足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器的多軸運動和力協(xié)同控制系統(tǒng).pdf

1、足踝復(fù)合體參與人體運動,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),實現(xiàn)活體測量無法進(jìn)行的試驗,同時獲得活體試驗無法得到的力學(xué)和運動學(xué)

2、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、模型驗證、控制策略設(shè)計和仿真、仿真器控制系統(tǒng)的軟硬件平臺搭建以及控制算法的實驗驗證。
　　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(多個電機位移的時間歷程

3、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際仿真器的輸出對比,修正并驗證了該動力學(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

4、統(tǒng)的指標(biāo)搭建了控制系統(tǒng)的軟硬件,包括電機、電機控制器、運動控制板卡、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器的選型;利用MFC開發(fā)具有力采集、運動和力控制、實驗數(shù)據(jù)記錄、分析及可視化的軟件;在Matlab中實現(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)控制的實驗,通過分析和對比控制算法的效果對控制算法做出評價。實驗結(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