【摘要】：智能人工腿是目前機(jī)器人學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn),它與傳統(tǒng)機(jī)械人工腿的區(qū)別之處在于其能夠根據(jù)對外界環(huán)境信息的識別和處理,自動(dòng)地協(xié)調(diào)假肢與健肢的步速和步態(tài),使患者獲得自然和諧的行走行為。體現(xiàn)這種智能性的一個(gè)關(guān)鍵因素是人工腿內(nèi)部安裝有智能控制器。這種控制器能夠獲取外界環(huán)境信息并進(jìn)行分析處理,輸出相應(yīng)控制信息,使執(zhí)行機(jī)構(gòu)(汽缸或液壓缸)能夠改變自身的參數(shù)從而產(chǎn)生所需要的伸展力和阻尼,最后改變?nèi)斯ね鹊牟剿俸筒綉B(tài)。 論文研究一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)人工腿智能化的控制器,使人工腿能夠根據(jù)步行環(huán)境的變化自主選擇合適的步速步態(tài),使患者恢復(fù)較協(xié)調(diào)的行走行為。該系統(tǒng)為一個(gè)高精度位置伺服控制系統(tǒng),通過控制安裝在汽缸中的針閥開度來調(diào)整步速。為使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),每個(gè)環(huán)都設(shè)計(jì)有相應(yīng)的控制器完成校正調(diào)節(jié)任務(wù),分別是PI控制器、PI控制器和一個(gè)在線參數(shù)自調(diào)整的模糊PD控制器。其中電流環(huán)和速度環(huán)是為了增強(qiáng)系統(tǒng)的快速性能和抗干擾性能,位置環(huán)是為了得到更高的控制精度。該系統(tǒng)選用一種新的進(jìn)化算法——微分進(jìn)化算法(Differential Evolution Algorithm),對控制器的參數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化。 文中詳細(xì)介紹了微分進(jìn)化算法,它是一種基于自然進(jìn)化思想的隨機(jī)搜索算法,相比于其他類似搜索算法有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景,本文利用它對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定,結(jié)果表明效果良好。同時(shí)在文中闡述了三閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,給出了計(jì)算機(jī)的仿真結(jié)果。最后說明了控制器硬件電路的設(shè)計(jì)和開發(fā),軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試,控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的智能人工腿控制器能夠有效地提高控制系統(tǒng)的智能性、魯棒性、快速性和準(zhǔn)確性,可以完成汽缸針閥開度的調(diào)節(jié)任務(wù),能夠使截肢者恢復(fù)協(xié)調(diào)的行走行為。
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2005
【分類號】：TP242
【圖文】：

工腿步行的對稱性受到嚴(yán)重破壞，使截肢者更容易感覺疲勞。為解決這一問前主要通過用手指調(diào)整安裝在氣缸或油缸上特定部位的調(diào)整螺釘，改變缸內(nèi)閥的開度，使之與期望的步速相對應(yīng)。但這種方法由于每次改變步速都需要指調(diào)整螺釘，結(jié)果使步行這一本來是無意識的運(yùn)動(dòng)變成了有意識地進(jìn)行改變動(dòng)，這顯然會使截肢者有不自然、不方便的感覺。為了徹底解決上述問題，日本的中川昭夫等人在1986年首先構(gòu)想出基于理器的氣動(dòng)式擺動(dòng)控制的膝關(guān)節(jié)，并在1989年向全世界公開了該項(xiàng)技術(shù)。19，英國布萊切福特公司獲得了這一技術(shù)許可，由其資深工程師SaCedZ滋制出了世界上第一個(gè)智能人工腿PI(neItllgientPDrhestsi)s.[6’]。該公司在19將PI投放市場。1995年助址di又在PI的基礎(chǔ)上研制出性能更完善的智能腿I+P(Inetlli羅ntporsthesispusl)[5]。此外，日本的NABCOLdt.公司也在1994年研制出結(jié)構(gòu)類似于I+P的智能腿Nx一elll[8]，IP+和M一e一11的外形分別如圖l一、圖l一2所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)1996年底為止，全世界己有3千多截肢者在使用這三種智能人工腿，而且者還在大幅增加。

單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖2一5，2一6，2一7和2一8所示。從表2一2中的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，DE一PDI控制器對四種被控對象總是獲得最小的了別E值，由此可見，微分進(jìn)化算法在解決控制系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化問題時(shí)具有很好的適應(yīng)性和魯棒性。并且注意到，對高階傳函測試時(shí)，DE一PID控制器較另外兩種控制器具有更好的快速性，這為我們在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用DE一PID控制器提供了理論依據(jù)。

三種算法對第二種測試傳函的階躍響應(yīng)曲線

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