本文關(guān)鍵詞：足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器的多軸運(yùn)動和力協(xié)同控制系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：足踝復(fù)合體參與人體運(yùn)動，是人體的最終負(fù)重部位，其生物力學(xué)的研究在足踝病機(jī)理、人工假體、矯形、鞋具開發(fā)等領(lǐng)域具有重要的意義和作用。探討人體足踝各組成部分之間的力學(xué)作用關(guān)系，包括相對運(yùn)動和相互作用力關(guān)系以及使足踝完成正常步態(tài)和各種復(fù)雜運(yùn)動時肌肉力的時間歷程變化規(guī)律成為亟待研究的課題。而完成這些研究，需要研制多功能人體足踝運(yùn)動和動力學(xué)模擬及測量裝置（即足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器），實(shí)現(xiàn)活體測量無法進(jìn)行的試驗(yàn)，同時獲得活體試驗(yàn)無法得到的力學(xué)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)。 本論文針對自行研制的足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器（以下簡稱步態(tài)仿真器）的控制問題，提出一套完整的多軸控制算法，使仿真器在模擬自由度、模擬時間、模擬精度、負(fù)荷重量、調(diào)試效率等指標(biāo)上和國際同行相比具有競爭力。具體來說完成了對步態(tài)仿真器動力學(xué)建模、模型驗(yàn)證、控制策略設(shè)計(jì)和仿真、仿真器控制系統(tǒng)的軟硬件平臺搭建以及控制算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 首先，基于對人體足踝步態(tài)過程的理解，在Matlab中對仿真器的輸入（多個電機(jī)位移的時間歷程曲線）與輸出（足底多個方向地面反力的時間歷程曲線）間的關(guān)系進(jìn)行建模并分析了各個分量的敏感度。通過相同輸入下的模型與實(shí)際仿真器的輸出對比，修正并驗(yàn)證了該動力學(xué)模型。 其次，，提出迭代學(xué)習(xí)的控制方法來控制上述多輸入多輸出、強(qiáng)耦合的仿真器，根據(jù)PID型迭代學(xué)習(xí)控制中學(xué)習(xí)參數(shù)選取的問題，提出使用模糊控制的方法來動態(tài)地整定PID參數(shù)�？刂扑惴ㄔ贛atlab建立的模型中進(jìn)行了仿真，證明了其能保證控制的收斂性和較快的收斂速度。 然后，根據(jù)控制系統(tǒng)的指標(biāo)搭建了控制系統(tǒng)的軟硬件，包括電機(jī)、電機(jī)控制器、運(yùn)動控制板卡、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器的選型；利用MFC開發(fā)具有力采集、運(yùn)動和力控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、分析及可視化的軟件；在Matlab中實(shí)現(xiàn)了控制算法的核心。 最后，基于上述控制系統(tǒng)的軟硬件平臺完成了迭代學(xué)習(xí)控制以及帶模糊整定的PID型迭代學(xué)習(xí)控制的實(shí)驗(yàn)，通過分析和對比控制算法的效果對控制算法做出評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過4-5次的迭代學(xué)習(xí)，仿真器可以在5s的時間內(nèi)完成一個支撐相的模擬，三個方向的足底反力（F_z、F_y、F_x）都具有重復(fù)性和可控性，在小于550N的人體重量下F_z和F_y的輸出曲線與目標(biāo)曲線的均方根誤差分別收斂到模擬負(fù)載的4%和20%。 據(jù)此，迭代學(xué)習(xí)控制方法可使步態(tài)仿真器具有較強(qiáng)的力學(xué)模擬能力，提高了仿真器的智能性，為后續(xù)進(jìn)一步提高模擬速度和精度奠定了良好的基礎(chǔ)。本論文的研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號81071234）。
【關(guān)鍵詞】：步態(tài)仿真器 多軸力控制 迭代學(xué)習(xí) 足踝生物力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R318.01
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目錄9-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 論文研究的背景12-15
• 1.1.1 研究足踝生物力學(xué)意義12-14
• 1.1.2 足踝生物力學(xué)問題14-15
• 1.2 步態(tài)仿真器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀15-24
• 1.2.1 步態(tài)仿真器功能簡述15-16
• 1.2.2 步態(tài)仿真器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.2.3 步態(tài)仿真器的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)23-24
• 1.3 步態(tài)仿真器的控制問題24-26
• 1.3.1 步態(tài)仿真器的控制問題定義24-26
• 1.3.2 步態(tài)仿真器的控制難點(diǎn)26
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容26-28
• 第二章 機(jī)構(gòu)介紹及系統(tǒng)建模28-38
• 2.1 引言28
• 2.2 機(jī)構(gòu)介紹28-30
• 2.3 系統(tǒng)建模30-37
• 2.3.1 基于步態(tài)過程的疊加模型30-34
• 2.3.2 基于實(shí)驗(yàn)測得的勁度系數(shù)修正模型34-35
• 2.3.3 各分量的敏感度分析35-37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 第三章 控制策略與系統(tǒng)仿真38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 控制策略38-40
• 3.3 離線 PID 型迭代學(xué)習(xí)控制仿真40-45
• 3.3.1 單軸 PID 型迭代學(xué)習(xí)仿真40-43
• 3.3.2 多軸 PID 型迭代學(xué)習(xí)仿真43-45
• 3.4 模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)控制仿真45-55
• 3.4.1 單軸模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)仿真47-50
• 3.4.2 多軸模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)仿真50-55
• 3.5 仿真結(jié)果比較與分析55-56
• 3.6 本章小結(jié)56-57
• 第四章 步態(tài)仿真器的軟硬件開發(fā)57-72
• 4.1 引言57
• 4.2 硬件系統(tǒng)57-65
• 4.2.1 電機(jī)選型58-60
• 4.2.2 驅(qū)動器選型60-61
• 4.2.3 傳感器選型61-64
• 4.2.4 運(yùn)動控制卡選型64-65
• 4.2.5 數(shù)據(jù)采集卡選型65
• 4.3 軟件系統(tǒng)65-71
• 4.3.1 編程語言及運(yùn)行環(huán)境66
• 4.3.2 調(diào)試軟件66-67
• 4.3.3 主控軟件67-70
• 4.3.4 算法實(shí)現(xiàn)70-71
• 4.4 本章小結(jié)71-72
• 第五章 實(shí)驗(yàn)與分析72-92
• 5.1 引言72
• 5.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹72-76
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡介72-75
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)方法簡介75-76
• 5.3 重復(fù)性和可控性驗(yàn)證76-78
• 5.4 離線 PID 型迭代學(xué)習(xí)控制實(shí)驗(yàn)78-85
• 5.4.1 單軸 PID 型迭代學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)78-83
• 5.4.2 多軸 PID 型迭代學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)83-85
• 5.5 模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)控制實(shí)驗(yàn)85-91
• 5.5.1 單軸模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)85-88
• 5.5.2 多軸模糊整定 PID 型迭代學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)88-91
• 5.6 本章小結(jié)91-92
• 第六章 總結(jié)與展望92-95
• 6.1 總結(jié)92-94
• 6.2 展望94-95
• 參考文獻(xiàn)95-98
• 致謝98-99
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文99

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 勵建安;孟殿懷;;步態(tài)分析的臨床應(yīng)用[J];中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志;2006年07期

  本文關(guān)鍵詞：足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器的多軸運(yùn)動和力協(xié)同控制系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：295614