（机械电子工程专业论文）基于dsp的模糊pid控制器及在智能人工腿中的应用研究.pdf

摘要 智能人工腿是机器人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其医疗福利事业 的发展具有重要的现实意义。以前研制的智能人工腿，其控制器 控制汽缸内针阀开度都是采用步进电机所构成的开环系统，位置 精度不高。在本文中，我们将设计一个具有位置和速度反馈的闭 环控制系统并引入模糊p i d 控制策略，结果表明，本文所提出的 智能人工腿模糊p i d 控制器提高了控制系统的智能性、鲁棒性、 快速性和准确性。 在论文中，我们首先概述了智能人工腿的控制原理和 t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理器( d s p ) 的主要特点，其次设计了 种基于州s 3 2 0 f 2 4 0 的模糊p i d 控制系统的结构，最后对该控制系 统进行了计算机仿真。结果表明，本文所提出的设计方法可以有 效地用于智能人工腿的行走控制。 关键词：智能人工腿；数字信号处理器( d s p ) ；模糊p i d 控制 器；模糊控制策略； a b s t r a c t k t e l l i g e n ta n i f i c i a 王l e gh 衄b e e na n 衄e r e s t i i 培r e s e 诎p 啊e c ti nt l l ef i e l d so f r o b o t i c sa i l db i o m e d i c a le 西n 砌l g ，沁m o s te x c e n e n tc b 锄c t e r i s 石c si s 由a ti tc a n i m i t a t et 1 1 em o v e m 衄tw a y so fb 砌a nh e a 王m yl e g sa n di 拓w a l l ( i n gs p e e dc a nc h a n g e n a 删l yw i mt l l ec h a n g eo f a r n p u t e c sw a j k i 且gs p e e d t h er e s e a r c ho n 1 i sp 叫e c ti so f p r a c t i c a ls i g i 丘c a n c et 0i m p r o v i n gt b el i v i n gs j 加a t i o na n d 、v e l f h r eb e n e f i t so f a r n p u t e e s f o rt 1 1 ep a s ty e a r s ，s e v e m li m e l l i g e n ta n i 丘c i a ll e g sh a v eb e e nd e v e l o p e d b u t ，血e c o m r o l l e r ，w h i c hi su s e dt oc o n 缸d lt h eo p e 血go f t h r o t t l eo f a na i rc y l i i l d e ri i lt h e s el e g s ， i sa no p e n - l o o ps y s t e mc o m p o s e do fas t e p p _ m gm o t o r a n dk l sl o w e rp o s m o np r e c i s i o n i nt l l i sp a p e r ，w e 试l ld e s i 弘ac l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mw i mp o s “i o na n dv e l o c i t y 妊d b a c ka j l da d o p tf i l z z yp i dc o 仃o ls 怕t e j 阱t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i 舢l a t i o na n d e x p c 血n e n co n 蛐sc o n 的is y s t e i ni n 碰c a et h a tt h ek 纠l i g e n t 枷五c i a lj e g sf h z 掣p n ) c o n 订d i l e rp r o p o s e db e r er a i s e s 吐i ei i l t e l i i g e n t b e h a v i o r ，m b e l s t f l e s s ，r e s p o n s es p e e d ，a n d a c c u m c yo f t l l ec o r l 扛o ls v s t c m f i r s t ，w e 西v ei n t d o d u c 曲n st 0 也ec o n 订o lp 咖c i p ko fi n t d l i g e m 孤m c i a ll e g sa n d m a i nc h a r a c t 商s t i c so ft m s 3 2 0 f 2 4 0d i g “a ls i 印a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，a n dt h e np r o p o s ea s y s t e ms 伽c t u r ef o rf u z 巧p i dc o n t r o i l e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 t h er e s u l to f c o m p u t e rs i m u 】a t i o nt 0t h i sc o n t r o ls v s t e mi n d i c a t e st h a tt l l ed e s i g nm e t h o dp r o p o s e d h e r ei sc o r r e c ta 1 1 dc a nb eu s e de 舔咒t i v e l yt oc o n t i o lt l l e w m k i n gm o v e m e m so f i n t e g e n ta n i f i c i l e g s k e yw o r d s ：h l t e l l i g e n ta m 丘c i a ll e g ；d i 百t a ls i g l l a lp r o c e s s o r ；矗l z z yp i dc o n 昀1 l e r ； 向五可c o n 自ls 嗽g y 第一章综述 第一章综述 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干万下肢 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 l 万人失去下肢“。 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 走功能，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) 就成了恢复其行走功能的唯一手段。 促进残疾人医疗福利事业的发展长期以来一直是党和政府菲常关心的问题，对 此领域相关项目的研究一直受到国家民政部和中国残疾人联合会的高度重视。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 融合盘一起，研究具有世界领先水平的、真正意义上的智能型人工腿，使截肢耆靛 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、象正常人一 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；第二是希望将所取 得的成果尽快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 该行业形成年产值达数亿乃至数十亿元的规模经济，这对推动我国假肢生产行业的 发展无疑具有极其重要的经济意义。 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，无淦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，步念极不自然，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予技术的快速发展，人工腿的研制 才取得极大进展。下面将要叙述的内容包括四个部分：l _ 从七十年代中期至九十年 代初国外人工腿的研究概况；2 九十年代初至今国外人工腿的研究概况；3 国内人 第一章综述 工腿的研究概况；4 国内的需求。 l 、从七十年代中期至九十年代初国外人工腿的研究概况 这一时期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。组成这些人工腿的关键要素有四方面：第一 是膝关节构造，第二是腿运动的控制方式，第三是踝关节和脚的构造，第四是材料 的选用。下面分别叙述。 ( 1 ) 膝关节的构造 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摔跤，一 般用于活动度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 型产品有今仙技术研究所的l a p o cs l 0 7 0 1 ，s l 0 7 l o ，s l 0 7 2 0 等43 “。 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 工腿一般用于活动度中等的截肢者。典型产品有英国布菜切福特公司 ( 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 l 以及 德国奥托搏克假肢矫形器工业公司( o t t ob 。c ko r t h o p a e d i ci n d u s t r y ) 的3 r 8 0 。3 1 ”等。 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。这类膝关节的特点之一是，膝关节的转 动中心可以随膝关节弯曲角的变化而变化，瞬时转动中心轨迹为一曲线。特点之二 是，在脚跟着地的一瞬间，地面反力的作用线将通过膝关节前下方轴的前方，使得 膝关节完全处于伸展状态且不易引起膝弯曲，在腿直立期，膝关节保持伸展状态的 稳定性非常高。这一点对截肢者来说极为重要，因为腿呈直立姿态在一个步行周期 中约占6 0 ，而且对于不平整地面、斜坡或楼梯等，更要求腿在直立姿态时具有很 高的稳定性以防摔跤。特点之三是，当膝关节弯曲时，由于转动中心的移动以及联 杆机构的作用，含多轴膝关节的人工腿其下腿部有效长度会缩短，这一特点使截肢 者在不平整地面、斜坡或楼梯上行走时不必担心脚尖会碰到地面而失去平衡。由于 这些特点，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 、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 第一章综述 o r t h o 口a e d i ci n c ) 的t g k 一4 p 0 0 ，以及日本高崎假肢株式会社的t g l 0 1 7 等“i6 “。 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 个轴、6 根联杆组成。这种膝关节的设计者f i n ng r 锄a s 是一位工程 师，他女儿在六岁时因下肢先天性畸形而截去了膝关节和小腿。看到女儿用假肢走 路时非常困难，他从内心希望能给女儿一种功能更全、性能更好的人工腿。经过一 段时间的研究，f i n n 最终为女儿设计的正是这种全功能膝关节。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滕关节弯曲而摔跤。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。此 外，这种膝关节还有一个极好的特点，即通过使用橡胶缓冲器，利用橡胶的可压缩 与弹性特性，在腿直立初期，它能象健康膝那样从完全伸展位产生最大约1 5 。的轻 度弯曲( s t a n c e f l e x ) ，然后又回弹到完全伸展位。这一过程既能有效地吸收脚跟着 地时地面对身体产生的冲击，又能通过膝关节弯曲的回弹获得推动身体前进的推动 力。这一特点近期开发的许多膝关节也都具有了，如德国奥托博克公司的3 r 6 0 五轴 膝关节等。临床实验的结果还表明，与单轴膝相比，使用全功能膝关节步行所需的 髋关节力矩较小，相应地，步行所需的能耗也降低了。由于上述特点，全功能膝关 节能确保截肢者在不平整地面、斜坡或楼梯上步行时更安全、更自然、更舒适，甚 至还能轻松地从事玩高尔夫球、跑步、或骑自行车等体育运动。典型的全功能膝关 节产品有美国c e n t u r yx x i ii n n o v a t i o n si n c 公司的t k l l o o ，t k l 9 0 0 ，t l ( 2 0 0 0 等 2 j ? + r ： ( 2 ) 腿运动的控制方式 腿运动的控制方式是人工腿设计的重点，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 。2o 。的轻度弯曲，但随后必须伸直) 。这是因 为此时另一侧的健康腿处于摆动状态，与地面不接触，人体的重量完全由人工腿支 撑，此时如果人工腿膝关节出现弯曲必将导致摔跤。腿直立时的控制可分为两类， 一类是按截肢者的意志而进行的随意控制( v o l u n t a r yc o n t r 0 1 ) ，另一类则是与截肢 者意志无关的机械控制( c h a n i c a lc 0 n t r 0 1 ) 阳1 。所谓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地控制人工腿膝关节不弯曲的一种控制方法。 具有单轴膝关节和多轴膝关节的人工腿都可采用这种控制方法，它们都是通过使地 面反力的作用线位于膝关节转动中心的前方来实现的，所不同的是，对于多轴膝关 节，在伸展位时，由于瞬时转动中心位于比联杆的机械轴高出许多的地方，稳定膝 3 第一章综述 关节所需的髋关节伸展肌肉力量可以减少。所谓机械控制是指不依赖截肢者的意志 而完全依靠机械装置控制人工腿膝关节不弯蓝的一种控制方法。机械控制装置有两 种形式，一种是在膝关节处安装锁定器，在整个腿直立期间完全将膝关节固定在伸 展位而不产生弯曲，这就是前面介绍的固定膝；另一种则是在膝关节处安装制动块， 依靠体重触发制动使膝关节稳定在伸展位，这就是前面介绍的可承重自锁的膝关节 或安全膝。此外，全功能膝关节由于其特殊构造使之具有定点锁定功能，腿在直立 位时可认为使用的是机械控制。 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，应保证小腿和脚部的摆动接近正常。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。腿摆动时的控制装置可分为三类。2 | 。第一类 是伸展辅助装置( e x t e n s i o na i d s ) ，它是利用螺旋状弹簧和橡胶在膝关节弯曲时受 压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。 第二类为机械摩擦装置( 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可起作用。以 ； ，j 瞄 床上广泛使用的定摩擦膝关节由于没有考虑角度和步速的变化，只能产生一定的阻 力，腿的摆动周期是固定的，截肢者不能够随环境变化( 例如在拥挤的人群中和在稀 少的人群中) 调整步速，所以性能也不佳。第三类为流体控制装置( f l u i dc o n t r 0 1 d e v i c e s ) ，包括气压和油压两种方式，最适合于腿摆动时的控制，能产生与肌肉运 动相似的非线性阻力，与前面两类装置相比，这种控制装置可使腿的摆动过程更为 自然、平滑。气压和油压的差别在于介质有无压缩性，气压方式可产生与变位同期 的阻力，而油压方式则产生与速度同期的阻力。因此，在中、低速步行时采用气压 方式较为合适，而在中、高速步行时则采用油压方式较好。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及活塞来实现的。气压方式的典型产品有英国 前i 莱切福特公司的p s p c ( p n e m a t i cs w i n gp h a s ec o n t r 0 1 ) 可承重自锁的单轴朦关 节。1 、德国奥托搏克公司的3 r 7 2 四轴膝关节”1 、台湾德林公司的t g k 4 p o o 四轴膝 关节 1 以及日本高崎假肢株式会社的t g l o l7 四轴膝关节d 3 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、3 r 6 0 五轴膝关节、3 r 8 0 可承重自锁的 单轴膝关节1 ，美国c e n t u r y ) 【) 【i ii n n o v a t i o n si n c 公司的t k 2 0 0 0 全功能膝关节 ”1 ，日本高崎株式会社的t g1 0 2 7 四轴膝关节“1 等。其中，值得一提的是3 r 4 6 ， 这是一种在腿直立期采用随意控制、在腿摆动期采用油压控制的四轴膝关节，瑞士 4 第一章综述 人卢卡斯格利斯顿使用这种膝关节并将其油压阻力调至最大，结果以1 3 秒跑完了 1 0 0 米，这一速度已与常人无异”11 ( 3 ) 踝关节和脚的构造 踝关节和脚的构造相对来说没有膝关节那么复杂，设计时重点考虑的是运动的 灵活性和吸收地面冲击的能力，主要有静踝脚( 踝关节固定) 、单轴踝脚( 踝关节可在 前后方向作上下转动) 、万向踝脚( 构造与人的踝关节相似) 以及储能脚等四种类型。 其中，储能脚( e n e r g ys t o r i n gf 0 0 t e s f ) 的内部含有弹性储能元件，它的特点是脚 在立脚相的中期f m id s t a n c e ) 储存身体施加在踝关节处的链量，而在最佳时刻，即 推离期( p u s h o f f ) 释放出所储存的能量，以辅助推动身体向自口运动。典型的e s f 储 能脚产品有德国奥托搏克公司的d y n a f i l i cp r o 和h a n g e rq u a n t u m ”。，美国c o l l e g e p a r ki n d u s t r i e si n c 公司的多轴动态响应脚( 灿1 t i a x i a ld y n 锄i cr e s p o n s e f 0 0 t ) t r u s e t p “1 虻等。荷兰的k p o s t e m a 等人曾将储能脚与普通假脚的性能进行 了比较，他们采用双盲随机试验法利用英国牛津仪表公司( o x f o r dm e t r jc sl t d ) 的v i c o n 三维运动和图像分析系统测量并记录了被测对象的步速，步频，虢、膝、 踝关节运动范围，立脚相初期的跖屈，立脚相后期的背屈，以及能量的储存、释放 和消耗等运动学、动力学参数，结果表明，e s f 储能脚总的来说比普通俊脚要好， 特别是能量消耗比普通假脚小9 。 ( 4 ) 材料的选用 人工腿所使用的材料主要有不锈钢、铝合金、钛合金、碳纤复合材料以及共聚 塑料等。 2 、九十年代初至今国外人工腿的研究概况 这一时期人工腿研究的最大进展是英国和日本率先将微电子技术、计算机控制 技术与康复医学工程技术融合在一起，相继研制出了智能型的人工腿著已大量投入 临床应用。九十年代初以前研制的人工腿存在这样一个问题：人工腿的步行速度不 能自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化，即使是采用对速度具有敏感性 的气压、油压式摆动相控制装置，速度也基本上保持不变，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“。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， 第一章综述 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l 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 年向全世界公丌了该项技术 “。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s a c e d 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 tp r o s t h e s is ) ”。 该公司在1 9 9 3 年将i p 投放市场。1 9 9 5 年z a h e d i 又在i p 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 ) “。此外，日本的m b c 0 l t d 公司也在1 9 9 4 年研制出结构类似于i p + 的智能人工腿n i c l l l “。据统计。 到1 9 9 6 年底为止，全世界已有3 千多截肢者在使用这三种智能人工胆，而且使用 者还在大幅增加。i p + 和n i c 11 1 的外形分别如图l 一1 、图1 2 所示。 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，其中i 附出于在膝关节内安装有缓冲橡胶，在腿 直立仞期可产生轻度弯曲( s t a n c e f l e x ) ：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 可快可慢，较好地解决了以前研制的人工腿面临的这一难题，这是智能人工脞所 具有的最优秀的特点。 藩r 凹l t 英国的r p + 智能人工雎图卜2f | 奉的n i c i l i 智能 工艘 智能人工腿与以前研制的人工腿最大朐不同之处在于其膝关节弯i f l 和付l 展的捧制 上。在智能人工腿的膝关节内装有一个尾部带有小型直流电机的差动式单数空压气 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 衙曾 第一章综述 示) 。空压气缸尾部的电机可以控制气缸内一个针阀( 流量控制阀) 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。调节原理具体如下。让截肢者以自己喜欢的慢速( s 1 0 w ) 、中速( m i d d l e ) 和 快速( f a s t ) 作试步行，利用一个针阀开度设定器( i p + 的设定器为无线遥控形式) ，分 别找出在这三种步速下使膝关节弯曲伸展最适宜的针阀开度s v 、m v 和f v ，并分别 计算出s v 和m v 、 i v 和f v 之间的平均值s w 及肝v 。同时，利用速度传感器测量出 这三种步速下的步行周期s t 、m t 和f t ，并以这三个步行周期值为基础，将步行周 期( 与步行速度一一对应) 细分为五个区域：( o ，b ：) 、( b 。，b ：) 、( ，b 3 ) 、( b 。，蚴， b ；，这五个步行周期区域的针阀开度分别为s v 、s m v 、吖、m f v 以及f v 。然后，将 这五个针阀开度值和五个步行周期区域的边界值b 、b 3 、输入并储存在微处理 器的e e p r o m 中作为标准值。以后，截肢者在实际步行时，步速传感器会自动检测出 其步行周期并将测量值输入给微处理器。微处理器将输入的步行周期与其内部预置 的边界值b ：b i 进行比较并确定出截肢者的步行周期位于哪一区域，然后控制气缸 尾部的直流电机使针阀的开度与该步行周期区域相对应，例如，若截肢者的步行周 期位于区域( ，b 。) 内，则针阀开度值为w 。i p + 和n i c l l l 两种智能人工腿都可以 为截肢者提供五种速度选择，并能自动纠正步念的偏差，减少行走的不适。无论是 身体脆弱和活动量小的，还是生性活跃和运动量较大的截肢者都可以从智能人工腿 获得极为接近正常人的自然步态。“。 智能人工腿当其电池电压过低或微处理器出现故障时，直流电机将停止工作， 但此时阀门的开度仍被维持，所以截肢者仍能按一定速度行走。针阀只在步速变化 时才会动作。以固定速度行走时( 充许有小幅波动) ，直流电机不会消耗电能，只有 微处理器消耗电能。i 附和n i c 1 1l 都是使用小型锂电池供电，电池寿命会因使用者 的步行量、步速变化的频率不同有所差异，一般为一年左右”。川。 有一个事实要指明，英、日两国已将专为其智能人工腿研制的控制器和差动式 单级空压气缸的设计原理申报了国际专利。 从智能人工腿问世以来，有许多学者对其性能进行了研究。英国的s k i r k e r 等人对智能腿i p 和普通的气动式摆动相控制腿s t a n d a r dp s p c 的性能进行了比较， 得出如下结论：与s t a n d a r dp s p c 相比，使用i p 智能腿，左右两条腿的步态更匀称， 耗氧量减少( 特别是在快速步行时) ，而s t a n d a r dp s p c 只在调整好的步速( 截肢者个 人最合适的步速) 下具有和i p 相同的性能，当步速偏离调整值后其性能将恶化n “。 英格兰的d d a t t a 和j h o w i t t 也将智能腿i p 与普通腿p s p c 进行了比较，得出 了与s k i r k e r 等人类似的结论“。 7 第一章综述 智能腿是目前唯一能够覆盖从慢到非常快的较宽步速范围的人工腿，某些截肢 者使用智能腿后能够实现1 2 0 米分钟左右这样一种接近跑步的速度”j 。但由于目 前研制的这些智能人工腿使用的都是气动式膝关节，所以若要达到赛跑的速度，可 能需要改用油压式膝关节。 需要着重指出的是，英国和目本研制的i p 、i p t 和n i c l l l 并非真正意义上的 “智能”人工腿。它们之所以被业界称之为智能人一l 腿，是因为住其设计中首次引 入了微处理器芯片以及步速传感器，使其与以前的纯机械式人工腿相比具有了自动 调整步速的能力。但是，其调整步速用的控制器采用的是丌环结构，无法确保位置 控制量( 气缸内针阀开度) 的实际值与期望值准确相等，控制精度不高，并且控制器 中也末采用任何智能算法“i 。l 。所以，如果把这些人工腿称作为机械电子人工腿 可能更为合适。这一缺陷是本项目将要重点研究并解决的关键问题之一。 这一时期除了研制成功智能人工腿之外，在实验和理论研究方面也取得了一些 重要的成果。美国俄亥俄州立大学生物医学工程系的j r d jn g w e l1 等人建立了一 套用于实时评价和提供步态对称性信息的系统，该系统由两个o r 6l 型心t i 测力台、 一套实时视觉反馈显示装置、及一台g a t e w a y2 0 0 0i b mp c 组成。编写的软件能连 续地实时采集、处理及显示步态对称性的信息。所提供的实时视觉反馈显示包括左 右脚的压力中心轨迹、左右脚的支撑时问以及左右脚的最大支撑力，能非常直观地 表示出两只脚在步行过程中的对称情况。“。 美国迈阿密大学医学院的r s g a jl e y 等人专门研究了假肢质量对步行的代 谢作用的影响问题，对象为非血管性胫骨截肢者。结果表明，即使给小腿假肢增加 重达o 9 0 7 公斤的附加质量，截肢者稳定行走的能量消耗也不会增加太多( 4 7 ) 。 这一结果的意义在于表明，设计小腿饭肢时可以使用诸如转动装置、踩关节、缓冲 器、以及耐用的表皮等零部件来改善小腿截肢者的步态和功能但又不会明显增加其 耗氧量等能耗指标一。 美国t u f t s 大学医学院的m p p i t k i n 设计了一种用于假脚踝关节的摆线机构， 其目的是使假脚在背屈运动时( d o r s i f l e x i o np h a s e ) 踝关节具有更自然的阻尼力矩 l7 德国奥托搏克公司的s b 1u m e n t r i t t 从生物力学的角度专门研究了胫骨截肢者 使用的假肢的基准线问题。其研究结果表明，确定静态基准线的方法可概括为三点： 第一，膝关节中心应位于地面支撑反力作用线后方1 0 至3 0 m 处：第二，踝关节应 位于膝关节后下方，两者前后的距离取决于所选择的脚的类型；第三，脚的背屈和 跖屈范围应根据脚的类型和体重来调整“。 筘一荦综述 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1 3 、图1 4 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，这些图片非常直观地反映出了欧洲国家的先进水平。 3 、国内人工腿的研究概况 国内在人工腿( 假肢) 方面的研究与欧美和日本、台湾等发达国家和地区相比 存在相当大的差距，从事这一领域研究和开发的大学和研究机构也相对较少，相 关产业与欧美和日本相比整体上大约落后2 0 年，各大假肢生产厂家目前的主要产 品仍然停留在 | 兰_ 卜3 英同布菜臼j 福特公- d 的人工腱幽l4 缚固舆托抑克莹- ，j 柏 f _ = | 睹如游动式定摩擦膝关节、带手动锁定装霞的膝关节( 湖北省假肢厂、四川省假肢 厂) 游动式负荷制动膝关节( 北京假肢厂、四川省假胺厂) ，单轴式，多轴式及固 定式假脚( 北京假肢厂、湖北省假胜厂) 等纯机械式老一代产品上”。 目前的情形是，欧美及臼本、台湾的假肢生产企业太举进军国内市场如德 国奥托搏克公司于1 9 9 3 年在北京成立了( 中国) 有限公司，并在上海、广州丌设了 办事处，建立了一个袄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。 4 、国内的需求 随着我国国民经济建设持续高速发展，特别是工业、建筑业、交通业的超常规发 展导致各类工伤、交通事故大幅增加，加上自然灾害( 如地震) 和疾病所造成的 9 第一章综述 伤残以及军人伤残，目前我国下肢残疾者的数量出现了令人忧虑的快速增长的趋势。 据中国康复研究中心的统计，目前我国下肢残疾者高达6 0 0 余万人，其中截肢者约 占4 0 5 0 。这两年我们项目组的主要成员对北京、上海、广州、长沙等地各大医 院和康复中心、假肢生产安装厂家进行了实地考察，目睹了截肢者选用和安装人工 腿( 假肢) 的情况。从我们了解到的情况来看，出于经济方面的考虑，国内患者大 多数选用国内厂家的产品( 9 5 ) ，尽管这些产品是纯机械式的，性能单一，比国外 先进产品落后近2 0 年，但价格都相当便宜，性能、质量最好的产品售价也不超过一 万元。而各大医院、康复中心、假肢生产安装厂家代销的国外产品售价都在5 万元 以上，其中智能人工腿的售价更是高达8 1 0 万元。这就使研制价廉物美的智能人工 腿成为必须。 1 3 、本人课题所从事的主要研究 1 、项目研究概述 以上我们对国内外人工腿的研究情况，特别是国外智能人工腿的研究现状进行 了详细介绍。由于这个项目在我进入课题之后才刚刚开展，所以我只承担了这个项 目的p i d 参数自整定模糊控制器的研究与设计，以实现空压气缸内针阀开度快速、 精确定位。在针阀开度快速、精确定位的实时控制中之所以决定采用“p i d 参数自 整定模糊控制器”是因为在考虑控制器问题时，我们掌握的原则是其设计应尽可能 简单、节能、稳定、可靠，并且具有较高的控制精度。显然，p i d 调节器是最合适 的选择。但是，由于常规p t d 调节器不具有在线整定其参数k n 、k 。、l ( d 的功能，致 使其不能满足在不同偏差e 和偏差变化e 下系统对p i d 参数的自整定要求，从而 影响其控制效果的迸一步提高。而p i d 参数自整定模糊控制器不仅可以满足上述设 计原则，而且具备在不同e 和e 下对瞄、k 。、k 。三个参数自动进行在线调整的能力， 而且智能性、鲁棒性、实时性及准确性都非常优秀，其控制效果远远优于常规p i d 调节器。 2 、研究目标、研究内容 研究目标 研制成功专用于控制人工腿膝关节屈伸运动及小腿摆动的智能控制器，该控制 器将以实现空压气缸内针阀开度快速、精确定位功能的“p i d 参数自整定模糊控制 器”为核心。以替代国外智能人工腿所使用的普通控制器。 第一章综述 研究内容 本项目将重点研究控制人工腿膝关节屈伸运动及小腿摆动的智能控制器，因为 它们是截肢者实现变速步行、提高步态灵活性的核心部分。本项目的研究内容具体 为：以模糊控制理论为基础，将计算机技术、微电子技术以及微传感器技术融合在 一起，研制一个能使针阀开度快速、精确定位的智能控制器。该控制器的核心是“p i d 参数自整定模糊控制器”，它能在线自动调整p i d 控制器的三个参数睇、k ，、k ，作 用是解决步行过程中人工腿的空压气缸内针阀开度的实时、快速、精确定位问题。 3 、本人课题的创新之处 首次在人工腿的研究中引入了智能化模糊控制的概念，将研制一个具有领先水 平、专用于控制人工腿膝关节屈伸运动及小腿摆动的、以p i d 参数自整定模糊控制 器为核心的智能控制器，其智能化含量、整体技术水平及性能都将超过国外智能人 工腿所使用的控制器。 1 4 、技术路线和实旖方案 在智能控制器的研究中，我们将以智能控制理论中的模糊控制为基础，并将计 算机技术、微电子技术、微传感器技术融合在一起。首先明确该控制器是用来控制 气缸内针阀的开度，以调节气缸阻尼，使之与步速相适应，它是一个精密位置控制 系统。这里，位置控制量是气缸内针阀的开度，它由直流电机带动螺母螺杆的运动 来控制。由于依靠高容量小型锂电池供电，所以控制器必须具有小型、轻量且低能 耗的特点。其次研究p i d 参数自整定模糊控制器的设计问题。这个问题包括5 个子 问题“：选择模糊语言变量，确定语言变量值、量化因子、比例因子以及各 语言变量的隶属函数。对于我们的p i d 参数自整定模糊控制器来说，考虑到实现的 简易性和快速性，拟采用二维模糊控制器，其输入变量取误差e ( 针阀开度的期望值 与实际值之差) 和误差变化e ，输出变量取为参数k p 、t ，、l 同时，考虑到实际控 制系统在过渡过程中，不同时域所要求的性能指标的重点是不同的，因此拟将时间 t 作为控制策略的一个重要参考因子加以考虑。设计模糊控制规则，其原则是： 当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小：当误差较小时，除了要消除 误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调、甚至振荡。选择 模糊推理模式。对于我们拟采用的二维模糊控制器，重点将考虑采用d a n i 最小 运算规则或l a r s e n 乘积运算规则作为推理模式。建立p i d 参数自整定模糊控制 器的查询表，使控制过程具有良好的实时性翻剐m 1 。清晰化计算( 解模糊) ，目 第一章综述 的是将模糊推理得到的模糊控制量转化为执行机构可以接受的清晰量，以完成实际 的控制任务。清晰化计算拟采用加权平均法或中位数法。 最后具体将智能控制器研制出来。我们拟采用美国德州仪器公司生产的数字信 号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，这是因为另一方面，该芯片面向新一代电机调速，它将d s p 高速运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体。t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有专门针对电 机控制的“事件管理器模块”，它们为：1 ) 3 个通用定时器，各带个比较逻辑单 元，共可输出3 路比较，p w m 脉冲；2 ) 3 个全比较单元，共可出3 对可编程死区控 制的比较，p w m 脉冲；3 ) 3 个单比较单元，共可输出3 路比较p w m 脉冲：4 ) 4 个 捕获引脚，用于高速i o 的自动管理：5 ) 正交编码脉冲( 0 e p ) 单元，可直接连到 光电编码盘。这将大大简化获取反馈信号的硬件电路部分的设计，t s 3 2 0 f 2 4 0 数字 信号处理器的所有这些特性为智能人工腿的电机位置伺服控制带来极大的方便。并 选用性能优良的小型直流电机、螺杆螺母( 用于将旋转运动转变为直流运动) 、高容 量小型锂电池以及其它必需的元器件，具体将以p d 参数自整定模糊控制器为核心 的智能控制器研制出来。 应该指出，这种智能控制器与国外智能人工腿所使用的控制器相比，耗电量会 有小幅增加，但这只是缩短了更换电池的周期而已。并且，随着科学技术的快速发 展，小型高容量电池研究取得了不断进步( 如碳纳米电池研制成功) ，这一问题更不 会成为阻碍。 在智能控制器研制成功后，根据步速调整针阀开度的具体方法是，先由步速测 量电路测量出步行周期，并将其与e p r 中预置的边界值进行比较，判断它处在哪 一步行周期区段，并找出该区段所对应的针阀开度值( 这一部分课题任务由另外一 个同学完成，在奉人课题中暂时采用上位机发送针阀开度值) 。然后，由p i d 参数自 整定模糊控制器驱动电机带动针阀的针杆运动，使针阀的开度值等于选中的期望 值。 从我们己进行的研究和所了解的国外信息来看，我们认为以上的研究方法、技 术路线和实施方案是可行的。 1 5 、技术经济效益及社会效益分析、推广及应用前景 我们从福建省假肢厂了解到，他们代理的英国e n d 0 1 i t e 牌智能大腿假肢目前在 国内的售价为人民币1 0 万元左右( 零、部件全部从英国进口) ，而日本同类产品的售 价大约为人民币8 万元。这是二十世纪九十年代中期产品的价格。最新的情况是， 1 9 9 9 年1 2 月欧洲著名的德国奥托博克公司在北京举行了新产品演示会，推出了其 第一章综述 最新研制的智能人工腿，在中国地区的售价定为2 8 万元。今年3 月底日本人在广卅i 举行的演示会上也推出了他们研制的最新一代智能人工腿，在中国地区的售价定为 2 5 万元。这两款最新的智能人工腿性能确实相当优秀，从演示会上的表演效果看， 截肢者在各种步态下的行走都与正常人毫无差别”3 ，很难让人相信正在演示的是一 位下肢截肢者。这两款新型智能机电人工腿的优越性能令每位与会者惊讶和折服。 但其高昂的价格显然不是普通中国老百姓能够承受的( 相当于一辆高档轿车的售 价) 。 本项目将要研究和开发的正是二十世纪末世界最新水平的智能人工腿，瞄准的 是这一领域的国际自l 沿。尽管由于技术保密，我们暂时无法确知国外两款最新的智 能机电人工腿的具体设计原理，但根据最近几年我们对此领域研究前沿的跟踪，我 们有充分的理由和自信，在本项目中我们所提出的研究与设计理念的先进性完全可 以达到甚至将超过国外的最先进水平。 根据我们的测算，本项目研究成功后，如果能达到批量生产的规模，我们研制 的智能人工腿_ 。的单件成本可控制在2 3 万元人民币，甚至更低。考虑到目前 国内下肢截肢者总数达2 0 0 3 0 0 万，而且还在不断增加，面对这样大的一个市场需 求，与国外同类型产品相比，我们的售价( 例如定在4 j 万元) 将会处在一个非常 有利的竞争地位。只要能做出一流的产品并提供优良的售后服务，从国内销售这一 块来说就完全可以捷生产企业形成年产值达数亿乃至数十亿的生产规模。因此，本 项目一旦研制成功，将具有广阔的应用前景并可产生极好的经济效益。 第二章d s p 芯片的组成及特点 第二章d s p 芯片的组成及特点 在本章中，先对t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 进行全局的概述，在详细地介绍数字信号处 理器d s p 的特点，然后再具体介绍t m s 3 2 0 f 2 4 0 的内部结构组成和性能特点。 2 1 、d s p 概述 t m s 3 2 0 f 2 4 0 包含t m s 3 2 0 c 2 x x 内核c p u ，执行速度高达2 0 m i p s ”，几乎所有 的指令都可以在5 0 n s 的单周期内完成，如此高的性能对自适应控制、卡而曼滤波 等复杂的控制算法进行实时的运算。t _ s 3 2 0 f 2 4 0 的原码和目标码均兼容于c 2 x x 产 品线的其他成员，同时原码还向下兼容c 2 x 的产品线，向上兼容于c 5 x 的产品线。 同时t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有专门针对电机控制的“事件管理器模块”“，它们为： ( 1 ) 3 个通用定时器各带一个比较逻辑单元，共可输出3 路比较p 删脉冲； ( 2 ) 3 个全比较单元，共可输出3 对可编程死区控制的比较p w m 脉冲； ( 3 ) 3 个单比较单元，共可输出3 路比较p l i 】m 脉冲： ( 4 ) 4 个捕获引脚，用于高速i o 的自动管理：( 5