【摘要】：智能人工腿是目前機器人學和生物醫(yī)學工程學領域一個備受關注的研究熱點,它與傳統(tǒng)機械人工腿的區(qū)別之處在于其能夠根據對外界環(huán)境信息的識別和處理,自動地協(xié)調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。體現這種智能性的一個關鍵因素是人工腿內部安裝有智能控制器。這種控制器能夠獲取外界環(huán)境信息并進行分析處理,輸出相應控制信息,使執(zhí)行機構(汽缸或液壓缸)能夠改變自身的參數從而產生所需要的伸展力和阻尼,最后改變人工腿的步速和步態(tài)。 論文研究一個能夠實現人工腿智能化的控制器,使人工腿能夠根據步行環(huán)境的變化自主選擇合適的步速步態(tài),使患者恢復較協(xié)調的行走行為。該系統(tǒng)為一個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整步速。為使系統(tǒng)具有良好的動態(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)控制結構,每個環(huán)都設計有相應的控制器完成校正調節(jié)任務,分別是PI控制器、PI控制器和一個在線參數自調整的模糊PD控制器。其中電流環(huán)和速度環(huán)是為了增強系統(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)選用一種新的進化算法——微分進化算法(Differential Evolution Algorithm),對控制器的參數進行整定優(yōu)化。 文中詳細介紹了微分進化算法,它是一種基于自然進化思想的隨機搜索算法,相比于其他類似搜索算法有其獨特的優(yōu)點和應用前景,本文利用它對PID控制器的參數進行優(yōu)化整定,結果表明效果良好。同時在文中闡述了三閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的設計過程,給出了計算機的仿真結果。最后說明了控制器硬件電路的設計和開發(fā),軟件的設計和調試,控制系統(tǒng)實驗結果表明,本文設計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、快速性和準確性,可以完成汽缸針閥開度的調節(jié)任務,能夠使截肢者恢復協(xié)調的行走行為。
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2005
【分類號】：TP242
【圖文】：

工腿步行的對稱性受到嚴重破壞，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整安裝在氣缸或油缸上特定部位的調整螺釘，改變缸內閥的開度，使之與期望的步速相對應。但這種方法由于每次改變步速都需要指調整螺釘，結果使步行這一本來是無意識的運動變成了有意識地進行改變動，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年首先構想出基于理器的氣動式擺動控制的膝關節(jié)，并在1989年向全世界公開了該項技術。19，英國布萊切福特公司獲得了這一技術許可，由其資深工程師SaCedZ滋制出了世界上第一個智能人工腿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年研制出結構類似于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。據統(tǒng)計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中的數據分析可以發(fā)現，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，微分進化算法在解決控制系統(tǒng)中的參數優(yōu)化問題時具有很好的適應性和魯棒性。并且注意到，對高階傳函測試時，DE一PID控制器較另外兩種控制器具有更好的快速性，這為我們在設計系統(tǒng)中采用DE一PID控制器提供了理論依據。

三種算法對第二種測試傳函的階躍響應曲線

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