本文關(guān)鍵詞：CIP-I智能人工腿步速控制系統(tǒng)的研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中南大學(xué)》 2007年

CIP-I智能人工腿步速控制系統(tǒng)的研制

趙洪濤  

【摘要】： 智能人工腿融合信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械設(shè)計與制造技術(shù)以及新材料技術(shù)于一體，是機(jī)器人學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)工程學(xué)領(lǐng)域中一個重要的研究課題。智能人工腿較傳統(tǒng)假肢的優(yōu)勢在于它能夠更加準(zhǔn)確地模仿健康腿的功能，步態(tài)更加自然，同時也更能節(jié)省截肢者的體能。而且由于智能假肢對健康腿的模仿完全是自主完成的，不需要人的干預(yù)，因而截肢者的注意力可以完全從對假肢的關(guān)注中解脫出來，使步行成為一種下意識的行為。開展本課題的研究對于改善殘疾人的生存條件和促進(jìn)醫(yī)療福利事業(yè)的發(fā)展都有非常重要的意義。 本文介紹了CIP-I智能人工腿步速控制系統(tǒng)的設(shè)計。論文首先對CIP-I Leg運(yùn)行原理進(jìn)行說明，然后對步速控制系統(tǒng)的設(shè)計方案選擇加以介紹，選擇了步進(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行器，并以閉環(huán)的方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)中存在著反向間隙、死區(qū)、摩擦、飽和等非線性因素，為了克服系統(tǒng)的非線性問題，采用了模糊滑�？刂扑惴▽ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，文中對受控對象進(jìn)行建模并在計算機(jī)中對控制算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，模糊控制算法的引入有效地克服了系統(tǒng)的抖動，取得了比較理想的控制效果。 隨后論文從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。硬件電路主要包括電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)轉(zhuǎn)速測量、針桿位置檢測、步速測量、通信接口、電源等幾個模塊�？紤]到硬件安裝空間以及電池容量的限制，在硬件電路設(shè)計中始終貫穿了精簡電路結(jié)構(gòu)和降低系統(tǒng)功耗的思想。軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計和中斷服務(wù)程序設(shè)計，文中詳細(xì)給出了各軟件功能模塊的設(shè)計方法�？紤]到便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級，使用了C語言對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行開發(fā)。 基于本文所設(shè)計的智能人工腿步速控制系統(tǒng)具有成本低，功耗低，控制精度高，可靠性高，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的。

【關(guān)鍵詞】：
【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】：2007
【分類號】：TP242;TP273.5
【目錄】：

摘要4-5

ABSTRACT5-9

第一章 緒論9-16

1.1 課題研究的背景9-14

1.1.1 國外人工腿的發(fā)展概況9-13

1.1.2 國內(nèi)人工腿的研究狀況13-14

1.2 課題研究的目的及意義14-15

1.3 課題來源及論文的主要研究方向和內(nèi)容15-16

1.3.1 課題來源15

1.3.2 論文的主要研究內(nèi)容與篇章結(jié)構(gòu)安排15-16

第二章 CIP-I Leg 的結(jié)構(gòu)及工作原理16-22

2.1 引言16

2.2 CIP-I Leg 介紹16-19

2.2.1 新型二級伸縮氣缸17-19

2.2.2 CIP-I Leg 的步速調(diào)整原理19

2.3 針閥開度值的設(shè)置方法19-21

2.4 小結(jié)21-22

第三章 CIP-I Leg 控制系統(tǒng)的方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計22-33

3.1 引言22

3.2 步速測量方案的分析與選擇22-25

3.2.1 基于健康腿的步態(tài)分析22-23

3.2.2 CIP-I Leg 步速測量方案23-25

3.3 位置伺服系統(tǒng)的方案選擇25-31

3.3.1 執(zhí)行電機(jī)的選擇25-27

3.3.2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動方案的制定27-31

3.3.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制31

3.4 CIP-I Leg 步速控制系統(tǒng)組成31-32

3.5 小結(jié)32-33

第四章 模糊滑�？刂圃� CIP-I Leg 控制中的應(yīng)用33-48

4.1 引言33

4.2 模糊滑�？刂圃�33-39

4.2.1 系統(tǒng)中的非線性問題描述33-34

4.2.2 一般滑�？刂破髟O(shè)計34-37

4.2.3 模糊滑�？刂破髟O(shè)計37-39

4.3 模糊滑模控制在步速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用39-47

4.3.1 步進(jìn)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型39-43

4.3.2 CIP-I Leg 步速控制系統(tǒng)仿真分析43-47

4.4 小結(jié)47-48

第五章 CIP-I Leg 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計48-68

5.1 引言48-49

5.2 MSP430 單片機(jī)簡介49-53

5.2.1 MSP430 單片機(jī)的特點(diǎn)49

5.2.2 MSP430F149 單片機(jī)的組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)49-53

5.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計53-66

5.3.1 電源電路設(shè)計53-56

5.3.2 手動復(fù)位電路設(shè)計56-57

5.3.3 時鐘電路設(shè)計57

5.3.4 步速測量電路設(shè)計57-59

5.3.5 步進(jìn)電動機(jī)功率驅(qū)動電路設(shè)計59-61

5.3.6 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計61-63

5.3.7 位置信號檢測電路設(shè)計63

5.3.8 報警電路設(shè)計63-64

5.3.9 紅外線收發(fā)電路設(shè)計64-65

5.3.10 RS232 接口電路設(shè)計65-66

5.4 小結(jié)66-68

第六章 CIP-I Leg 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計與分析68-82

6.1 引言68

6.2 主程序設(shè)計與分析68-72

6.2.1 基礎(chǔ)時鐘配置69

6.2.2 外圍模塊的初始化69-72

6.2.3 變量的定義和初始化72

6.3 中斷服務(wù)程序設(shè)計與分析72-81

6.3.1 WDT 定時器中斷服務(wù)程序設(shè)計及分析72-75

6.3.2 Timer_A 的中斷服務(wù)程序設(shè)計及分析75-76

6.3.3 P2 口的中斷服務(wù)程序設(shè)計及分析76-77

6.3.4 串行通信模塊 USART0 中斷服務(wù)程序設(shè)計及分析77-81

6.4 小結(jié)81-82

第七章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試82-88

7.1 引言82

7.2 硬件調(diào)試82-84

7.3 軟件調(diào)試84-86

7.4 開發(fā)工具和實(shí)驗(yàn)裝置86-87

7.5 小結(jié)87-88

第八章 總結(jié)與展望88-91

8.1 全文總結(jié)88-89

8.2 研究展望89-91

參考文獻(xiàn)91-97

致謝97-98

攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文98

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【引證文獻(xiàn)】

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