基于微分进化算法的智能人工腿控制器的研究与开发

发布时间：2020-07-10 01:13

【摘要】：智能人工腿是目前机器人学和生物医学工程学领域一个备受关注的研究热点,它与传统机械人工腿的区别之处在于其能够根据对外界环境信息的识别和处理,自动地协调假肢与健肢的步速和步态,使患者获得自然和谐的行走行为。体现这种智能性的一个关键因素是人工腿内部安装有智能控制器。这种控制器能够获取外界环境信息并进行分析处理,输出相应控制信息,使执行机构(汽缸或液压缸)能够改变自身的参数从而产生所需要的伸展力和阻尼,最后改变人工腿的步速和步态。论文研究一个能够实现人工腿智能化的控制器,使人工腿能够根据步行环境的变化自主选择合适的步速步态,使患者恢复较协调的行走行为。该系统为一个高精度位置伺服控制系统,通过控制安装在汽缸中的针阀开度来调整步速。为使系统具有良好的动态性能和稳态性能,采用电流环、速度环和位置环三闭环控制结构,每个环都设计有相应的控制器完成校正调节任务,分别是PI控制器、PI控制器和一个在线参数自调整的模糊PD控制器。其中电流环和速度环是为了增强系统的快速性能和抗干扰性能,位置环是为了得到更高的控制精度。该系统选用一种新的进化算法——微分进化算法(Differential Evolution Algorithm),对控制器的参数进行整定优化。文中详细介绍了微分进化算法,它是一种基于自然进化思想的随机搜索算法,相比于其他类似搜索算法有其独特的优点和应用前景,本文利用它对PID控制器的参数进行优化整定,结果表明效果良好。同时在文中阐述了三闭环位置伺服控制系统的设计过程,给出了计算机的仿真结果。最后说明了控制器硬件电路的设计和开发,软件的设计和调试,控制系统实验结果表明,本文设计的智能人工腿控制器能够有效地提高控制系统的智能性、鲁棒性、快速性和准确性,可以完成汽缸针阀开度的调节任务,能够使截肢者恢复协调的行走行为。
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TP242
【图文】：

智能人工腿,膝关节,单轴,截肢者

工腿步行的对称性受到严重破坏，使截肢者更容易感觉疲劳。为解决这一问前主要通过用手指调整安装在气缸或油缸上特定部位的调整螺钉，改变缸内阀的开度，使之与期望的步速相对应。但这种方法由于每次改变步速都需要指调整螺钉，结果使步行这一本来是无意识的运动变成了有意识地进行改变动，这显然会使截肢者有不自然、不方便的感觉。为了彻底解决上述问题，日本的中川昭夫等人在1986年首先构想出基于理器的气动式摆动控制的膝关节，并在1989年向全世界公开了该项技术。19，英国布莱切福特公司获得了这一技术许可，由其资深工程师SaCedZ滋制出了世界上第一个智能人工腿PI(neItllgientPDrhestsi)s.[6’]。该公司在19将PI投放市场。1995年助址di又在PI的基础上研制出性能更完善的智能腿I+P(Inetlli罗ntporsthesispusl)[5]。此外，日本的NABCOLdt.公司也在1994年研制出结构类似于I+P的智能腿Nx一elll[8]，IP+和M一e一11的外形分别如图l一、图l一2所示。据统计1996年底为止，全世界己有3千多截肢者在使用这三种智能人工腿，而且者还在大幅增加。

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单位阶跃响应曲线分别如图2一5，2一6，2一7和2一8所示。从表2一2中的数据分析可以发现，DE一PDI控制器对四种被控对象总是获得最小的了别E值，由此可见，微分进化算法在解决控制系统中的参数优化问题时具有很好的适应性和鲁棒性。并且注意到，对高阶传函测试时，DE一PID控制器较另外两种控制器具有更好的快速性，这为我们在设计系统中采用DE一PID控制器提供了理论依据。

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三种算法对第二种测试传函的阶跃响应曲线

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