喬 杰，李致金，郝一飛，胡鳴蕾

（南京信息工程大學(xué) 江蘇 南京 210044）

智能假肢沒有明確的定義，其具體評價(jià)指標(biāo)也是隨著假肢技術(shù)進(jìn)步而不斷提升的。實(shí)際上，假肢本身是一種機(jī)械／機(jī)電產(chǎn)品，之所以冠以智能是強(qiáng)調(diào)其具有主動適應(yīng)外部條件變化的能力[1]。目前假肢的智能水平都還是非常初級的。隨著機(jī)械、電子信息、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，截肢者對假肢提出了更高的要求。國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究并取得了一些進(jìn)展，能夠主動伸膝的動力膝關(guān)節(jié)、運(yùn)動靈活精巧的多指多自由度假手等高性能智能假肢也逐漸推向市場[2]。本文在采用基于語音信號控制的基礎(chǔ)上，對智能假手控制做了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能假手的動作命令由安裝假手的人（以下簡稱裝手者）通過語音命令控制。例如，裝手者發(fā)出“抓握”的命令，語音識別模塊識別“抓握”語音命令后，將其轉(zhuǎn)換成主控系統(tǒng)能夠識別的數(shù)字信號，通過串行接口傳遞給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)采用新穎的Arduino控制模塊，Arduino基于開放原代碼Simple I/O平臺。主控系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)“抓握”命令給指關(guān)節(jié)控制模塊。指關(guān)節(jié)控制模塊控制五個指關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而彎曲手指，實(shí)現(xiàn)抓握。在每個指關(guān)節(jié)上裝有靈敏的壓力傳感器，當(dāng)手指抓握物品后，壓力傳感器受力并將壓力信號通過指關(guān)節(jié)控制器傳送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置的抓取物品的專家系統(tǒng)，再向指關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)送調(diào)整后抓握數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可靠的抓握動作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 語音識別模塊簡介

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of system

語音識別技術(shù)是把語音信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本或命令，從而使機(jī)器識別和理解的一種技術(shù)。語音識別技術(shù)可分為兩類：一為對特定發(fā)音者的模式識別，使用前需要進(jìn)行簡單的訓(xùn)練；二為對非特定發(fā)音者的模式識別，無需訓(xùn)練，任何人都可使用。LD3320語音識別模塊[3]具有以下特點(diǎn)：1）非特定人的語音識別技術(shù)：不需要進(jìn)行錄音訓(xùn)練可直接使用；2）具有可動態(tài)編輯的識別關(guān)鍵詞語列表。只要把識別的關(guān)鍵詞語以字符串的形式輸進(jìn)芯片，就可以在下次識別中即刻生效。除此之外，該芯片的關(guān)鍵詞語列表編輯極為方便，只需把相應(yīng)關(guān)鍵詞的漢語拼音寫入程序指定位置即可；3）內(nèi)置高精度A/D、D/A通道，不需外接AD芯片，麥克風(fēng)可直接接在芯片AD引腳上；4）高準(zhǔn)確度實(shí)用語音識別效果。

本系統(tǒng)中LD3320語音識別模塊通過麥克識別語音后發(fā)送到語音指令處理系統(tǒng)，如圖1所示。語音信號經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號，再通過串行接口RX、TX發(fā)送到Arduino控制模塊中。

在語音識別模式中，識別的質(zhì)量和有效作用距離與麥克風(fēng)的質(zhì)量有較大的關(guān)系。麥克風(fēng)的質(zhì)量決定了入送識別芯片的距離，即也決定了語音識別效果的距離。LD3320語音識別系統(tǒng)中MIC的增益、對周圍聲音強(qiáng)度的靈敏度、以及響應(yīng)速度都可通過內(nèi)置的寄存器調(diào)節(jié)。說話人的嘴巴離麥克風(fēng)的距離一般應(yīng)該在0.5米以上，再接近可能會產(chǎn)生過激響應(yīng)[4]。如果增加靈敏度、擴(kuò)大識別距離，調(diào)節(jié)相應(yīng)的寄存器設(shè)置值可以實(shí)現(xiàn)效果，但會導(dǎo)致識別率的下降，所以合理地設(shè)置寄存器的數(shù)值是非常重要的。LD3320語音識別模塊外圍接口如圖2所示。 圖2中，VDD為數(shù)字電路用電源輸入，電壓范圍3～3.3 V。VDDIO為數(shù)字I/O電路用電源輸入，電壓范圍1.65 V－VDD；VDDA為模擬電路電源輸入，電壓范圍3～4 V。VDD電源必須和主控系統(tǒng)arduino控制模塊電源共地，否則串口傳輸數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)無法傳輸?shù)膯栴}[5]。

圖2 LD3320接口圖Fig.2 LD3320 interface circuit

LD3320芯片通過8根數(shù)據(jù)線（P0－P7）與主控系統(tǒng)CPU并行連接，通過 4個控制信號（WRB*，RDB*，CS*，A0）和一個中斷返回信號（INTB*）實(shí)現(xiàn)與主控系統(tǒng)CPU之間的數(shù)據(jù)讀寫。 LD3320串行接口通過SPI協(xié)議與外部主CPU連接。

1.2 主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用Arduino模塊[6]作為系統(tǒng)的總控制部分，Arduino模塊采用低價(jià)格微處理控制器（AVR系列）作為核心控制芯片，內(nèi)置多種外圍信號接口。輸入部分可直接完成與傳感器連接，輸出部分可直接驅(qū)動伺服或步進(jìn)馬達(dá)。同時(shí)，Arduino模塊開放源代碼電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口可以免費(fèi)下載，也可根據(jù)自己需求修改。本系統(tǒng)中采用Arduino uno R3，內(nèi)部最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

Arduino模塊內(nèi)置14路輸入輸出口，工作電壓5 V，每一路可輸出和接入最大電流40 mA。每一路配置有20－50K內(nèi)部上拉電阻。6路模擬信號輸入口，每一路可實(shí)現(xiàn)10位的A/D轉(zhuǎn)換。接口輸入電壓默認(rèn)輸入信號范圍為0到5 V。如需改變，可通過AREF調(diào)整輸入電壓的上限。

1.3 指關(guān)節(jié)控制模塊

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，指關(guān)節(jié)動作由舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)由舵盤、位置反饋電位器、控制電路和伺服電機(jī)構(gòu)成。伺服電機(jī)驅(qū)動位置反饋電位器，位置電位器變化反映指關(guān)節(jié)位置的變化。位置電位器的轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換成為電壓并反饋給控制電路，控制電路會把反饋信號和輸入控制脈沖信號做一個比較，從而產(chǎn)生糾正脈沖，驅(qū)動伺服電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動，使指關(guān)節(jié)的位置與期望值相符。其工作原理框圖4所示。

圖3 Arduino模塊最小系統(tǒng)電路圖Fig.3 Minimum system circuit diagram of Arduino

圖4 舵機(jī)設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of servo system

1.4 傳感器模塊

為了反饋假手抓握物品情況，保護(hù)假手和物品不受壓力過大而損壞，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，每個指尖上都裝有一個壓力傳感器FSR402。FSR402壓力傳感器采用聚合體薄膜力敏電阻材料，對其表面的正壓力十分敏感，能夠精確地將壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號[6]。FSR402傳感器為貼片式，體積小，精度高，靈敏性好，使用非常便捷。FSR402壓力傳感器接出3個引腳，分別為模擬電壓輸出端子，電源正、負(fù)端子，其連接電路示意如圖5所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將圖5中的模擬電壓輸出端子接在相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊中，實(shí)現(xiàn)壓力模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。因本系統(tǒng)中，每個假手有5個手指，因此主控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有5路的A/D轉(zhuǎn)換接口電路。

圖5 傳感器連接電路Fig.5 Connection circuit of sensor

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一部分為語音識別的程序；一部分是主控系統(tǒng)的控制程序，本文主要闡述語音識別程序部分。語音識別程序基于C語言編程[7]，識別的過程如圖6所示。

圖6 語音識別過程圖Fig.6 Block diagram of speech recognition

語音識別可以用中斷方式或查詢方式工作。系統(tǒng)初始化后，將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器中。系統(tǒng)讀取寄存B2H的值，若其值是21H即表明已有識別結(jié)果產(chǎn)生。初始化的流程圖如圖7所示。

圖7 初始化流程圖Fig.7 Flow diagram of initialization

當(dāng)麥克風(fēng)采集到聲音后，則不管識別結(jié)果是否正確，都將產(chǎn)生一個中斷信號。中斷程序通過寄存器的值來分析結(jié)果。讀取BA寄存器的值，知道候選答案個數(shù)。特別的，C5寄存器里的答案是正確可能性最大。如發(fā)音為“抓起”并被成功識別（且無其他候選），那么 BA寄存器里的數(shù)值是1，而C5寄存器里的值是對應(yīng)的編碼3。識別流程圖如圖8所示。

圖8 語音識別流程圖Fig.8 Flow diagram of speech recognition

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過語音識別控制假手的動作，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的手指動作，可為截肢提供有益的幫助。當(dāng)然假手要想代替部分人手的功能還要在智能和仿生兩方面做進(jìn)一步的研究。仿生方面分為運(yùn)動仿生和控制仿生，這兩方面始終是假肢研究的核心問題。前者可以使假肢具有自然肢體的運(yùn)動能力，后者可以使假肢系統(tǒng)的動作能隨心所欲。目前機(jī)器人技術(shù)、生物信息、信息科學(xué)、生物材料、微型技術(shù)、顯微外科、等多種領(lǐng)域中的新技術(shù)進(jìn)展為假肢技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件，相信在不久的將來，智能仿生假手一定會慢慢市場化。

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