双方以相同的速率进行，而且要准确协调。它通过共享一个单个时钟和定 时脉冲源保证发送方和接收方准确同步。特点是允许发送一个字符序列，美 国字符数据位数相同，没有起始位和停止位，效率高。同步通信以多字节组 成的数据块( 几十至几千个字节) 为单位进行传输，并在数据块前加上标识 哈尔滨工程大学硕士学位论文 序列组成帧( f r a m e ) 。 ( 2 ) 异步通信方式，异步通信( a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ) 不要求双 方同步，收发方可采用各自的时钟源，双方都遵循异步通信协议，以字符为 数据传输单位，发送方传送字符的时间间隔不确定。每个字符传输都以起始 位开始，以停止位结束。通信双方所指定的字符的数据位数，奇偶校验方法 和停止位上必须相同，优点是成本较低。异步通信以字符为单位，长度为5 8 位。 异步通信是“起止”( s t a r t s t o pm o d e ) 同步方式通信，即在以 起始位开始、停止位结束的一个字符内按约定的频率进行同步接受。各字符 之间允许有间隙，而且两个字符之间的间隔是不固定的。而在同步通信方式 中，不仅同一字符中的相邻两位间的时间间隔要相等，而且相邻字符间的间 隔也要求相等，这就是同步与异步通信方式的主要差别。当终端设备的输出 速度不均匀是，就要求相邻字符间的时间间隔不同，这时就要用到异步通信 方式。本手臂康复训练机器人系统采用异步通信方式。 4 3 1 串行通信的基本原理 由于计算机是按照并行方式传送数据的，当它采用串行方式与外部通信 时，必须进行串、并行转换。发送数据时，需要通过并行输入、串行输出移 位寄存器将c p u 送来的并行数据转换成为串行数据，在从串行数据线上发送 出去：接收数据时，则需经过串行输入、并行输出移位寄存器将接收到的串 行数据转换成为并行数据后送到c p u 去。在w i n d o w s 环境( w 协d o w s n t 、 w i n 9 8 、w m d o w s 2 0 0 0 ) 下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口 进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求，初始化串口，上 下位机通信，最后释放资源。通过串口接口标准连接p c 机和外部终端。 串行通信接口标准是指串行通信接口与外设的信号联机标准。通常有3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种：r s 一2 3 2 c ，r s 4 2 2 a 4 2 3 a 和2 0 m a 电流环。我们选择的p c 机配置的是 r s 2 3 2 c 标准接口。r s 2 3 2 c 的定义包括电气特性、机械特性、功能特性等。 若不使用硬件流量控制，则只需利用3 根信号线，便可以做到全双工的传输 作业。一个完整的r s 一2 3 2 c 接口有2 2 根线，采用标准的2 5 芯插头座( 或者 9 芯插头座) 。2 5 芯和9 芯的主要信号线相同。r s - 2 3 2 c 电气特性为： 逻辑0 一+ 5 v ，+ 1 5 v 逻辑l 一5 v ，一1 5 v 波特率一2 0 ，0 0 0 以内 传送距离1 5 m 之内 m a x 2 3 2 芯片可以完成r r l 电平与r s ，2 3 2 c 标准电平之间的转换。 r s 2 3 2 的9 个引脚的定义如表4 2 所示。 表4 2 r s 2 3 2 引脚定义 管脚方向说明 1 ：c d计算机t o m o d e mm o d e m 通知计算机有载波被检测到 2 ：r x d m o d e m t o 计算机计算机接收信息 3 ：t x d计算机t o m o d e m计算机发送信息 4 ：d t r 计算机t o m o d e m计算机通知m o d e m 可以传送数据 5 ：g n d计算机= m o d e m地线作为计算机和m o d e m 准位参考 6 ：d s rm o d e m t o 计算机m o d e m 通知计算机一切准备就绪 7 ：i u 、s计算机t o m o d e m 计算机要求m o d e m 将信息送出 8 ：c t sm o d e m t o 计算机m o d e m 通知计算机可以送出信息 9 ：r i m o d e m t o 计算机m o d e m 通知计算机有电话进来 由上可知d t e ( 数据终端设备) 和d c e ( 数据通信设备) 之间如果要实 现双向通信，至少需要3 条信号线：t x d 、r x d 、g n d 。 握手( h a n d s h a k i n g ) 分为硬件握手( 硬件流控) 和软件握手( 软件流控) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 硬件握手，是使用专门的握手电路去控制数据的传输。当接收数据准 备好之后，就通过专用的握手电路传送一个正电压给发送设备，指示发送设 备发送数据。如果接收设备传送一个负电压给发送设备，则指示发送设备停 止发送数据。 2 ) 软件握手，握手信号是在数据线( r x d 和t x d ) 上进行传送的，而不 是在专门握手线上传送。软件握手信号是由特殊字符组成的，传送这些字符 必须使用数据电路。 常用的协议是x o n x o f f 协议。如果要使发送设备停止发送数据，接收 设备只需发送一个a s c i i 字符d c 3 ( 十六进制1 3 ) 给发送设备，该字符称为 x o f f 字符。如果要使发送设备继续发送数据，则接收设备只需发送一个 a s c i i 字符d c i ( 十六进制1 1 ) 给发送设备，该字符称为x o n 字符。 4 3 2a t 9 0 s 8 5 3 5 与计算机的通信电路 a v r 9 0 系列单片机带有一个全双工的通用串行异步收发器( u 越盯) 。将 单片机的串行口经过m a x 2 3 2 芯片转换成为k s 一2 3 2 c 标准电平，在p c 机和 a v r 9 0 系列单片机之间传送数据。 a t 9 0 s 8 5 3 5 自带的全双工通用串行异步收发器( u a r t ) ，主要特征如下： ( 1 ) 波特率发生器可以产生任何波特率 ( 2 ) 在x t a l 低频下有很高的波特率 ( 3 ) 可以传送8 位或者9 位数据 ( 4 ) 可进行噪声滤波 ( 5 ) 可以进行超越误差的检测 ( 6 ) 可以进行帧错误的检测 ( 7 ) 可以进行错误起始位的检测 ( 8 ) 具有三个独立中断：t x 完成，t x 数据寄存器空，r x 完成 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p c 机和单片机串口信号线连接方法如图4 9 所示，m a x 2 3 2 电平转换电 路如图4 1 0 所示。 r x d p c r x d r _ x d ( p d 0 ) u p t x d 1t x d m p 2 3 2心9 0 s 8 5 3 5 ，c t x d t x d ( p d i ) i 。 j u p r x d 图4 9p c 机和单片机串口信号线接法 4 4 本章小结 图4 1 0 电平转换电路 本章对手臂康复训练机器人控制系统的硬件部分( 系统主板电路原理图 如图4 1 1 所示) 做了详细的说明，具体介绍了单片机的选型、时钟电路、复 位电路、a d 转换电路、直流力矩电机控制电路、键盘、显示电路、串口通 信接口电路的设计等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 囡 蹦 毯 留 口 蜷 州 螺 垛 h 一 寸 匝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章控制系统软件 控制系统软件是整个系统正常运行最重要的环节之一，系统软件质量直 接关系到机器人系统功能的实现。本章在控制系统硬件的基础上，详细介绍 了机器人控制系统的软件。本机器入系统软件包括两大部分：a v r 单片机程 序模块和p c 机控制程序模块，以实现两种控制方式：a v r 单片机的自主控制、 a v r 单片机接受来自p c 机的指令进行上位机与下位机之间的通信完成的机器 人的p c 机控制。 5 1a v r 单片机系统软件设计 a t m e l 公司的a v ra t 9 0 系列单片机汇编指令系统是基于精简指令 r i s c 结构的，它是一种高效率的指令系统，所以系统软件采用汇编语言来编 制。软件设计采用“模块化程序设计”。模块化程序设计是单片机应用中常用 的一种程序设计技术，具有的优点是：单个功能明确的程序模块的设计和调 试比较方便，容易完成：一个模块可以多个程序所共享，也可以利用现成的 程序模块；整个程序功能的修改可以局限到某一个程序模块内进行。 手臂康复训练机器人系统程序模块图如图5 1 所示。下面分别对每一个 模块进行分析。 5 1 1 主程序模块 主程序模块是整个软件系统的核心，主要完成对各个子模块的调用。本 系统中的主程序模块流程图如图5 2 所示实现以下功能：一是实现a v r 单片 机与p c 机的通信功能，a v r 单片机响应串行通信中断实现p c 主从控制和 a v r 自主控制的切换；二是单片机响应外部中断，执行中断服务程序调用相 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应的功能子程序模块，p w m 控制模块。 p c 机控制程序模块 害 通讯模决 毒 a v r 主程序、功能 选择模块 士 j l a d 转 换 速度力矩键盘 程 控制控制显示 序 程序程序程序 模 模块模块模块 块 图5 1 系统程序模块结构图 在主程序中初始化堆栈，初始化各个i o 端口，初始化外部中断和串行 中断，调用复位子程序r e s e t 0 ( 程序流程图如图5 2 所示) ，使系统回到零 初始位置。等待功能设置，根据功能设置标志r u nf l a g 进而执行相应的 功能子程序。在主程序中还调用了保存运行标志r u nf l a g 的保存，这样 在再次执行程序是可以调回。 整个程序运行的状态由自定义的一个状态标志寄存器r u n 来设_flag 置，其格式如下所示： 4 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 2a v r 单片机主程序模块 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 3 回复零位r e s e t o 子程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 2a d 转换程序模块 a r 9 0 s 8 5 3 5 具有8 个通道1 0 位精度的逐次逼近型a d 转换器( a 口) ， 允许a 口作为a d c 输入引脚，a d c 内部包含一个采样保持器。通道的选择 由a d c 多路选择寄存器a d m u x 设置确定，a d m u x 格式如下： j f f l i i m l d ( 2 f m u x l l m u x o i h 仉2 m u x 0 ：模拟通道选择位 a d 转换由a d c 控制和状态寄存器a d c s r 进行设置控制。a d c s r 格式如下： a d c 可以工作于两种模式：单次转换模式和自由运行模式。在单次转换 模式下，必须启动每一次转换；在自由模式下，a d c 会连续采样并且更新 a d c 数据寄存器。a d c s r 的a d f r 位用于选择模式。设置a d f r 为l ，进 行自由模式的转换。由于模拟通道的转换总是要延迟到转换结束；因此，自 动运行模式可以用来扫描多个通道而不中断转换器。 a d c 由控制和状态寄存器a d c s r 的a d e n 为控制使能位，a d c 使能后， 第一次转换将引发一次哑转换过程，以初始化a d c ，然后才真正进行d 转换。此次转换过程比其他转换过程多用1 2 个a d c 时钟周期。如果进行单 次转换，则每一次转换之前都必须进行a d 启动。 a d s c 置位将启动a d 转换。在转换过程中，a d s c 一直保持为高，转 换结束后，a d s c 被硬件清零。如果转换过程中通道改变，那么首先完成当 前的转换，然后通道改变。a d c 结束后会置位a d i f ，可以触发中断。过高 的a d c 频率会导致采样精度的降低，a d c 有一个预分频器( p r e s c a l e ) ， a d c s r 的a d p s o a d p s 2 设置将系统的时钟调整到可以接受的a d c 时钟 ( 5 0 2 0 0 h z ) 。a d 转换在a d c 时钟的上升沿启动，采样保持花费1 5 倍 a d c 时钟，在第1 3 个周期转换结束，数据输入a d c 数据寄存器。 a d c 产生的1 0 位转换结果a d c h 和a d c l ，为了保证正确的读取数据， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统采用先读取a d c l 的保护逻辑( a d c l 开始被读取时，a d c 对数据存储 器的访问被禁止) 。本系统的a d 模块采用多次采样求平均值的方法得到， 程序流程图如5 4 所示。 图5 4a d 转换子程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 - 3 键盘程序模块 本系统键盘由外部中断引入，使能外部中断，按键后响应外部中断程序。 触发方式由m c u 控制寄存器m c u c r 决定，当设置为低电平时，只要电平 为低，中断就一直触发。 本系统按键触发方式选择上升沿触发，因此需要对m c r c r 进行设置， 其格式如下： 将i s c 0 0 、i s c 0 1 设置为i o ，外部中断0 采用下降沿触发， s c l 0 、i s c l l 设 置为1 l ，这样就确定了外部中断1 上升沿触发方式。连接外部中断1 的按键 通过与非门7 4 l s 3 0 引入中断，所以按键按下后经过产生上升沿，在中断响 应程序中查询按键所接的f o 端口，以确定相应的按键键值。按键触发外部 中断程序流程图如图5 5 所示。 在主程序中调用模式设置子程序模块，根据外部中断1 读取的按键键值 设置r u nf l a g 标志寄存器中的m o d e x l 、m o d e x 0 两位，这两位的四种 取值分别对应一种模式。外部中断0 中断触发改变r u nf l a g 德启停位控 制整个系统的运行于停止。 5 1 4 显示程序模块 显示子程序模块的主要功能是将二进制数据转换成为十进制数据并将所 得到的十进制程序存入内存s r a m ，通过p c 6 、p c 7 搭建的串行口将需要显 示的数据发送至l e d 显示器，完成数码显示的功能。显示予程序流程图如图 5 6 所示。 建立串行显示时钟： c l o c k l ：s b i p o r t e ，7 ；给出时钟上升沿 h o p 4 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c b ip o r t c ，7；给出时钟下降沿 显示每一位数据时进行消隐，可以防止屏幕显示的闪烁。 图5 5 按键中断程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 6 显示子程序模块流程图 5 1 5 功能选择子程序模块 本课题研究的手臂康复训练机器人需要实现四种训练功能，在进入子程 序后响应外部的功能选择，而后进入相应的功能模块。四种训练功能分别为： 1 ) m o d e l ：电动机提供运动驱动力，带动被训练者的左、有手臂进行 平面回转运动( 如图5 7 所示) 。 2 ) m o d e 2 ：受训练者的左手臂自主运动，右手臂做跟随运动( 如图5 8 所示) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ) m o d e 3 ：受训练者的右手臂自主运动，左手臂做跟随运动( 如图5 9 所示) 。 4 ) m o d e 4 ：左、有手臂均自主运动，手臂康复训练机器人的机械手臂 位人体提供阻尼，可以用于训练手臂机能( 如图5 1 0 所示) 。 5 1 6 存储记忆模块 在整个系统添加了功能存储记忆模块，这样可以将训练者前一次训练选 用的模式记忆住，用于再次训练时回调用。实现方法是调用子程序模块 e e w r i t e 将模式选择控制寄存器r u nf l a g 中的值写入e e p r o m ，重新 执行程序时调用子程序模块e e r e a d ，读回r u n 。上述两个子程序_flag 模块主要由e e c r 来设定，e e c r 格式如下： e e m w e 位决定了设置e e w e 是否导致e e p r o m 被写入。当e e m w e 被置1 时，设置e e w e 将把数据写入e e p r o m 所选择的地址中，否则无效。 e e w e 是对e e p r o m 的写选通信号。写入e e p r o m 的过程： ( 1 ) 等待e e w e 位变为0 f 2 ) 把新的e e p r o m 地址写入e e a r ( 3 ) 把新的e e p r o m 数据写入e e d r 似) 在e e c r 中的e e m w e 位设置逻辑1 ( 5 ) 在e e m w e 设置后的四个时钟周期内，在e e w e 中写入逻辑1 e e p r o m 读取触发信号e e r e 是对e e p r o m 的读取选通。如下为e e w r i t e 和e e r e a d 子程序： ：向e e p r o m 中写入r u n _ f l a g 子程序e e w r i t e e e w r i t e ：s b i ce e c e e w e ；如果e e w e 不清除 r j m pe e w d t e ：等待 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 7 m o d e l 子程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 8 m o d e 2 子程序流程图 5 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 9m o d e 3 子程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 1 0m o d e 4 子程序流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p u s ht e m p i p u s ht e m p h l d it e m p l ，e e l l d it e m p h ，e e h o u te e a r h ，t e m p h o u t e e a r l ，t e m p i o u te e d r , r u n _ f l a g s b ie e c r ，e e m w e s b ie e c r ，e e w e p o pt e m p h p o pt e m p i l e t ：输出地址 输出数据 ：设置e e p r o m 写选通 从e e p r o m 中读取r u n _ f l a g 子程序e e r e a d e e r e a d ：s b i ee e c r , e e w e：如果e e w e 不清除 r j m p e e r e a d ：等待 p u s ht e m p i p u s ht e m p h l d it e m p i ，e e l l d it e m p h , e e h o u t e e a r h ，t e m p h o u te e a r l , t e m p l s b ie e c i l e e r e i nr u n _ f l a g ，e e d r p o pt e m p h p o pt e m p i r e t ：输出地址 ；设置e e p r o m 读选通 ：得到数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 7p w m 功放程序模块 定时器，计数器1 可被用作8 位、9 位或1 0 位的脉冲调制器，定时器计 数器1 控制寄存器a ( t c c r l a ) 的格式如下： c o m l a l 和c o m l a 0 控制位决定了在定时器计数器1 中比较匹配之后 输出引脚事件。输出引脚事件影响o c l ，当c o m l a l 为0 ，c o m l a 0 为0 时，不触发o c l a 、o c l b 输出线，使其可以输出所需的p w m 。当p w m l l 为0 ，p w m i o 为1 时，可将定时器肼数器1 设为8 位的p w m ，因此寄存器 t c c r l a 的值设置为0 3 h 。此时定时器计数器1 寄存器所能设置的最大值为 f f h 。 定时器计数器1 控制寄存器b ( t c c r l b ) 的格式如下： 低3 位用于设置定时器，计数器1 的预定比例源( p r e s c a l e ) ，当c s l 2 为0 ，c s l l 为1 ，c s l 0 为1 时，定时器计数器1 的时钟源为对内部时钟的 6 4 倍预分频。 定时器计数器1 输出比较寄存器o c r l a l 、o c r l b l 、o c r l a h 、 o c r l b h 中包括将要连续与定时器计数器1 相比较的数据。当选择位p w m 模式时，定时器计数器l 以及输出比较寄存器o c r l a 和输出比较寄存器 o c r l b 形成一个双8 位、9 位或者1 0 位无尖峰、自运行的p w m 。用a v r 单片机实现p w m 输出的原理如图5 1 1 所示：定时器计数器1 作为向上向 下的计数器，从$ 0 0 0 0 向上计数到最大值，在重复循环之前，它反转，并向 下再次计数n $ o o o o 。当计数器值与输出比较寄存器o c r l a o c r l b 的值相 等时，o c i m o c l b 引脚根据定时器计数器l 控制寄存器t c c r l a 中的 c o m l a l c o m l a 0 或者c o m l b l c 0 m 1 8 0 中的设置而动作( 被设置或清 哈尔滨工程大学硕士学位论文 除) 。 在p w m 模式下，当计数器在方向$ 0 0 0 0 时候，定时器溢出标志1 t o v l 被设置。定时器溢出中断1 以正常的定时器计数器模式工作。 计数器值 厂厂 厂厂 p w m 输出 图5 1 1a v r 单片机实现p w m 的原理图 5 2p c 机控制系统软件 5 2 1a v r 通信模块设计 通信模块包括与p c 机的通信模块和与a v r 单片机的通信模块， a t 9 0 s 8 5 3 5 与p c 机之间是通过单片机的串口直接进行通信的。通过串口进 行通信的程序可以分为3 个组成部分：用户操作界面，通信协议和通信功能 的实现，串口硬件。 a v r 单片机采用精简指令系统，其软件使用a v r 单片机专用的指令进 行编写。a v r 单片机与上位机的串行通信采用它自带的通用串行异步收发 器，数据格式采用1 位起始位，l 位停止位，8 位数据，波特率采用9 6 0 0 b y t e s s ， 数据接收采用中断方式。 为此，应对u a r t 控制寄存器( u c r ) 进行设置，其格式如下： 断使能位，应置0 ； u a r t 状态寄存器( u s r ) ，格式如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r x c 和t x c 分别为接收完成和发送完成位，当r x c 为1 时，表示数据 已接收完毕，当t x c 为1 时，表示数据已发送完毕。在发送完数据时，应将 t