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气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置预测控制

作　者: 何凡
导　师: 李笑
学　校: 广东工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 嵌入式控制系统隐式GPC 气动肌肉髋关节康复训练
分类号: R49
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

髋关节康复训练装置是一种通过对患者髋关节进行运动训练,实现其运动功能康复的自动化医疗设备。在当今社会,人类的健康是社会的首要问题,这就为康复机器人的发展提供了一个非常好的发展机遇。随着人口老龄化,各种疾病引起的肢体运动性障碍的病人在显著增加,因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。为满足康复训练装置安全、柔顺、系统稳定、界面友好、操作简单、控制精度高、以及产品化等要求,本文选用安全柔顺、力/重量比大、力/长度特性类似于生物肌肉的气动人工肌肉驱动器(Pneumatic Muscle Actuator, PMA)为驱动,以克服电机、气缸驱动器柔性差的缺点；研制PMA驱动的髋关节康复训练装置(PMA-driven Hip-joint Rehabilitation Training Device, PHRTD),以实现更为友好便捷的人机交互,达到低成本高性能；进行PHRTD的控制算法研究,实现系统更高控制精度,更好抗负载干扰能力。首先,本文以PMA为驱动器,设计PHRTD的气动系统与机械系统。其次,基于嵌入式控制平台,搭建PHRTD的硬件控制系统与软件控制系统。包括主控模块设计,传感器选型,Linux开发环境下的基于Qt/Embedded工具包的上层应用程序开发。然后,针对PHRTD强非线性、迟滞和时变的特点,基于嵌入式控制平台,采用增量式PID+前馈控制和隐式广义预测控制(Generalize Predictive Control, GPC)+前馈控制算法,对PHRTD的阶跃响应特性和等速持续被动运动(Continuous Passive Motion, CPM)特性进行了实验研究。最后,针对等速主动抗阻运动(Active Resistance Motion, ARM)训练的要求,采用角度-力矩联合PID控制结构,对PHRTD的等速ARM特性进行了实验研究。实验研究表明,本文设计的PHRTD,稳定可靠、界面友好、操作便捷；相对于传统增量式PID+前馈控制算法,本文设计的隐式GPC+前馈控制算法,能达到更高跟踪精度,具有更强的抗负载干扰能力；本文设计的角度-力矩联合PID控制算法,能在变负载条件下控制PHRTD实现等速ARM。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
CONTENTS  9-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 康复机器人研究概况  11-14
    1.2.1 国外康复机器人研究概况  12
    1.2.2 国内康复机器人研究概况  12-14
  1.3 预测控制研究概况  14-17
    1.3.1 预测控制发展概况  14-15
    1.3.2 预测控制应用概况  15-17
  1.4 课题来源与意义  17-18
  1.5 本文主要研究工作  18-19
第二章康复训练装置设计  19-27
  2.1 康复训练装置功能要求  19-20
  2.2 康复训练装置总体方案  20
  2.3 气动系统设计  20-22
    2.3.1 空气压缩机选择  20-21
    2.3.2 气动三联件选择  21
    2.3.3 电气比例阀选择  21
    2.3.4 气动肌肉选择  21-22
  2.4 机械系统设计  22-25
    2.4.1 支撑机构  23
    2.4.2 牵引机构  23-25
  2.5 本章小结  25-27
第三章控制系统设计  27-35
  3.1 硬件控制系统设计  27-31
    3.1.1 主控模块  27-30
    3.1.2 传感器选择  30-31
  3.2 软件控制系统设计  31-34
    3.2.1 嵌入式操作系统  31-32
    3.2.2 驱动程序  32
    3.2.3 应用程序  32-34
  3.3 本章小结  34-35
第四章等速CPM实验特性研究  35-63
  4.1 等速CPM实验原理  35
  4.2 PID+前馈控制算法  35-47
    4.2.1 PID基本原理  36-37
    4.2.2 控制结构  37-38
    4.2.3 控制程序  38-39
    4.2.4 前馈系数及PID参数整定  39-41
    4.2.5 阶跃响应特性  41-43
    4.2.6 等速CPM特性  43-47
  4.3 隐式GPC+前馈控制算法  47-61
    4.3.1 隐式GPC原理  47-52
    4.3.2 控制结构  52
    4.3.3 隐式GPC算法实现步骤  52-54
    4.3.4 控制程序  54
    4.3.5 阶跃响应特性  54-56
    4.3.6 等速CPM特性  56-61
  4.4 人参与实验  61-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章等速ARM实验特性研究  63-69
  5.1 等速ARM实验原理  63
  5.2 控制结构  63-64
  5.3 实验分析  64-67
  5.4 本章小结  67-69
结论  69-71
  一总结  69-70
  二进一步的工作  70-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表的论文  75-79
致谢  79

气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置预测控制

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