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气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置预测控制

何凡  
【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。


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