（控制理论与控制工程专业论文）智能仿生人工腿cipileg控制系统的研究与设计.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 智能仿生人工腿是机器入学和生物医学工程学领域一个备受关 注的研究课题，它最优秀的特点是能够模仿人体健康腿的运动方式且 步行速度可自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化。开展该 项目的研究对改善残疾人的生存条件和促进我国医疗福利事业的发 展具有重要的意义。 智能仿生人工腿的摆动是依靠膝关节内一个空压气缸的活塞的 伸缩来实现的。空压气缸尾部有一个电机可以控制气缸内一个针阀的 开度，改变针阀开度可以调节膝关节弯曲和伸展的阻尼，从而达到改 变人工腿摆动速度的目的。以前研制的智能人工腿，在三个方面存在 不足：第一、用于控制气缸内针阀开度的控制器采用的是由步进电机 所构成的开环系统，位置精度不高：第二、它的c p u 多采用5 l 系列 的单片机，运行速度不能满足高级算法的需要；第三、以前的步速测 量模块硬件结构较复杂，体积也比较大。 针对以上不足，我们在设计智能仿生人工腿c i p il e g 的控制系 统时做了以下改进：第一，将步进电机改为直流伺服电机；第二，设 计了一个具有位置、速度和电流反馈的三闭环控制系统，用于控制针 阀的开度，并采用a c s 算法对控制器参数进行优化，这些控制策略 的改进提高了智能仿生人工腿步速调整的快速性和准确性；第三，智 能控制器的c p u 采用美国1 1 公司的微处理器芯片m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，这 是一种低功耗、高集成度的控制芯片，其运行速度比5 l 系列单片机 快并具有强大的指令集，可实现高级算法的在线运算；最后，采用了 高灵敏度的霍尔传感器来测量人工腿所处的状态，测量模块元件少、 体积小、结构紧凑、可靠性好。 通过控制系统硬件电路的设计、制作，软件的编写、调试以及实 验，结果表明，所设计的控制系统精度高，功耗低，实时性好，并具 有良好的智能性、鲁棒性、快速性和准确性。 关键词：智能仿生人工腿，闭环控制，a c s 算法，c i p il e g ，m s p 4 3 0 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb i o n i ca r t i f i c i a ll e g ( i b m ) h a sb e e n a l l i n t e r e s t i n g r e s e a r c hp r o j e c ti nt h ef i e l d so fr o b o t i c sa n db i o m e d i c a le n g i n e e r i n g i t s e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i ci st h a ti tc a l li m i t a t et h em o v e m e n tw a y so f h u m a n h e a l t h yl e ga n di t sw a l k i n gs p e e dc a nc h a n g en a t u r a l l yw i t ht h ec h a n g eo f l e g - a m p u t e e sw a l k i n gs p e e d n l er e s e a r c ho nt h i sp r o j e c ti so fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gt h el i v i n gs i t u a t i o no fl e g - a m p u t e e sa n d p r o m o t i n g t h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ew e l f a r eb e n e f i t s 田1 es w i n go f a ni b a li sp r o d u c e db yt h em o v e m e n to f t h ep i s t o no f t h ep n e u m a t i cc y l i n d e r , w h i c hi sm o u n t e di nt h ek n e ej o i n t t h em o t o r , w h i c hi sl o c a t e da tt h et a i lo ft h ep n e u m a t i cc y l i n d e r , i su s e dt oc o n t r o l t h eo p e n i n go fan e e d l ev a l v ei nt h ec y l i n d e r t h r o u g hc h a n g i n gt h e o p e n i n go ft h ev a l v e ，t h ef l e x i o na n de x t e n s i o ns p e e do ft h ek n e ej o i n t c a nb ea d j u s t e d , s oas u i t a b l ew a l k i n gs p e e dc a nb eo b t a i n e d 1 h e i n t e l l i g e n ta r t i f i c i a ll e g sd e v e l o p e ds e v e r a ly e a r sa g oi n , s o m ef o r e i g n c o u n t r i e sh a v et h r e es h o r t a g e s t h ef i r s ti st h a tt h ec o n t r o l l e r so ft h e s e l e g s ，w h i c ha r eu s e dt oc o n t r o lt h eo p e n i n go ft h en e e d l ev a l v eo f p n e u m a t i cc y l i n d e r , u s u a l l ya r ea no p e n - l o o ps y s t e mw i t has t e p p i n g m o t o n 弛i sk i n do fc o n t r o l l e r sh a sl o w e rp o s i t i o np r e c i s i o n 1 1 l es e c o n d i st h a tt h em i c r o p r o c e s s o r su s e di nt h e s el e g sm a i n l ya l ec 51s i n g l ec h i p ， w h o s e r u n n i n gs p e e dc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fa d v a n c e dc o n t r o l a l g o r i t h m s f i n a l l y , t h ew a l k i n gs p e e dm e a s u r e m e n tm o d u l eh a sm o r e c o m p l e xh a r d w a r es t r u c t u r ea n db i g g e rv o l u m e w ed e v e l o p e da ni n n o v a t i v ei n t e l l i g e n tb i o n i ca r t i f i c i a ll e g ，n a m e d c i p il e g a i m e da tt h ea b o v et h r e es h o r t a g e s ，i nt h ed e s i g no fc i p i l e g sc o n t r o ls y s t e m , t h ef o l l o w i n gf o u ri m p r o v e m e n t sw e r em a d e f i r s t , as e r v od cm o t o rw a sa d o p t e dt or e p l a c et h es t e p p i n gm o t o r s e c o n d l y , a t h r e e c l o s e - l o o p c o n t r o ls c h e m ew i mp o s i t i o n , s p e e da n dc u r r e n t f e e d b a c k sw a sd e s i g n e df o rc o n t r o l l i n gt h eo p e n i n go ft h en e e d l ev a l v e a n i m p r o v i n ga n tc o l o n ys y s t e ma l g o r i t h mw a sa d o p t e dt oo p t i m i z et h e p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e r t h e s ei m p r o v e m e n t so fc o n t r o ls t r a t e g y r a i s e dt h er e s p o n ds p e e da n da c c u r a c yo fw a l k i n gs p e e da d j u s t m e n t t h i r d l y , i n t h e d e s i g n o ft h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，m s p 4 3 0 f1 4 9 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t s ( t dw a sa d o p t e da st h e c p uo ft h ec o n t r o l l e r m s p 4 3 0 f 1 4 9i sak i n do fm i c r o p r o c e s s o rw i t h u l t r a - l o w - p o w e ra n dh i g h l yi n t e g r a t e dd e g r e e i t sr u n n i n gs p e e di sf a s t e r t h a nc 5 1s i n g l ec h i pa n dh a sp o w e r f u li n s t r u c t i o ns e t m s p 4 3 0 f 1 4 9c a n c o m p l e t em a n ya d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m so nl i n e f i n a l l y , u s i l l gh i g h l y s e n s i t i v eh a l l - e f f e c ts e n s o rt om e a s u r et h es t a t e m e n to fc i p - il e g , t h e m e a s u r e m e mm o d u l eh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl e s se l e m e n t s ， s m a l l e rs i z e ，c o m p a c tc o n f i g u r a t i o n , a n dg o o dr e l i a b i l i t y , t h ea u t h o rh a sd e s i g n e da n dm a d et h eh a r d w a r ec i r c u i t so fc o n t r o l s y s t e m , a n d w r i t t e nt h ec o n t r o lp r o g r a m sa sw e l l t h ee x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tt h ec o n t r o l s y s t e m h a sh i g h a c c u r a c y , l o we n e r g y c o n s u m p t i o n , a n dg o o dr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a sg o o di n t e l l i g e n t b e h a v i o r , r o b u s t n e s s ，r e s p o n ds p e e da n da c c u r a c y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb i o n i ca r t i f i c i a ll e g ，c l o s e d - l o o pc o n t r o l ，a n t c o l o n ys y s t e ma l g o r i t h m , c i p - il e g , m s p 4 3 0 9 i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：幺! i 兰至日期：丛旺月竺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：堑竖髦导师签名j 鼙量垫扫期：2 衅上月掣日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目研究的背景及目的意义 从古至今，由于战争、疾病，工伤、交通事故及自然灾害已将成百上千万下 肢截肢者带给了我们这个社会，特别是近年来，随着工业，交通事业迅速发展， 这一数字正以惊人的速度增加。一项调查表明仅美国每年就有大约1 1 万人川失 去下肢。而我国目前下肢残疾者更是高达6 0 0 万人。这些截肢者由于失去了人类 最基本的行走能力，生活上难以自理，客观上被安置在脱离社会主流的一些特定 角落，致使他们在身心两方面都充满着常人体会不到的痛苦。另一方面这些病 人中的大多数是社会的有功之臣或事故的牺牲者，社会要付出极大的代价来补偿 和安置他们，这也极大地增加了社会的负担。由于目前医疗水平尚不能使肢体再 生，因此，为这些截肢者安装人工腿( 假肢) 就成了恢复其行走能力的唯一手段。 本项目将要研究的智能人工腿( 假肢) 正是该领域的一个前沿性、多学科交 叉的研究课题其目的和意义有两个；第一是要将当代先进的智能控制技术、计 算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术、新材料技术与生物医学工程和康 复医学工程技术融合在一起，研究具有世界领先水平的、真正意义上的智能型人 工腿，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走，这对帮助他们重新回归社 会主流、像正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担，同时对填补我国在 此研究领域的空白、对促进我国康复医学工程技术的发展无疑都具有极其重要的 意义；第二是通过研究智能化的控制器和步速测量模块等，提高智能人工腿质量 和性能。使高性能的智能人工腿系列能早日商品化，以缩短我国假肢生产企业与 国外先进水平的较大差距，帮助该行业形成产值达数亿元的规模经济，这对推动 我国假肢生产行业的发展具有重要的经济意义。 1 2 国内外技术发展概况及国内的需求 关于人工腿( 假肢) 的研究，无论是国内还是国外都已经有了数百年的历史。 过去研制和生产的人工腿，由于受技术条件的限制，性能欠佳。截肢者装上这类 人工腿后，步态极不自然，行走相当吃力。到了二十世纪七十年代中期，由于世 界工业技术水平整体上突飞猛进，特别是计算机与微电子技术的快速发展，人工 腿的研制才取得极大进展。下面我们分别对国际和国内人工腿研究的进展及发展 趋势进行介绍【“。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 国外人工腿的研究概况 从七十年代中期至九十年代初，世界上一些发达国家和地区，如日本、德国、 英国、美国和台湾等，研制和生产了种类繁多的人工腿产品。按照膝关节的构造 和人工腿运动的控制可进行以下分类： ( 1 ) 按照膝关节的构造分类 膝关节的构造可概括为四大类。第一类为带锁定器的膝关节( 简称固定膝) 。 这类膝关节中装有带拉线或锁定杆控制的锁定器，在腿完全伸直时，膝关节被锁 定，用手拉一下拉线或按一下锁定杆解除锁定，膝关节便可自由弯曲。装有这类 膝关节的人工腿重点放在腿直立时的控制上，即防止腿直立时膝关节弯曲而引起 捧跤，一般用于活动量较低的老人或腿部未截除部分肌肉力量较弱、控制不佳的 截肢者。典型产品有日本今仙技术研究所的l a p o cs l 0 7 0 1 ，s l 0 7 1 0 ，s l 0 7 2 0 等b 3 一。第二类为可承重自锁的膝关节( 也称负荷制动膝或安全膝) 。这类膝关 节中装有制动块，在腿直立时，可利用体重来制动以防止膝关节弯曲。装有这类 膝关节的人工腿一般用于活动量中等的截肢者。典型产品有英国布莱切福特公司 ( c h a s a b l a t c h f o r d & s o n sl t d ) 的p s p c 、日本高崎假肢株式会社的t g l 0 1 1 以及德国奥托搏克假肢矫形器工业公司( o t t ob o c ko r t h o p a e d i ci n d u s t r y ) 的3 r 8 0 等【2 3 5 】。第三类为具有可变瞬时转动中心的多轴膝关节( 简称多轴膝) 。这类膝 关节由多轴联杆机构组成，最常见的是四轴膝关节。多轴膝关节使截肢者的行走 更安全、更自然、更舒适。典型产品有德国奥托搏克公司的3 r 6 0 ( 见图l 1 ) 、 3 r 7 0 ，台湾德林假肢矫形器公司( t e hl i np r o s t h e t i c & o r t h o p a e d i ci n c ) 的 t g k - 4 p 0 0 ，以及日本高崎假肢株式会社的g 1 0 1 7 等【3 毛6 刀。第四类为全功能膝 关节( t o t a lk n e e ) 。这类膝关节实际上也是一种多轴膝关节，不同的是它由7 根 轴、6 根联杆组成。全功能膝关节具有安全膝和多轴膝所拥有的优点，其设计从 图1 - 13 r 6 0 人工腿及其结构图 2 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 几何学的角度保证了从脚跟着地到腿直立中期膝关节被很好地锁定，能有效地防 止这期间由于膝关节弯曲而摔跤。在脚尖将要离地之前，锁定被自动解除，使膝 关节在脚尖离地后能适应步态的需要自由弯曲。典型全功能膝关节产品有 c e n t u r yx x i ii n n o v a t i o n sl n c 公司t k l l 0 0 ，t k l 9 0 0 ，t k 2 0 0 0 2 ， 州等。 ( 2 ) 按照人工腿的运动控制方式分类 腿的运动控制方式是人工腿设计的重点工程之一，包括腿直立时的控制和腿 摆动时的控制。腿直立时的控制最重要的是必须确保腿在直立状态时膝关节完全 伸直而不弯曲( 允许膝关节在腿直立初期有1 5 0 2 0 0 的轻度弯曲，但随后必须伸 直) ，这是因为此时另一侧腿处在摆动状态，与地不接触，人体重量完全由人工 腿支撑。腿直立时的控制方式有两类，一类是按截肢者意志而进行的随意控制， 另一类是与截肢者意志无关的机械控制f 2 1 随意控制是指根据截肢者的意志通过 运动髋关节伸展肌肉有意识的控制人工膝关节不弯曲的一种控制方法。所谓机械 控制方式是指不依赖截肢者的意志而完全靠机械装置控制人工腿的弯曲的控制 方式。腿摆动( 指小腿的摆动) 时的控制最为重要的是必须尽可能确保人工腿的 步态与另一侧的健康腿对称。由于大腿以下截肢者缺乏控制膝关节屈伸运动所需 的肌肉，所以人工腿主要是通过在膝关节处的特定装置产生阻力或阻力矩来控制 小腿的摆动。腿摆动时的控制方式分为三类哪：第一类是伸展辅助装置( e x t e n s i o n a i d s ) ，它是利用螺旋状弹簧和橡胶在膝关节弯曲受压时所产生的弹力为小腿的 摆动提供辅助动力，这种装置虽然弹性阻力会随膝关节弯曲角度的变化而变化， 但与膝关节的弯曲速度或步行速度无对应关系，所以性能不佳。第二类是机械摩 擦装置( m e c h a n i c a lf r i c t i o nd e v i c e s ) ，它是利用在膝关节四周加上摩擦阻力来控 制小腿摆动的一种装置，它对屈伸两种运动均起作用。但是它只能产生一定的阻 力，腿的摆动周期是固定的，截肢者不能随环境变化( 例如在拥挤的人群中或在 稀少的人群中) 调整步速，所以性能也不佳。第三类足流体控制装置( f l u i dc o n l t o l d e v i c e s ) ，包括气压和油压两种方式，是最适合腿摆动时的控制，能产生与肌肉 运动相似的非线性阻力，与其它两类装置相比，这种装置使腿的摆动过程更加平 滑，气压与油压的差别在于介质有无压缩性，气压可产生与相位同期的阻力，而 油压方式则产生与速度同期的阻力。气压和油压控制方式是通过安装在膝关节内 部的气缸或油缸来实现的。气压方式的典型产品有英国的布莱切福特公司的 p s p c 可承重的单轴膝关节嘲，德国奥托搏克公司的3 r 7 2 四轴膝关节1 6 l ，台湾德 林公司的t g k - 4 p 0 0 四轴膝关节r 7 】等。油压方式的典型产品有德国奥托搏克公司 的3 r 4 6 四轴膝关节旧，美国c e n t u r y x x i ii n n o v a t i o n si n s 公司的t k 2 0 0 0 全功能 膝关节阁，日本高崎株式会社的t o1 0 2 7 四轴膝关节( 3 1 等。 传统意义上的人工腿存在这样一个问题：人工腿的步行速度不能自然、随意 中南大学硕士学位论文第一章绪论 地跟随截肢者步行速度的变化而变化，不能满足截肢者希望在较大步速范围内变 速行走以提高步行灵活性的需要r i o ! 。在这种情况下，截肢者只能以与人工腿固定 摆速相匹配的步速行走，过快或过慢都将导致健康腿与人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。为解决这一问题，以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，改变缸内节流阀的开度，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用手指调整螺钉，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的运动，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1 9 8 6 年首先构想出基于微 处理器的气动式摆动相控制的膝关节，并在1 9 8 9 年向全世界公开了该项技术。 1 9 9 0 年，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z a h e d i 研 制出了世界上第一个智能人工腿i p ( i n t e l l i g e n t p r o s t h e s i s ) 【1 1 1 2 1 。1 9 9 5 年z a h e d i 又在口的基础上研制出性能更完善的智能人工腿i p + ( i n t e l l i g e n tp r o s t h e s i sp l u s ) 1 1 1 此外，日本的n a b c ol t d 公司也在1 9 9 4 年研制出结构类似于口+ 的智能人 工腿n i - c 1 1 1 【i ”。邛i + 和n i - c 1 1 1 的外形分别如图l 一2 、图1 3 所示 图i - 2i p + 智能人工腿 图1 3n i - c 1 1 1 智能人工腿 这三种智能人工腿有一些共同特点：第一，膝关节都是单轴型；第二，腿直 立期都采用负荷制动式控制方法；第三，腿摆动时都采用气压控制方式；第四， 膝关节的弯曲和伸展速度基本上都能跟随截肢者步行速度的变化而变化，较好地 解决了以前研制的人工腿所面临的这一难题，这是智能人工腿所具有的最优秀的 特点【l o 1 1 , 1 3 1 。 智能人工腿与以前研制的人工腿最大的不同之处在于其膝关节弯曲和伸展 的控制上。在智能人工腿的膝关节内装有步速传感器、尾部带有小型电机的差动 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 式单级空压气缸、微处理器以及电池等。步速传感器能实时检测出步行速度( 以 步行周期的形式表示) 。空压气缸尾部的电机可以控制气缸内一个针阀( 节流阀) 的开度，通过改变阀门开度可以调节膝关节弯曲和伸展的阻尼，从而达到改变膝 关节弯曲和伸展速度的目的。 近几年，英国布莱切福特公司以及德国奥托搏克公司相继又研制出第三代智 能仿生人工腿，其代表有奥托搏克公司的c l e g 系列智能仿生人工腿，这也是当 今世界最新型的智能人工腿。它主要有以下特点【l4 1 5 1 q ：第一是它可即时探测到 患者以不同速度行走，下坡、下楼梯、绊脚要摔跤等不同的行走方式和行走状态， 并据此迅速做出反应，给假肢以恰当的控制和支持，让其智能跟随模仿健全肢体 运动，使患者可像正常人一样行走与站立；第二是新型的力传感器与速度传感器 组合，力传感器探测支撑期膝关节受力情况，速度传感器感应摆动速度，二者配 合使用，微处理器可以瞬间精确判断患者所处的不同的行走状态和行走方式，同 时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过电机控制膝关节液压系统；第三是 独创的液压缸和气缸组合装置，既发挥了液压缸控制支撑期安全可靠、力量强劲 的特长，又突出了气缸支持摆动期反应迅速，轻便敏捷的优点。 以上介绍的是欧美及日本、台湾等发达国家和地区有关人工腿的研究情况 图l - - 4 、图l - - 5 分别为截肢者使用英国布莱切福特公司和德国奥托搏克公司的 人工腿跑步和骑自行车的图片，这些图片直观地反映出了欧洲国家的先进水平。 图i 1 4 英国布莱切福特公司的人工腿图1 5 德国奥托搏克公司的人工腿 1 2 2 国内人工腿的研究现状 国内从上一世纪八十年代初开始在人工腿的研究方面也取得了很好的成绩。 但在智能人工腿的研究方面还处于起步阶段，迄今为止还没有研制成功原型机更 无商品化的产品。清华大学精密仪器与机械学系的金德闻、张培玉、张济川、王 人成、黄昌华等学者、教授在这方面做了很多开创性的工作。他们采用最优化方 法设计了一种六连杆假肢膝关节，该膝关节在支撑期保持稳定性的同时，在摆动 期内膝关节和踝关节的运动轨迹以及大腿和小腿之间的角度变化关系相对于正 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 常人都具有很好的逼近效果，能有效改善截肢者的步态【l l 璩l 。北京航空材料研究 院的蒋翌军和袁正华两位同志专门研究了储能式复合材料运动假肢的成型工艺， 通过对假肢的结构分析、成型模具及铺层的设计以及选择合适的材料和可行的工 艺方法，可制造出满足使用要求的假肢【1 9 l 。 整体而占，国内假肢生产行业与欧美和日本相比大约落后2 0 年，各大假肢 生产厂家目前的主要产品仍然停留在纯机械式老一代产品上。目前的形势是，欧 洲及日本、台湾的假肢生产企业大举进军国内市场，如德国奥托博克公司于1 9 9 3 年在北京成立了奥托博克( 中国) 有限公司，并在上海、广州开设了办事处，建 立了一个依托全国各地假肢厂和各大医院骨伤科、康复中心的销售、服务体系， 台湾德林公司则在深圳成立了分公司。另一方面，中国的假肢生产企业由于面临 国外先进产品的强大竞争，市场萎缩，效益下降，有些企业为求生存而代销国外 产品，如福建省假肢厂就是英国布莱切福特公司e n d o l i t e 牌智能大腿假肢的中国 总代理。 中南大学机器人研究所从2 0 0 1 年开始研究智能仿生人工腿。目前，我们已 研制出国内首个智能仿生人工腿原型机，命名为c w - il e g ( c h i n e s ei n t e l l i g e n t p r o s t h e s e s il e g ) 。图l 一5 为完整的c i p il e g 的实物照片和三维c a d 造型图( 带 我们设计的支撑管和万向踝脚) 。 ( a ) c i p o l l e g 实物照片( b ) c i p - i l e g 三维c a d 造型图 图1 - 5 c i p - i l e g 实物照片和三维c a d 造型图 总自q 来说，我国在人工腿的研究方面已经取得了很多的成果，但在智能仿生 人工腿的研究方面尚处于起步阶段。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 课题来源 本课题源自国家自然科学基金资助项目“智能仿生机电人工腿关键应用基础 研究”( n o 5 0 2 7 5 1 5 0 ) ，高等学校博士学科点专项科研基金资助项目。智能仿生 人工腿设计、建模及控制方法研究”( n o 2 0 0 4 0 5 3 3 0 3 5 ) 以及湖南省自然科学基 金资助项目。基于步态分析和虚拟样机的智能人工腿仿真设计平台研究” ( n o o 莎4 0 1 2 8 ) 。 1 4 本文主要研究方向及内容 以上我们对国内外人工腿的研究现状进行了详细介绍，本人在该项目中主要 从事三方面的工作： ( 1 ) 理论算法的研究。在该部分中，我的任务是将a c s 算法引入到c i p - i l e g 控制器的设计中。这是本课题设计的一个重要环节。基于a c s 算法的非线 性p i d 控制器设计方法的引入大大提高了该控制器的智能化含量。 ( 2 ) 步速测量模块的软硬件设计，通过测量健康腿的步行周期来间接反映 步行速度的大小，实验证明，该测量方法可靠性好，精度满足要求。 ( 3 ) 控制器的软硬件设计，用来控制气缸内针阀的开度，以调节气缸阻尼， 使人工腿与健康腿步速相适应。它是一个精密位置闭环控制系统。该控制器的硬 件实现以1 r i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片为基础。在此芯片中实现各种控制算 法。通过该芯片实现对针阀开度的快速、精确定位控制。 论文各章节内容安排如下： 第一章详细阐述了智能人工腿的研究背景、目的及意义，并介绍了国内外的 研究现状，此外还介绍了本文的主要内容和创新之处。 第二章介绍了a c s 算法的基本原理，鉴于p i d 参数整定问题与t s p 问题的 差异对a c s 算法进行了修改，并将该方法应用于非线性p i d 的参数优化上。 第三章讨论了电机控制方式的选择，着重分析了以a c s 算法为基础的控制 算法的设计，建立了被控对象的数学模型，仿真结果表明该控制算法可以较好的 改善位置伺服控制系统的整体性能。 第四章介绍了c i p - il e g 的主要结构以及步速调整原理，并分析了当前智能 人工腿的步速测量方案中存在的不足，提出了一种通过测量整个步行周期值来得 到步行速度值的方法 第五章介绍了控制器的软硬件设计方法，具体说明了控制器与手持控制器之 间的通讯协议，并对主程序、中断服务程序以及控制算法程序的实现过程做了详 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 细的说明。 第六章介绍的是软硬件调试的方法以及在调试期间所遇到的问题，并对系统 的开发工具和实验装置进行了介绍。 第七章为对本文的总结和对以后工作的展望。 1 5 本文的主要创新之处 以前研制的人工腿，主要的不足在于： ( 1 ) 气缸内针阀开度是由步进电机来调节，无法满足大范围精密位置、速 度控制，并且精度不高。 ( 2 ) 控制器采用的是开环控制，快速性和准确性都欠佳。 ( 3 ) 控制器的c p u 多为5 l 系列的单片机，运行速度不能满足高级算法的 需求，且功耗较大。 ( 4 ) 以前的步速测量模块硬件结构复杂，灵敏度不高，这样不仅增加了成 本，而且体积也比较大。 针对这几方面的不足，我们提出了以下的改进方案： ( 1 ) 改步进电机为直流伺服电机，使它能在大范围内实现高精度的位置控 制。 ( 2 ) 设计了一个具有位置、速度和电流反馈的闭环控制系统，并采用a c s 算法对其控制器参数进行优化。通过控制策略的改进来提高智能人工腿步态调整 的快速性和准确性。 ( 3 ) c i p il e g 智能控制器的c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 采用的是1 1 公司的m s p 4 3 0 系列单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，它是一种低功耗、高集成度的专用控 制芯片。运行速度比5 l 系列单片机快并具有强大的指令集，可实现高级算法的 在线运算。 ( 4 ) 采用高灵敏度的霍尔传感器测量人工腿所处的状态，整个测量模块元 件少、体积小、结构紧凑。 1 6 小结 本章对国内外人工腿的发展现状进行了归纳总结，并对具有代表性的国内外 产品的技术特点进行了详细的分析和比较，给出了国内首个智能仿生人工腿 c i p il e g 实物图及三维c a d 造型图。最后提到了课题来源及论文的主要研究内 容和创新点。 8 中南大学硕士学付论文 第二章a c s 算法及其应用 2 1 引言 ， 第二章a c s 算法及其应用 蚁群系统( a n ts y s t e m ) 与蚁群算法( a n t a l g o d t l u n s ) 是由意大利学者m a r c o d o r i g o 等人在1 9 9 1 年提出的一种全新的模拟进化算法 2 0 l ，它是一种通用的启发 式算法，可用来解决各种不同的组合优化问题。蚁群算法的主要特征是采用正反 馈搜索机制、分布式计算方法以及动物般积极贪婪的启发式策略( c o n s t r u c t i v e g r e e d yh e u r i s t i c ) 。迄今为止，蚁群算法已成功地解决了许多实际问题，如旅行 推销商问题( t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m - t s p ) 2 q ，二次分配问题( q u a d r a t i c a s s i g a m c n tp r o b l 咖) 1 2 2 1 ，j o b - s h o p 调度问题( j o b - s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m ) 2 3 i 以及离散优化问题( d i s c r e t eo p t i m i 动l j ) 阱l 等。 a c s ( a n tc o l o n ys y s t e m ) 算法是在a s 算法的基础上改进而来的1 2 ij 。与 a s 算法相比，a c s 算法的鲁棒性、快速性更好，获得全局最优解的概率更大。 本文以a c s 算法为基础，通过分析p i d 参数随系统过渡过程误差变化的理想变 化关系，分别给出了增益参数j 白、墨、一种关于误差的连续非线性拟合函数。 该非线性函数的变化特性符合参数的理想变化过程，因此非线性p 1 d 调节器能够 兼顾动态和静态性能，克服响应的平稳性和快速性之间的矛盾，从而达到改善控 制效果的目的。同时本设计提出了将a c s 算法应用于非线性p d 控制器参数的 优化方法，仿真结果表明该算法在非线性p i d 控制器参数优化设计中的有效性和 合理性。 2 2 蚁群算法原理及算法改进 2 2 1 基本蚁群算法原理 经过仔细观察和研究，仿生学家发现蚂蚁身上有一种称为信息激素物质，蚂 蚁个体之间正是通过这种物质来传递信息并决定自己的运动方向。具体原理为： 蚂蚁在运动过程中会在它所经过的路线上释放出数量不等的信息激素物质，从而 形成一条由该物质所构成的路径。当一只无目的运动的蚂蚁偶尔遇到这样一条路 径时，它能察觉到并极有可能追寻这条路径运动。在沿该路径运动的过程中，这 只蚂蚁又会释放出它自己的信息激素物质，其结果是增加了这条路径上信息激素 物质的数量。这种路径选择方式如果表现在由许多蚂蚁组成的蚁群上，便会形成 一种正反馈现象，即某一路径上走过的蚂蚁越多，则后来的蚂蚁选择该路径的概 率就越大蚂蚁个体之间正是通过这样一种信息交流方式达到搜寻食物的目的。 9 中南大学硕士学位论文第二章a c s 算法及其应用 在自然界中，蚁群的这种寻找路径的现象就表现为一种正反馈的过程。而这 一过程应用于优化领域便产生了人工蚂蚁算法，也就是我们在本章中所说蚁群算 法。因此整个系统也可以称为蚂蚁系统，而那些只具备了简单功能的工作单元将 被视为是“蚂蚁”，那么上述蚂蚁寻找路径的过程也可以用于解释人工蚁群的寻 优过程，即让人工蚂蚁根据路径上的相当于信息素的数字信息量的强度选择路 径，并在所经过的路径上留下相当于信息素的数字信息量，然后随着时间的推移， 最优路径上的数字信息量将积累得越来越大，从而被选择的概率也越来越大，最 终所有人工蚂蚁将趋向于选择该路径。这种模拟蚁群搜索食物的过程与著名的旅 行商问题非常相似，因而最初人工蚂蚁算法被提出用于求解旅行商问题。 由以上分析可知，人工蚁群和自然界蚁群的相似之处在于，两者优先选择的 都是含信息激素物质浓度较大的路径；在这两种情况下，较短的路径上都能聚集 较多的信息激素物质；两者的工作单元( 蚂蚁) 都是通过在其所经过的路径上留 下一定信息激素物质的方法进行间接的信息传递。但是人工蚁群作为一种用于优 化的工具，与自然界蚁群相比还存在着一些根本的区别：( 1 ) 人工蚁群具有一定 的记忆能力，它能够记忆已经访问过的节点和经过的路径。( 2 ) 人工蚁群在选择 下一条路径( 或节点) 的时候并不是完全盲目的，而是按一定的算法规律有意识 地寻找最佳路径( 如在旅行推销商问题中，可以预先知道下一个目标地距离) 。 ( 3 ) 人工蚂蚁系统中的“蚂蚁”生活在一个时间离散的环境中【2 5 】。 2 2 2 基本蚁群算法模型及其实现 蚁群系统和蚁群算法最早被用来解决旅行推销商问题，所以这里我们也以旅 行推销商问题为例，阐述蚁群系统和蚁群算法的基本原理瞄】。旅行推销商问题可 以简单地表述为“假设有栉座城市，要求找出一条最短且封闭的旅行路线使推销 商访问其中每座城市仅一次”。 令6 翘( 1 = l ，2 ，栉) 表示时刻f 在城市i 中的蚂蚁数量，则这行座城市中 的蚂蚁总数可表示为肌= ) 7 6 。( ，) 假设旅行过程中每只蚂蚁都具有以下特征； ( 1 ) 以某种概率选择下一个要去的城市，这个概率是两座城市之间距离及其路 径上所含有的信息激素物质数量的函数：( 2 ) 旅行路线必须符合这样一种规则， 即在旅行结束以前禁止访问已经访问过的城市；( 3 ) 在旅行过程中，将信息激素 物质释放在所走过的每一条路径e a g e ( i , j 3 上，e d g e ( ，力表示在城市f 与城市_ ，之间 的旅行路径。 令气( f ) 表示时刻t 在路径e d g e ( i , j 3 上的信息激素物质的浓度( 即单位长度路 径上所含有的信息激素物质的数量) 。在时刻t 每只蚂蚁都要选择下一个要去的 城市，并在r + 1 时刻到达该城市。我们把这珊只蚂蚁在时间区间( f f + 1 ) 内各 移动一次称为蚁群算法的一次迭代，而经过一次迭代后则称蚁群算法完成了一次 1 0 中南大学硕士学位论文第二章a c s 算法及其应用 循环。显然，每经过一次循环，蚁群中的每一只蚂蚁都完成了一次符合规则的旅 行，此时，信息激素物质的浓度应按以下公式修正： 勺( f ) = ( 1 一，) - 勺o ) + 勺 ( 2 1 ) 式中，是一个系数，( 1 一，) 表示在时间f 和什聆之间信息激素物质的挥发程度 ( 因为随着时间的推移，路径上先前留下的信息激素物质会逐渐消失) ，而a 气可 表示为： 勺= 巧 ( 2 - 2 ) k = l 式中，是第1 i 只蚂蚁在时间f 和t + n 之间、释放在路径e d g e ( i , 力上每单位长 度的信息激素物质的数量( e p 第k 只蚂蚁释放在路径e d g e ( i , j 上的信息激素物质 的浓度) ，它由以下公式计算： 露= 呈，如果第t 只蚂蚁在时间f 和什n 之间走过路径e d g e ( f d k ( 2 - 3 ) 0 ，否则 式中，q 是一个常数，厶是第| 只蚂蚁完成一次旅行时所走过的路径总长度。系 数p 必须被规定为小于l ，以避免各路径上信息激素物质的数量无限制地累积。 在时刻f = 0 ，通常规定信息激素物质的浓度f 。，( o ) 为一个很小的正数c 。 为了满足每只蚂蚁访问所有斗个不同的城市仅一次，可以给每只蚂蚁各定义 一个称为禁忌表( t a b ul i s t ) 的数据结构，其中储存有到时刻t 为止每只蚂蚁已经 访问过的城市以及在各城市之间所走过的旅程，并禁止该蚂蚁再次访问这些城 市当一只蚂蚁完成一次符合规则的旅行后，禁忌表可被用来计算它的当前解， 即该蚂蚁在本次旅行中所走过的总旅程。用t a b u k 表示第k 只蚂蚁的禁忌表，显 然它是一个动态增大的向量。 我们把l 西称为能见度巩，这里西表示城市i 与城市_ ，之间的路径长度。 定义p ：( f ) 为第七只蚂蚁由城市f 向城市，转移的概率，它由下式计算： 西( f ) = 如果j c a l l o w e d k ( 2 - 4 ) 否则 式中，a l l o w e d , = 如一t a b u 。) ；参数口、声分别表示信息激素物质的浓度和能见度