I智能人工腿步速控制系统的研制

发布时间：2016-06-03 06:45

  本文关键词：CIP-I智能人工腿步速控制系统的研制，由笔耕文化传播整理发布。

《中南大学》 2007年

CIP-I智能人工腿步速控制系统的研制

赵洪涛  

【摘要】： 智能人工腿融合信息技术、计算机技术、人工智能技术、控制技术、传感器技术、机械设计与制造技术以及新材料技术于一体，是机器人学、生物医学工程和康复工程学领域中一个重要的研究课题。智能人工腿较传统假肢的优势在于它能够更加准确地模仿健康腿的功能，步态更加自然，同时也更能节省截肢者的体能。而且由于智能假肢对健康腿的模仿完全是自主完成的，不需要人的干预，因而截肢者的注意力可以完全从对假肢的关注中解脱出来，使步行成为一种下意识的行为。开展本课题的研究对于改善残疾人的生存条件和促进医疗福利事业的发展都有非常重要的意义。 本文介绍了CIP-I智能人工腿步速控制系统的设计。论文首先对CIP-I Leg运行原理进行说明，然后对步速控制系统的设计方案选择加以介绍，选择了步进电动机作为执行器，并以闭环的方式对系统进行控制。由于系统中存在着反向间隙、死区、摩擦、饱和等非线性因素，为了克服系统的非线性问题，采用了模糊滑模控制算法对系统进行控制，文中对受控对象进行建模并在计算机中对控制算法进行仿真。仿真结果表明，模糊控制算法的引入有效地克服了系统的抖动，取得了比较理想的控制效果。 随后论文从硬件设计和软件设计两个方面对系统的实现方法进行详细介绍。硬件电路主要包括电机驱动、电机转速测量、针杆位置检测、步速测量、通信接口、电源等几个模块。考虑到硬件安装空间以及电池容量的限制，在硬件电路设计中始终贯穿了精简电路结构和降低系统功耗的思想。软件设计包括主程序设计和中断服务程序设计，文中详细给出了各软件功能模块的设计方法。考虑到便于系统的维护和升级，使用了C语言对系统的软件进行开发。 基于本文所设计的智能人工腿步速控制系统具有成本低，功耗低，控制精度高，可靠性高，响应速度快，抗干扰能力强，运行稳定等特点，达到了预期的设计目的。

【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP242;TP273.5
【目录】：

摘要4-5

ABSTRACT5-9

第一章 绪论9-16

1.1 课题研究的背景9-14

1.1.1 国外人工腿的发展概况9-13

1.1.2 国内人工腿的研究状况13-14

1.2 课题研究的目的及意义14-15

1.3 课题来源及论文的主要研究方向和内容15-16

1.3.1 课题来源15

1.3.2 论文的主要研究内容与篇章结构安排15-16

第二章 CIP-I Leg 的结构及工作原理16-22

2.1 引言16

2.2 CIP-I Leg 介绍16-19

2.2.1 新型二级伸缩气缸17-19

2.2.2 CIP-I Leg 的步速调整原理19

2.3 针阀开度值的设置方法19-21

2.4 小结21-22

第三章 CIP-I Leg 控制系统的方案选择与总体结构设计22-33

3.1 引言22

3.2 步速测量方案的分析与选择22-25

3.2.1 基于健康腿的步态分析22-23

3.2.2 CIP-I Leg 步速测量方案23-25

3.3 位置伺服系统的方案选择25-31

3.3.1 执行电机的选择25-27

3.3.2 步进电动机驱动方案的制定27-31

3.3.3 开环控制与闭环控制31

3.4 CIP-I Leg 步速控制系统组成31-32

3.5 小结32-33

第四章 模糊滑模控制在 CIP-I Leg 控制中的应用33-48

4.1 引言33

4.2 模糊滑模控制原理33-39

4.2.1 系统中的非线性问题描述33-34

4.2.2 一般滑模控制器设计34-37

4.2.3 模糊滑模控制器设计37-39

4.3 模糊滑模控制在步速控制系统中的应用39-47

4.3.1 步进电动机的数学模型39-43

4.3.2 CIP-I Leg 步速控制系统仿真分析43-47

4.4 小结47-48

第五章 CIP-I Leg 控制系统硬件电路设计48-68

5.1 引言48-49

5.2 MSP430 单片机简介49-53

5.2.1 MSP430 单片机的特点49

5.2.2 MSP430F149 单片机的组成及内部结构49-53

5.3 系统硬件电路设计53-66

5.3.1 电源电路设计53-56

5.3.2 手动复位电路设计56-57

5.3.3 时钟电路设计57

5.3.4 步速测量电路设计57-59

5.3.5 步进电动机功率驱动电路设计59-61

5.3.6 步进电动机转速测量电路设计61-63

5.3.7 位置信号检测电路设计63

5.3.8 报警电路设计63-64

5.3.9 红外线收发电路设计64-65

5.3.10 RS232 接口电路设计65-66

5.4 小结66-68

第六章 CIP-I Leg 控制系统的软件设计与分析68-82

6.1 引言68

6.2 主程序设计与分析68-72

6.2.1 基础时钟配置69

6.2.2 外围模块的初始化69-72

6.2.3 变量的定义和初始化72

6.3 中断服务程序设计与分析72-81

6.3.1 WDT 定时器中断服务程序设计及分析72-75

6.3.2 Timer_A 的中断服务程序设计及分析75-76

6.3.3 P2 口的中断服务程序设计及分析76-77

6.3.4 串行通信模块 USART0 中断服务程序设计及分析77-81

6.4 小结81-82

第七章 系统软硬件调试82-88

7.1 引言82

7.2 硬件调试82-84

7.3 软件调试84-86

7.4 开发工具和实验装置86-87

7.5 小结87-88

第八章 总结与展望88-91

8.1 全文总结88-89

8.2 研究展望89-91

参考文献91-97

致谢97-98

攻读硕士学位期间发表的学术论文98

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【引证文献】

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