基于DSP的智能控制器及在智能人工腿中的应用研究
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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。
智能人工腿的摆动靠空压气缸的伸缩来实现，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。以前研制的智能人工腿，在两个方面存在不足，一方面它的控制器控制气缸内针阀开度采用步进电机所构成的开环系统，位置精度不高；另一方面它的CPU多采用51系列的单片机，运行速度不能满足高级算法的需要。针对这两方面的不足，我们提出以下改进方案：
(1)．改步进电机为伺服直流电机，使它能在大范围内实现精密的位置控制。
(2)．设计了一个具有位置和电流反馈的闭环控制系统，并采用遗传算法对PID参数进行优化，同时引入模糊控制理论使PID参数可进行在线整定。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)．智能控制器的CPU采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F240PQ，它是专用电机控制芯片，集成度高，运行速度比51系列单片机快数十倍并具有强大的指令集，可实现高级算法的在线运算。
通过控制器硬件的设计、制作，软件的编写、调试以及实验，结果表明，本文所提出的智能人工腿智能控制器提高了控制系统的智能性、鲁棒性、快速性和准确性。
Intelligent artificial leg has been an interesting research project in the fields of robotics and biomedical engineering, its most excellent characteristics is that it can imitate the movement ways of human healthy legs and its walking speed can change naturally with the change of amputee's walking speed. The research on this project is of practical significance to improving the living situation and welfare benefits of amputees.
Intelligent artificial leg swing to rely on flexible realization of pneumatics cylinder. The motor of pneumatics cylinder tail can control the open degree of a needle in cylinder (flow control valve) .Through changing the open degree of valve, knee joint bend and extend damping is changed and get the speed we needed. Intelligent artificail legs developed before have shortages in twe aspects.On the one hand, its controller,which is used to control the open degree of needle of pneumatics cylinder in these legs, is an open-loop system composed of a stepping motor,and has low position precision. On the other hand, it's CPU much adopting is the singlechip machine of 51 serieses, which running speed can not satisfy the needs of advanced algorithm. Aim at the twe shortages,we make following improving scheme:
(l).Using servo DC to replace stepping motor, make it realize accurate location control in big scope.
(2).Have designed a closed-loop control system with location and current feedback and carry out optimization with GA for PID parameter, at the same time, lead into fuzzy control theory to make PID parameter to be decided on-line.The improvement of control strategy raises the respond
speed and accuracy of gait adjustment of intelligent artificial leg.
(3).The CPU of intelligent controller adopts the DSP chip TMS320F240PQ of TI company' production.The IC is designed for motor control and its integrated degree is high and its running speed is tens times of that of singlechip machine of 51 series and has powerful instructin set.It is easy to complete the on-line operation of advanced algorithm.
Pass through produce and the design of controller hardware, software compile, debug as well as test , the results indicate that the intelligent artificial leg'intelligent controller proposed here raises the intelligent behavior, robustness, response speed and accuracy of the control system.
智能人工腿的摆动靠空压气缸的伸缩来实现，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。以前研制的智能人工腿，在两个方面存在不足，一方面它的控制器控制气缸内针阀开度采用步进电机所构成的开环系统，位置精度不高；另一方面它的CPU多采用51系列的单片机，运行速度不能满足高级算法的需要。针对这两方面的不足，我们提出以下改进方案：
(1)．改步进电机为伺服直流电机，使它能在大范围内实现精密的位置控制。
(2)．设计了一个具有位置和电流反馈的闭环控制系统，并采用遗传算法对PID参数进行优化，同时引入模糊控制理论使PID参数可进行在线整定。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)．智能控制器的CPU采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F240PQ，它是专用电机控制芯片，集成度高，运行速度比51系列单片机快数十倍并具有强大的指令集，可实现高级算法的在线运算。
通过控制器硬件的设计、制作，软件的编写、调试以及实验，结果表明，本文所提出的智能人工腿智能控制器提高了控制系统的智能性、鲁棒性、快速性和准确性。
Intelligent artificial leg has been an interesting research project in the fields of robotics and biomedical engineering, its most excellent characteristics is that it can imitate the movement ways of human healthy legs and its walking speed can change naturally with the change of amputee's walking speed. The research on this project is of practical significance to improving the living situation and welfare benefits of amputees.
Intelligent artificial leg swing to rely on flexible realization of pneumatics cylinder. The motor of pneumatics cylinder tail can control the open degree of a needle in cylinder (flow control valve) .Through changing the open degree of valve, knee joint bend and extend damping is changed and get the speed we needed. Intelligent artificail legs developed before have shortages in twe aspects.On the one hand, its controller,which is used to control the open degree of needle of pneumatics cylinder in these legs, is an open-loop system composed of a stepping motor,and has low position precision. On the other hand, it's CPU much adopting is the singlechip machine of 51 serieses, which running speed can not satisfy the needs of advanced algorithm. Aim at the twe shortages,we make following improving scheme:
(l).Using servo DC to replace stepping motor, make it realize accurate location control in big scope.
(2).Have designed a closed-loop control system with location and current feedback and carry out optimization with GA for PID parameter, at the same time, lead into fuzzy control theory to make PID parameter to be decided on-line.The improvement of control strategy raises the respond
speed and accuracy of gait adjustment of intelligent artificial leg.
(3).The CPU of intelligent controller adopts the DSP chip TMS320F240PQ of TI company' production.The IC is designed for motor control and its integrated degree is high and its running speed is tens times of that of singlechip machine of 51 series and has powerful instructin set.It is easy to complete the on-line operation of advanced algorithm.
Pass through produce and the design of controller hardware, software compile, debug as well as test , the results indicate that the intelligent artificial leg'intelligent controller proposed here raises the intelligent behavior, robustness, response speed and accuracy of the control system.
引文
[1] R.S. Gailey et al. The effects of prosthesis mass on metabolic cost of ambulation in nonvascular trans-tibial amputees, Prosthetics and Orthotics International,21, 1997, pp.9～16
[2] 关川伸哉．最近义足膝继手动向—膝继手机能步行关系，日本义肢装具学会誌 Vol．13，No．1，1997，pp．52～57
[3] 别当有光．TG骨格，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．9～13
[4] 长村正纪．SL义足膝继手绍介，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．4～8
[4] 长村正纪．SL义足膝继手绍介，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．4～8
[5] 长仓裕二等．最近义足膝继手动向(2)—理学疗法士立场，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．3，1997，pp．192～199
[6] 月城庆一．多轴膝继手绍介，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．20～25
[7] 田泽泰弘．最近义足膝继手动向，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．26～33
[8] 中川昭夫．最近义足膝继手机能今后展望，日本义肢装具学会讠志，Vol．13，No．1，1997，pp．46～51
[9] K.Postema et al. Energy Storage and release of prosthetic feet, Part 1: biomechanical analysis related to user benefits, Prosthetics ad Orthotics International, 21, 1997, pp.17～27
[10] —Multiaxial Dynamic Response Foot, Journal of Prosthetics and Orthotics,Vol. 10, No. 1,1998, p.29A
[11] 中川昭夫，北山一郎，雨森邦夫．大腿义足，日本义肢装具学会誌，Vol．8，No．1，19．92，PP．15～19
[12] 高桥一史．义足最近动向，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1，1997，pp．34～42
[13] D.Datta, J.Howitt. Conventional versus microchip controlled pneumatic swing phase control
for trans-femoral amputees: User's verdict, Prosthetics and Orthotics International, 22, 1998, pp.129～135
[14] 玉义弘等．义足膝继手绍介，日本义肢装具学会誌，Vol．13，No．1， 1997, pp.14～19
[15] S.Kirker et al.An assessment of the intellignet knee prosthesis, Clinical Rehabilitation, 10, 1996, pp.267～273
[15] S.Kirker et al.An assessment of the intelligent knee prosthesis, Clinical Rehabilitation, pp.267-273, 1996
[16] J.B.Dingwell et al.Use of an instrumented treadmill for real-time gaitsymmetry evaluation and feedback in normal and trans-tibial amputee subjects,Prosthetics and Orthotics International, 20, 1996, pp. 101～110
[17] M.R.Pitkin.Synthesis of a cycloidal mechanism of the prosthetic ankle, Prosthetics and Orthotics International, 20, 1996, pp. 159～171
[18] S.Blumentritt. A new biomechanical method for determination of static prosthetic alignment, Prosthetics and Orthotics International, 21, 1997, pp. 107～113
[19] 锄园荣一，高桥功次．开发途上国骨格构造义足——中华人民共和国义肢给付实状骨格构造义足，日本义肢装具学会誌，Vol．8，No．2，1992，pp．159～164
[20] TMS320C2XX数字信号处理器用户指南，P&S武汉力源电子股份有限公司，1998
[21] TMS320C24X DSP控制器参考手册第一卷：CPU、系统和指令集，P&S武汉力源电子股份有限公司，1998
[22] TMS320C24X DSP控制器参考手册第二卷：外设模块，P&S武汉力源电子股份有限公司，1998
[23] TMS320C1X／C2X／C2XX／C5X汇编语言工具用户指南，P&S武汉力源电子股份有限公司，1998
[24] TMS320C240／F240数字信号处理器数据手册，P&S武汉力源电子股份有限公司，1998
[25] 汤良恕著．生物医学工程解剖学基础，华中理工大学出版社，1992
[26] 谭冠政，吴立明著．国内外人工腿(假肢)研究的进展及发展趋势[J]，机器人，2001，23(1)：pp．91-96
[27] (日)舟久保，熙康著，千东范译，左铁镛校．形状记忆合金，机械工业出版社，1992
[28] 李铁才等编著．电机控制技术，机械工业出版社，2000
[29] 秦继荣等著．现代直流伺服控制技术及其系统设计，机械工业出版社，1999
[30] 吴守箴等编著．电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社，1995
[31] 张国雄等编著．测控电路，机械工业出版社，2001
[32] 陈伯时著．电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1991
[33] 王鸿歌等著．自动控制原理，中南工业大学出版社，1995
[34] 周明，孙树栋．遗传算法原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，1999．
[35] 诸静．模糊控制原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[36] 李士勇．模糊控制·神经控制和智能控制论[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996．
[37] 张卫宁编著．TMS320C2000系列DSPs原理及应用，国防工业出版社，2002
[38] 王念旭等编著．DSP基础与应用系统设计，北京航空航天大学出版社，2001
[39] 张雄伟等著．DSP芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，2000
[40] 李仁定著．电机的微机控制，机械工业出版社，1999
[41] 李朝青著．单片机原理及接口技术，北京航空航天大学出版社，1991
[42] 陈国良，王煦法等著．控制算法及其应用，人民邮电出版社，1996
[43] 陶永华等编著．新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1995
[44] 孙涵芳等著．单片微型计算机，北京航空航天大学出版社，1989
[45] 谭浩强著．C程序设计，高等教育出版社，1992
[46] 刘豹著．现代控制理论，机械工业出版社，1992
[47] 濮良贵等著．机械设计，高等教育出版社，1995
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