??? 摘 要: 為了滿足多操作機排牙機器人實現人類全口義齒排牙對實時性" title="實時性">實時性和準確性的需要以及解決對大批量步進電機" title="步進電機">步進電機進行控制的難題，提出采用主從式單片機控制方案，開發了基于MSP430單片機的多操作機排牙機器人下位機" title="下位機">下位機控制系統" title="控制系統">控制系統。詳細介紹了多操作機排牙機器人的結構及工作過程、多操作機排牙機器人下位機控制系統的硬件實現和軟件系統。實驗結果表明，該控制系統設計合理，具有控制精確、開放性好、可靠性高等優點。
??? 關鍵詞: 多操作機? 全口義齒? 步進電機? MSP430
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??? 長期以來，口腔修復醫學都是以視覺效果的評價和手工操作為基礎，以經驗積累和歸納總結為主要發展方式，以形象思維和形式邏輯為主要思維方式的形象科學[1]。正是由于這種原因導致在臨床醫療過程中存在很大的隨機性和局限性，同時也極大地阻礙了口腔修復醫學的發展，并使口腔修復醫學的發展水平遠遠落后于世界科學技術的發展水平。為此,本文提出利用多操作機機器人來輔助設計制作全口義齒人工牙列，這不但可以實現比高級口腔修復醫療專家更精確的重復動作操作，同時還能避免專家因疲勞、疾病、情緒、疏忽等原因造成的失誤。這將徹底改變靠醫生個人經驗設計和手工制作全口義齒的落后方式，使全口義齒的設計與制作進入到既能滿足無牙頜患者個體生理功能及美觀的要求，又能達到規范化、標準化、自動化、工業化的水平[2]。同時又解決了目前單操作機排牙機器人難以實現復雜人工牙的精確抓取和定位問題[3]，極大地提高了制作效率和質量。
??? 為了實現多操作機排牙機器人的高可靠性、高精度的特點，以及滿足患者對全口義齒生理功能和美觀的要求，排牙機器人控制系統整體性能的實現起著關鍵作用。因此，開發價格相對低廉并具備高精度特性的排牙機器人控制系統將擁有良好的應用前景。為了實現上述功能并基于性價比考慮，本文提出由TI公司的MSP430F149單片機構成主從式單片機控制單元，并與PC機構成主從式控制系統的系統實現方案。為了實現多任務的處理，軟件部分采用時間片輪轉技術，并利用IAR 嵌入式工作平臺Embedded Workbench對排牙機器人下位機控制軟件進行編制。
1 多操作機排牙機器人的工作過程
??? 多操作機排牙機器人的結構圖如圖1所示。具體的工作原理：通過鋼絲軟軸進行傳動以適應傳動過程中可動件與不動件的連接，同時用一個彈性可變形材料作為牙弓曲線發生器，通過電機驅動形成牙弓曲線，將14個操作機安裝在彈性材料上，操作機可以在上面進行滑動，以適應不同人的牙弓長度；利用Matlab進行擬合并進行誤差分析；利用5個點來擬合牙弓曲線可以得到較好的效果，由于其中位于對稱線上的點是固定的，所以最終只需要通過滑臺機構的運動改變彈性材料上4個點的位置就可以改變曲線形狀，使其逼近真正的牙弓曲線；同時下電機控制牙齒唇舌向的轉動和上下移動，上電機控制牙齒近遠中向的轉動，進而實現多操作機排牙的目的。
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2 控制系統總體設計
??? 多操作機排牙機器人控制系統總體組成框圖如圖2所示。為保證控制的實時性及準確性, 機器人輔助全口義齒系統采用PC機與基于MSP430F149單片機構成的控制單元相結合的主從式控制結構。根據全口義齒排牙機器人實際的運行特點，實際的排牙過程對電機速度沒有過多的要求，所以該控制系統只需要實現步進電機的位置控制和方向控制即可。在該系統中，PC機運行三維交互式全口義齒排牙軟件，三維交互式全口義齒排牙軟件根據人的牙弓參數和頜弓參數實現預排牙,再根據預排牙的結果進行單顆牙齒位置和姿態的調整，并將根據最終每顆牙齒的位置和姿態參數進行機構的軌跡規劃和逆運算得出每個時刻電機運行的脈沖數目，傳遞給由MSP430F149構成的下位機控制器，驅動各步進電機以一定的方向、速度、次序運動，同時對驅動電源過流報警信號和電機運動中的限位等輸入信號進行處理。
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3 下位機控制系統硬件設計及實現
??? 在該控制系統中，各功能模塊主要有：核心微控制器MSP430F149、存儲器擴展單元、PC機與主單片機的通信模塊、主從單片機通信模塊、MSP430F149復位電路和晶振電路，MSP430F149的JTAG接口模塊以及光電隔離模塊。為了更好地實現人機交互，該控制器還有鍵盤模塊和液晶顯示模塊" title="液晶顯示模塊">液晶顯示模塊。
3.1 核心微控制器模塊
??? 核心微控制器模塊所用單片機為TI公司的MSP430系列, 其具有體積小、運行速度快、工作穩定、處理能力強、片內外設豐富、功耗低、開發環境方便高效以及品種繁多等優點。
??? MSP430F149單片機構成的控制單元采用了主、從單片機控制方案[4-5]。其中主單片機主要負責與PC機和五個從單片機進行通信。主單片機實時接收來自于PC機以及鍵盤發出的控制指令并進行指令解釋，以判斷對某個從單片機進行電機參數和命令參數的傳遞，以及處理從從單片機反饋回來的限位和報警等信號。從單片機單元主要是對主單片機傳輸過來的指令進行具體的操作，每個從單片機負責10個步進電機的控制；從單片機單元完成對50個步進電機方向及位置的控制并記錄當前位置信息。
3.2 存儲器單元
??? 采用美國Atmel公司的E2PROM存儲芯片AT24C16作為存儲單元。AT24C16具有2KB存儲容量，并且它的數據接口符合I2C總線標準，進行讀寫操作非常方便。I2C總線是一種由飛利浦公司開發的串行總線，傳輸速率可達100Kb/s。由于MSP430F149本身不具備I2C總線接口，故采用由兩個普通I/O模擬I2C總線來進行存儲器的讀寫操作。
3.3 人機交互模塊
??? 人機交互模塊分為鍵盤模塊和液晶顯示模塊。鍵盤模塊采用3×3鍵盤，采用程序掃描方式來實現。其中基于應急考慮，為了在使用過程中一步到位，設定每個按鍵對應一個命令。液晶顯示模塊采用128×64點陣式的LM12864。液晶顯示模塊主要功能有：電機狀態的顯示，可以在液晶屏幕上顯示當前每個電機的狀態；電機位置的顯示，可以在液晶屏幕上顯示當前每個電機的位置參數，包括電機的轉角和脈沖數。
4 下位機控制系統軟件設計
??? 控制系統軟件包括三維交互式全口義齒排牙軟件和單片機軟件，單片機軟件即是下位機軟件。下位機軟件主要由主單片機軟件與從單片機軟件兩部分組成。考慮到軟件開發效率及可維護性，下位機軟件設計采用模塊化結構，用C語言編寫程序代碼，開發工具使用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench。
??? 主單片機軟件由如下功能模塊組成：鍵盤模塊、與從單片機通信的模塊、數據存儲模塊、液晶顯示模塊、與上位機通信的模塊。圖3是主單片機程序流程圖。
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??? 從單片機軟件由如下功能模塊組成：與主單片機通信的模塊、步進電機控制模塊和位置監控模塊。圖4為從單片機程序流程圖。其中步進電機控制模塊脈沖信號的產生主要靠定時器定時地響應中斷對I/O口取反而產生的，并在中斷服務程序中實現對步進電機步數的精確計數，達到系統所要達到的精度要求；轉速的控制可以通過改變定時器中斷的時間長短的方法來實現。通過串口或鍵盤向CCRX寫入新的計數值，以獲得新的脈沖信號周期。該方式可以實現步進電機脈沖周期的精確控制，從而實現對步進電機速度的精確控制；通過設置通用I/O口的狀態可以實現對步進電機方向的控制。
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4.1 批量步進電機控制的并發實現
??? 計算機控制的設計思想有兩種：以程序員為中心，面向過程的單任務編程；以事件為中心，面向對象的多任務編程[6]。在傳統的單任務機制下，各功能模塊按特定的順序形成一個單一的任務，通過循環結構往復運行。程序一經建立，各模塊的執行順序就隨之固定；模塊間的耦合也比較強，程序控制流程和系統功能的可擴展性比較差。時間片輪轉技術在單片機多任務編程中的應用，可以將單片機控制系統分解成多個相對獨立的模塊，并將各個模塊理解為一個個單一的任務，每個任務在任務調度程序的管理下獨立地占用一定數量的CPU時間片，就可以實現多任務并發處理機制。在這種嶄新的程序結構下，各個模塊間耦合度低，并且彼此處于相同的地位，通過任務調度程序輪流交替執行各模塊[7]。
??? 由于每個從單片機需要協調控制10個步進電機，在此采用時間片輪轉技術配合多任務機制來實現。為此，設計了一個可用于實時控制系統的簡潔高效的調度算法，其核心是采用單片機的內部定時器中斷服務程序作為調度主程序，以產生精確的單位時間片；同時在定時器中斷服務程序中設置一個軟件計數器，由計數器的現行值作為各個模塊入口的閾值。每個子單片機由10個任務構成，每個任務對應一個步進電機控制模塊。軟件計數器采用一個8位的存儲單元作為軟件計數器的計數單元。假定控制系統由k個任務構成，每個任務對應一個電機驅動模塊，第i個任務的優先級用ni(i=1～5)表示，優先級最高的任務規定ni=1。優先級最高的任務ni越小，在單位時間內執行的次數就越多，從而實現了多任務多優先級的并發實現，也就實現了批量步進電機的控制。為了使機器人各部分協調地運動以及本身機構的對稱性，不同的任務，優先級可能相同。為了防止計數單元的溢出，任務調度程序的入口判斷條件設置為i=0。系統功能的增加和刪除只需要修改子任務和任務調度程序的入口閾值即可，所以具有良好的可擴展性。具體的任務調度算法如圖5所示。
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4.2 主從單片機的多機通信
??? 主單片機一方面需和鍵盤通信，另一方面還需要和五個從單片機進行通信，這使得主單片機必須具備六個串行通信接口。而MSP430F149本身只含兩個UART，因此，就需要對MSP430F149的串口進行擴展。經綜合考慮，主單片機的UART1單獨用于和鍵盤進行通信，UART2采用多機通信方式，分別與從單片機串口相連實行串口分時復用。在此，采用地址位方式實現主機對多從機的尋址，從機以總線方式與主機連接。
??? 主單片機向從單片機發送的數據幀格式中，其中數據塊的第一個字符是一個帶有置位功能的地址位，用以表明該字符是一個地址，地址幀的取值范圍為1～5，即主機可以呼叫五個從機之一。當實現主機向多個從機發送字符串的功能時，主機以從機地址呼叫，只有地址相符的從機能識別呼叫并做出響應，接著數據幀的第1~第8位發送字符串，最后發送幀尾0結束。從機識別呼叫地址，發現相符時接收后續數據，接收到幀尾為0時結束。
??? 當實現主機接收從機數據的功能時，在采用上面的幀格式形式的同時，補充修改了以上的通信協議，增加了下面一些功能：(1)主機以特定字符串請求從機發送數據，在幀發送完一定時間內等待從機響應。(2)如果主機在請求從機發送后規定的時間內未收到響應，即認為超時出錯，結束等待。(3)從機在收到請求發送字符串后，發送數據幀響應。
??? 本文針對多操作機機器人排牙對實時性和準確性的要求，開發了基于MSP430的多操作機排牙機器人下位機控制系統。實驗結果表明：該控制系統由于采用主從式單片機結構進行系統設計,大大提高了系統的實時性，降低了軟件開發的復雜度，同時配合采用高性能細分驅動器SH-2H042Ma，使得最終設計出的多操作機排牙機器人控制系統能夠實現定量排牙、確保義齒質量，提高工作效率等功能，并具有高精度、成本低及可靠性高等優點。
??? 該系統還存在一些問題，需要進一步加以解決：（1）在通信方式上采用RS-232實現PC機與下位機控制系統的通信，由于RS-232傳輸速度的限制，影響了PC機與下位機控制系統通信的實時性，有必要開發基于USB總線的運動控制器。（2）由于需要對大批量微型步進電機進行控制，所以還難以實現多操作機排牙機器人所有關節的同時聯動。在今后的工作中， 將針對這些問題開展深入的研究。
參考文獻
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