精品文檔-下載后可編輯基于LPC2132控制步進(jìn)電機(jī)在康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用摘要：為了實現(xiàn)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的實時跟隨，并且恒力減重功能。在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人頂部設(shè)立可移動的減重平臺。采用LPC2132控制器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。電路控制系統(tǒng)中，采用A/D轉(zhuǎn)換模塊獲取傳感器信號，PWM發(fā)射模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運動，串口通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行交互。利用Proteus對脈沖信號進(jìn)行仿真，通過試驗證明了系統(tǒng)具有穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

0引言

LPC2132是基于一個支持實時防真的嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有32KB,64KB,512KB的嵌入的高速FLASH存儲器。其內(nèi)部有1個10位8路A/D轉(zhuǎn)換器可用于采集傳感器信號，并具有建立在標(biāo)準(zhǔn)定時器0/1之上的脈寬調(diào)制器，用于對步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字化元件，與LPC2132相結(jié)合，可以達(dá)到控制。

1步進(jìn)電機(jī)的特性

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制的電動機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移量與電脈沖個數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速或線速度與電脈沖頻率成正比，在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化。通過改變脈沖頻率的高低可以在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，并能進(jìn)行快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。

本設(shè)計針對目前各個領(lǐng)域?qū)ψ詣踊男枰?，采用LPC2132處理器與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，并將其應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，能夠極大的減輕醫(yī)師的勞動強(qiáng)度，提高對患者的治療效率。

2LPC2132控制芯片的主要功能及應(yīng)用

（1）LPC2132芯片當(dāng)中具有建立在標(biāo)準(zhǔn)定時器0/1上的脈寬調(diào)試器（PWM）。通過設(shè)置不同的匹配寄存器，可以獨立的控制上升沿和下降沿的位置，進(jìn)而可以控制多相位電機(jī)。

（2）具有一個逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器。其中8個管腳復(fù)用為輸入腳，可將從角度傳感器和力傳感器獲得的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行處理。

（3）具有異步串行口?？梢耘c計算機(jī)進(jìn)行實時信息交互。

（4）具有穩(wěn)定的時鐘電路以及JTAG電路。

3控制系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)控制原理

由于腦卒中患者腿部不具有正常的支撐能力，所以在康復(fù)訓(xùn)練的時候，需要對患者進(jìn)行減重[7-8].減重控制平臺搭建在下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練平臺的上方，它通過吊繩（含力傳感器）和馬甲與患者相連，并且可以跟隨患者在設(shè)定的軌道上移動，能夠?qū)崟r的對患者進(jìn)行恒力減重。正常情況下，減重平臺在患者的正上方，吊繩與減重平臺是垂直的，當(dāng)患者在康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺上進(jìn)行康復(fù)行走訓(xùn)練時，會帶動吊繩偏離豎直方向。角度傳感器檢測出這個角度，驅(qū)動偏移電機(jī)動作，從而平復(fù)這個角度?？刂圃韴D如圖1所示。

3.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

減重平臺上有兩個步進(jìn)電機(jī)，分別為偏移電機(jī)和減重電機(jī)。偏移電機(jī)上連有尼龍繩，尼龍繩連接在減重平臺的兩端，從而帶動減重平臺左右移動。而減重電機(jī)通過一對錐齒輪連接到滾筒上，通過控制滾筒上繩子的收放來調(diào)節(jié)繩子的張力，以實現(xiàn)減重。

減重平臺的結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示。

3.3硬件電路設(shè)計

減重控制平臺采用雙閉環(huán)控制，分別為力閉環(huán)控制和角度閉環(huán)控制。主控芯片采用Phlips公司的LPC2132芯片[9].配備外圍控制電路模塊如圖3所示。

為了消除外接電路的干擾，采用光電耦合電路，將控制電路和驅(qū)動器電路隔離開來，避免外接電路干擾或破壞控制電路[10].本設(shè)計選擇了TOSHIBA公司的TLP521-4光電耦合芯片。光電隔離電路如圖4所示，左側(cè)PWM作為輸入斷與芯片的管腳相連，右側(cè)PW作為輸出端與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連。

3.4軟件設(shè)計

（1）控制系統(tǒng)需要實時的處理拉力傳感器和角度傳感器采集的信號，并將這些模擬量通過A/D模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。以角度傳感器為例，本系統(tǒng)選用的角度傳感器是將旋轉(zhuǎn)的角度轉(zhuǎn)換成動態(tài)的電壓。

如圖5為A/D轉(zhuǎn)換流程圖，由于控制芯片滿額度電壓為3.3V,且轉(zhuǎn)換精度為10位，即2^10=1024級，若從A/D轉(zhuǎn)換寄存器中讀到的電壓值為V,則實際電壓U為：

（2）要想使步進(jìn)電機(jī)能夠運轉(zhuǎn)，需要控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的脈沖信號。通過設(shè)置LPC2132芯片中的不同匹配寄存器來獲得相應(yīng)的脈沖信號。通過設(shè)置不同的脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。軟件用C語言編寫并在ADS開發(fā)環(huán)境中完成，將編寫好的程序轉(zhuǎn)換成Hex文件，將文件導(dǎo)入到Protues軟件當(dāng)中進(jìn)行仿真。如圖6所示。

（3）通過設(shè)置串口，可以與計算機(jī)進(jìn)行實時交互。

LPC2132具有2個異步串行口，分別為UART0和UART1.在串口初始化的時候，必須設(shè)置除數(shù)鎖存器，它保存了用于產(chǎn)生波特率時鐘的VPB時鐘分頻值，波特率時鐘必須是波特率的16倍，計算公式如下：

軟件部分需要劃分不同的程序模塊，包括串口程序，信息采集程序，脈沖調(diào)試程序。本軟件的編寫在適合ARM芯片的ADS開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，并用匯編語言作為啟動代碼，各程序模塊用C語言進(jìn)行編程。為了消除系統(tǒng)誤差，增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的控制精度，本系統(tǒng)引進(jìn)了PID算法，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4結(jié)語

本設(shè)計以下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人為