假肢是人體缺損肢體的替代物，用以彌補缺損肢體的形狀和功能。本文針對失去整個手臂的情況，設(shè)計出一種仿人手臂形假肢的控制系統(tǒng)。使用者可以補償部分缺失的功能，達到生活自理甚至于可以從事基本勞動，減少身心痛苦，同時也相應(yīng)地解放了護理工作用。在設(shè)計中，采用 C8051F020 單片機作為主控制器，并通過 CPLD（Complex Programmable Logic Device）完成對各個關(guān)節(jié)控制量的檢測以及凌陽 61 單片機實現(xiàn)語音控制功能。
1、 機器人假肢結(jié)構(gòu)
多自由度機器人型假肢（上肢）擁有 6 個自由度，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示。
2、 假肢控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 控制器的工作原理
控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2 所示，主要由控制、驅(qū)動、被控對象和檢測反饋四個部分構(gòu)成?？刂撇糠种饕?C8051f020 完成；驅(qū)動部分由 6 個電機驅(qū)動器構(gòu)成；被控對象即是六自由的假肢；檢測反饋部分主要由 CPLD 檢測目標位置各個關(guān)節(jié)的控制量。系統(tǒng)主要采用按鍵控制和語音控制兩種控制方式。
2.1.1 按鍵控制
系統(tǒng)采用了 12 個獨立式按鍵對 6 個電機正反方向轉(zhuǎn)動的控制，電機的轉(zhuǎn)動驅(qū)動著各個關(guān)節(jié)進行運動。各個按鍵對應(yīng)控制關(guān)節(jié)運動情況如表 1 所示。
2.1.2 語音控制
語音識別模塊由 SPCE061A 單片機完成。首先，對各個命令進行訓(xùn)練，并將訓(xùn)練結(jié)果保存下來。在系統(tǒng)運行過程中，當 SPCE061A 單片機識別出某條命令時，它會通過串口給 C8051F020 發(fā)送指令，當 C8510F020 接收到相應(yīng)的指令時，控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運動。例如：當 SPCE061A 識別出“手指張開”命令時，將會通過串口發(fā)送如“0x10”的十六進制的數(shù)，當 C8051F020 通過串口接收到“0x10”后，就會控制手指做張開運動。其他關(guān)節(jié)控制亦如此。其語音命令的控制形式如圖 3 所示。
3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件主要包括：初始化程序、頻率輸出子程序、PWM 信號輸出子程序、鍵盤控制子程序、通信子程序、語音識別系統(tǒng)、CPLD 檢測編碼器輸出子程序。
3.1 系統(tǒng)主流程
圖 4 所示為整個控制系統(tǒng)的流程圖。首先對系統(tǒng)硬件進行初始化；然后設(shè)計出兩種工作方式：按鍵方式和語音方式；之后選擇示教 3 個位置，并通過 CPLD 保存示教位置的各個關(guān)節(jié)的脈沖控制量，最后的設(shè)計是手動運動到示教的目標或是自動運動到示教的目標位置，至此即可完成對目標位置的物體的抓取功能。
3.2 CPLD 檢測編碼器設(shè)計
由系統(tǒng)流程圖可以看出，對各個示教位置的各個關(guān)節(jié)控制量的檢測與保存由 CPLD 完成。由于本設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)編碼器的傳感器，通常其輸出 A 和 B 兩路占空比為 50%的脈沖，A、B 的脈沖個數(shù)反映主軸轉(zhuǎn)過的角度，A、B 的相位關(guān)系反映主軸的旋轉(zhuǎn)方向。為了檢測上述兩個變量即主軸轉(zhuǎn)過的角度和主軸旋轉(zhuǎn)的方向，系統(tǒng)采用了一種辨向細分電路。
將 A 和 B 兩路輸入信號分別組成四種狀態(tài)（A，B）：（0，0）、（0，1）、（1，0）和（1，1）。當主軸正向旋轉(zhuǎn)時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程為：（0，0）、（1，0）、（1，1）、（0，1）、（0，0），反向旋轉(zhuǎn)時正好相反。故只需要判斷狀態(tài)（1，0）和狀態(tài)（1，1）的先后順序即可判斷出主軸旋轉(zhuǎn)的方向，并且由出現(xiàn)狀態(tài)（1，0）和（1，1）之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)就可以確定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度，即出現(xiàn)一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換就是主軸轉(zhuǎn)過 1°。由旋轉(zhuǎn)編碼器的特性設(shè)計的 CPLD 的檢測系統(tǒng)框圖如圖 5 所示。
3.3 語音識別系統(tǒng)設(shè)計
語音識別是使假肢能夠準確地聽出操作者的語音內(nèi)容，并能準確完成操作者的命令。本系統(tǒng)只針對特定人進行訓(xùn)練，并且只能對特定人的語音進行識別。主要由凌陽 SPCE061A 單片機完成。其系統(tǒng)框圖如圖 6 所示。
4、 實驗結(jié)果分析
完成以上的軟件和硬件的設(shè)計后，對整個系統(tǒng)進行了實際的控制調(diào)試。在調(diào)試過程中，各個關(guān)節(jié)都可以運動自如，并且每個按鍵對應(yīng)的控制都是完全正確的。按鍵在按下的過程中會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，為此，在程序的設(shè)計過程中通過延時程序進行了消抖。在語音控制模塊中，由于采用的是兩級命令控制，即如圖 3 所示控制形式。語音系統(tǒng)經(jīng)過多次訓(xùn)練，對特定人的語音識別率達到了 96%以上，辨識率很高。但只是針對特定的人進行試驗。如果對其他人的語音信號進行識別還會存在誤差，會出現(xiàn)個別誤操作。但這種誤差是可以控制的。只要對特定的人進行訓(xùn)練，并由被訓(xùn)練人來控制設(shè)備，即可以避免由于控制者與語音錄入者不同而給系統(tǒng)帶來的控制誤差。
該控制系統(tǒng)最大的特點是可以人為自由地進行手動控制假肢做相應(yīng)的活動，或者運用佩戴者的語音實現(xiàn)語音智能化控制假肢做相應(yīng)的運動。實現(xiàn)了設(shè)計方法和控制都簡單，操作安全、穩(wěn)定的目的。此外，可以給佩戴者設(shè)計一個遙控器（前提是針對只失去一只臂膀的用戶），如果是失去了雙臂膀，則可以在其適當?shù)牟课话惭b一個語音控制裝置，使用語音進行控制。