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-STM CPU 的微控制器，并帶有32 KB,64 KB,512 KB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，并具有建立在標準定時器0/1之上的脈寬調(diào)制器，用于對步進電機的控制。步進電機作為數(shù)字化元件，與LPC2132相結(jié)合，可以達到精確控制。

1 步進電機的特性

步進電機是一種用電脈沖信號進行控制的電動機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，因此非常適合于單片機控制。步進電機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，在負載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小、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)步進電機的調(diào)速，并能進行快速啟動、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捎肔PC2132處理器與步進電機結(jié)合，并將其應(yīng)用于康復(fù)機器人領(lǐng)域，能夠極大的減輕醫(yī)師的勞動強度，提高對患者的治療效率。

2 LPC2132 控制芯片的主要功能及應(yīng)用

(1)LPC2132 芯片當中具有建立在標準定時器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，進而可以控制多相位電機。

(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)字量并進行處理。

(3)具有異步串行口。可以與計算機進行實時信息交互。

(4)具有穩(wěn)定的時鐘電路以及JTAG下載電路。

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，當患者在康復(fù)機器人訓(xùn)練平臺上進行康復(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電機，分別為偏移電機和減重電機。偏移電機上連有尼龍繩，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，將核心控制電路和驅(qū)動器電路隔離開來，避免外接電路干擾或破壞核心控制電路[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 作為輸出端與步進電機驅(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3.3 V,且轉(zhuǎn)換精度為10 位，即2^10=1 024 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)要想使步進電機能夠運轉(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電機的轉(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軟件當中進行仿真。如圖6所示。

(3)通過設(shè)置串口，可以與計算機進行實時交互。

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)境中進行，并用匯編語言作為啟動代碼，各程序模塊用C語言進行編程。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)機器人為研究背景，從工程實際出發(fā)，設(shè)計了一種康復(fù)機器人減重平臺。通過LPC2132控制步進電機，實現(xiàn)力閉環(huán)和角度閉環(huán)雙閉環(huán)控制。達到對患者的實時跟隨，并且恒力減重功能。從而減少了康復(fù)醫(yī)師的勞動強度，提高了患者康復(fù)訓(xùn)練的效率。