足踝生物力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真器的多軸運(yùn)動(dòng)和力協(xié)同控制系統(tǒng).pdf

1、足踝復(fù)合體參與人體運(yùn)動(dòng),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(kāi)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)肌肉力的時(shí)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(dòng)和動(dòng)力學(xué)模擬及測(cè)量裝置(即足踝生物力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真器),實(shí)現(xiàn)活體測(cè)量無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn),同時(shí)獲得活體試驗(yàn)無(wú)法得到的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)

2、參數(shù)。
　　本論文針對(duì)自行研制的足踝生物力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真器(以下簡(jiǎn)稱步態(tài)仿真器)的控制問(wèn)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(shí)間、模擬精度、負(fù)荷重量、調(diào)試效率等指標(biāo)上和國(guó)際同行相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。具體來(lái)說(shuō)完成了對(duì)步態(tài)仿真器動(dòng)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(tái)搭建以及控制算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　首先,基于對(duì)人體足踝步態(tài)過(guò)程的理解,在Matlab中對(duì)仿真器的輸入(多個(gè)電機(jī)位移的時(shí)間歷程

3、曲線)與輸出(足底多個(gè)方向地面反力的時(shí)間歷程曲線)間的關(guān)系進(jìn)行建模并分析了各個(gè)分量的敏感度。通過(guò)相同輸入下的模型與實(shí)際仿真器的輸出對(duì)比,修正并驗(yàn)證了該動(dòng)力學(xué)模型。其次,提出迭代學(xué)習(xí)的控制方法來(lái)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(wèn)題,提出使用模糊控制的方法來(lái)動(dòng)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

4、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(dòng)控制板卡、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器的選型;利用MFC開(kāi)發(fā)具有力采集、運(yùn)動(dòng)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(tái)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(guò)分析和對(duì)比控制算法的效果對(duì)控制算法做出評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)4-5次的迭代學(xué)習(xí),仿真器可以在5s的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)支撐相的模