![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
基于线性二次型调节器与比例积分微分控制的步态轨迹跟踪研究与优化.pdf
《基于线性二次型调节器与比例积分微分控制的步态轨迹跟踪研究与优化.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于线性二次型调节器与比例积分微分控制的步态轨迹跟踪研究与优化.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4577-4587 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125417 文章引用文章引用:汪航,邹任玲,王佳庆,张书扬,关晨露,胡秀枋,李丹,尹学志.基于线性二次型调节器与比例积分微分控制的步态轨迹跟踪研究与优化J.建模与仿真,2023,12(5):4577-4587.DOI:10.12677/mos.2023.125417 基
2、于线性二次型调节器与比例积分微分控制的基于线性二次型调节器与比例积分微分控制的步态轨迹跟踪研究与优化步态轨迹跟踪研究与优化 汪汪 航航1,邹任玲,邹任玲1*,王佳庆,王佳庆1,张书扬,张书扬1,关晨露,关晨露1,胡秀枋,胡秀枋1,李,李 丹丹1,尹学志,尹学志2 1上海理工大学健康科学与工程学院,上海 2上海贝瑞电子科技有限公司,上海 收稿日期:2023年8月7日;录用日期:2023年9月8日;发布日期:2023年9月14日 摘摘 要要 老龄化或疾病导致下肢功能障碍的患者逐渐增多,传统的康复方式存在一定局限性,因此下肢康复机器老龄化或疾病导致下肢功能障碍的患者逐渐增多,传统的康复方式存在一定局
3、限性,因此下肢康复机器人成为当前康复技术主流领域。为了在下肢康复设备轨迹追踪性能良好的同时保证患者使用时的安全性,人成为当前康复技术主流领域。为了在下肢康复设备轨迹追踪性能良好的同时保证患者使用时的安全性,本文设计了一种将线性二次型调节器本文设计了一种将线性二次型调节器(LQR)与比例积分微分与比例积分微分(PID)控制相结合的控制算法。首先利用运动控制相结合的控制算法。首先利用运动捕捉设备采集正常步态轨迹,然后在已搭建的足底驱动式踏板步态训练设备中,对步进伺服控制系统采捕捉设备采集正常步态轨迹,然后在已搭建的足底驱动式踏板步态训练设备中,对步进伺服控制系统采用位置环用位置环速度环速度环电流环
4、三闭环的电流环三闭环的PID控制。求得系统数学模型后,使用控制。求得系统数学模型后,使用LQR算法优化算法优化PID控制器各环控制器各环反馈系数,然后将控制器部署至装置中,并进行了实验验证。实验验证了控制器的可行性与有效性,提反馈系数,然后将控制器部署至装置中,并进行了实验验证。实验验证了控制器的可行性与有效性,提升了康复设备追踪步态轨迹的性能。升了康复设备追踪步态轨迹的性能。关键词关键词 下肢康复,比例积分微分控制器,线性二次型调节器,三闭环控制,步态轨迹下肢康复,比例积分微分控制器,线性二次型调节器,三闭环控制,步态轨迹 Research and Optimization of Gait
5、Trajectory Tracking Based on Linear Quadratic Regulator and Proportional-Integral-Derivative Control Hang Wang1,Renling Zou1*,Jiaqing Wang1,Shuyang Zhang1,Chenlu Guan1,Xiufang Hu1,Dan Li1,Xuezhi Yin2 1College of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shangha
6、i 2Shanghai Berry Electronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai *通讯作者。汪航 等 DOI:10.12677/mos.2023.125417 4578 建模与仿真 Received:Aug.7th,2023;accepted:Sep.8th,2023;published:Sep.14th,2023 Abstract The number of patients with lower limb dysfunction caused by aging or disease is gradually in-creasing.Traditional
7、 rehabilitation methods have limitations.Therefore,lower limb rehabilita-tion robots have become the mainstream field of current rehabilitation technology.In order to ensure the safety of patients while ensuring the good trajectory tracking performance of lower limb rehabilitation equipment,a contro
8、l algorithm combining linear-quadratic-regulator(LQR)and proportional-integral-differential(PID)control is designed in this paper.Firstly,the normal gait trajectory is collected by using the motion capture device.Then,in the established foot-driven pedal gait training equipment,the step servo contro
9、l system adopts the three closed-loop PID controls of position loop,speed loop and current loop.After obtaining the mathematical model of the system,the LQR algorithm is used to optimize the feedback coefficients of each loop of the PID controller,and then the controller is deployed to the device,an
10、d the experimental verification is carried out.The experiment verifies the feasibility and effectiveness of the controller and im-proves the performance of the rehabilitation equipment to track the gait trajectory.Keywords Lower Limbs Rehabilitation,Proportional-Integral-Derivative Controller,Linear
11、 Quadratic Regulator,Three Closed-Loop Control,Gait Trail Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 根据第七次全国人口普查结果表明,我国 60 岁以上的老年人占比 18.7%,我国发展进入了老龄化
12、社会1。因老龄化等原因造成下肢运动功能障碍的人数逐年增多,对患者的日常出行、生活和工作能力产生巨大的影响。临床证明,除了早期的手术和药物治疗以外,使用器械辅助进行运动康复训练皆有助于患者康复2 3。下肢康复机器人是能够有效地改善和恢复患者的下肢运动能力的一种康复器械4。目前下肢康复器械的驱动方式主要分为足底驱动式与下肢外骨骼式。外骨骼式下肢机器人能有效地训练患者下肢,但其结构会使关节运动受限;足底驱动式康复设备采用踏板带动患者足部进行训练,关节受限小。在下肢康复训练中,康复设备能否精准地按照设定的轨迹和速度运行,直接影响康复的效果和安全性5。目前下肢康复机器人电机运动控制有比例积分微分(pro
13、portional-integral derivative,PID)算法、模糊算法、神经网络控制算法、线性二次型调节(linear quadratic regulator,LQR)算法、自适应控制算法、滑模控制算法和模型预测控制(model predictive control,MPC)算法等,按不同的控制量可分为力矩控制、位置控制和速度控制6-11。在一些开环系统中,由于电机在运行过程中会产生振荡以及系统结构引起的位置和速度误差等问题,电机控制系统大多采用速度环和位置环双环或是加入电流环形成三闭环的 PID 控制方式12 13。而各环之间相互影响导致参数的调整存在难度。LQR 算法可对控制信
14、号进行约束,能保证跟踪性能和控制量皆为最优,同时 LQR 格式相对固定,只需得到系统数学模型就能得到较好参数,降低了调参的难度。因此本文拟对足底驱动式下肢康复训练设备中的踏板步态训练装置进行研究,利用Open AccessOpen Access汪航 等 DOI:10.12677/mos.2023.125417 4579 建模与仿真 PID 算法对各电机进行闭环控制,并在所设计的三环 PID 控制步进伺服驱动系统的基础上,加入 LQR 算法,优化设备步态轨迹的跟踪性能,实现步态轨迹精准的下肢运动康复训练。2.步态轨迹规划策略步态轨迹规划策略 2.1.步态轨迹规划步态轨迹规划 行走作为人类日常基本
15、活动之一,涉及到肌肉、神经和骨骼等多种因素,而下肢功能障碍患者往往因肌肉或是神经受损,行走过程失去协调,无法以正常步态行走,因此需要外力辅助或者通过康复设备训练恢复实现完整步态周期行走14。步态周期是指行走时同侧足跟第一次着地到第二次着地的过程,以秒为单位。人体完整的步态周期可分为支撑相与摆动相,可分为八个时相,其中单侧下肢步态周期的各分期状态如图 1 所示15。八个步态时相形成一个完整步态周期,一个周期内的连续运动构成运动轨迹。本文采用 Polhemus Liberty 电磁位置跟踪系统,该系统由传感器接收磁场发射源传出的信号,可以追踪物体的空间运动轨迹。将传感器安装在受试者踝关节处,在平坦
16、地面进行一个步态周期的平地行走,采集踝关节轨迹坐标数据。再参考德国柏林技术大学踏板式步态训练器 Haptic 模拟平地走路的运动跟踪轨迹模型16,在数据分析软件 MATLAB(R2021a,MathWorks Inc.,USA)中绘制符合该模型的单个周期步态踝关节的轨迹并输出为 XY 坐标点,如图 1 所示。Figure 1.Plan of gait trajectory 图图 1.步态轨迹规划 2.2.步态训练装置设计步态训练装置设计 传统的悬挂式机器人以悬挂绳减少患者下肢承重,保证患者训练的安全性。末端驱动踏板式的悬挂机器人相比跑步机式机器人单一的训练轨迹,能以踏板带动患者足底进行平地行走
17、和上下楼梯等不同轨迹的康复训练。但由于减重装置的安装位置,长时间的训练会增加患者上半身的负担造成疲劳,且悬挂式机器人体积较大,训练场所有所限制。而外骨骼式机器人则因其轻便性以及灵活性,能够适应不同的场景,对患者进行不同步态轨迹的训练,成为了现有下肢康复机器人的主要研究领域。但外骨骼式机器人对于控制性能上要求较高,导致成本升高,且对各关节约束较大,患者一般无法独立使用,需要看护汪航 等 DOI:10.12677/mos.2023.125417 4580 建模与仿真 人员陪同。现有的悬挂式机器人融合外骨骼式机器人以及虚拟现实技术17 18 19,在降低设备体积的同时,增加了训练模式,但同时会使得成
18、本上升,无法普及。本文设计的下肢康复系统在移动平台的基础上,结合减重模块和末端踏板机构。减重系统采用悬吊减重和支撑减重,能保证患者的安全和减少下肢负载,减小了设备体积。末端踏板机构以足底驱动的方式带动患者下肢完成训练,对患者关节的约束较小,穿戴方便。装置能以不同轨迹运行,丰富训练模式。移动平台采用四轮结构,由后轮差速驱动,控制前进与转向,能够满足不同训练场景的需求。踏板步态训练装置如图 2 所示,图中部件 1 为与丝杆连接的丝杆电机,其与部件 5 滑块连接,带动踏板水平移动,部件 2 为与部件 4 齿条相啮合的齿轮电机,齿条与滑块相连带动踏板垂直方向上的位移,部件 3 中踝关节电机带动踏板旋转
19、,三个电机控制患者下肢完成连续步态轨迹的训练;设计采用的驱动电机均为二相步进电机,步进电机因其成本低、定位精度高以及无累计误差等优点被广泛应用在数字控制系统中20。其接收脉冲输入信号并转化为轴转动,由脉冲个数和频率控制转动角度和转动速度,在转速和负载较高的系统中,会产生丢步和越步现象,通常结合闭环控制技术减少此现象21。Figure 2.Lower limbs training device 图图 2.下肢康复训练装置 3.步态轨迹控制器设计步态轨迹控制器设计 为提高系统运行的精度,减少步态训练装置运行过程中产生的误差,使用闭环反馈控制方式,采用编码器作为反馈单元,结合控制算法设计系统控制器。
20、如图 3 所示,步进伺服驱动系统是数字步进驱动器技术结合伺服控制技术,采用电流环、速度环和位置环三环控制方法,满足装置低噪音运行、响应速度快和高负载平稳运行的要求,使得系统的控制更加稳定、更加精确。Figure 3.Lower limbs training device 图图 3.步进伺服驱动系统 旋转坐标系下的二相步进电机电压方程如式(1)所示,将定子电流对磁链的影响、磁滞和涡流效应以及二相绕组之间的互感等影响忽略,只考虑气隙磁导的平均分量和基波分量,可将电压方程简化为如式 汪航 等 DOI:10.12677/mos.2023.125417 4581 建模与仿真 (2)所示22。()()()
21、()01110111ddcos2sin22sin2cos2sinddddcos2sin22sin2cos2cosddABAAABerBABBABeriiURiLLLL iikttiiURiLLLL iiktt=+=+(1)dsinddcosdAAAerBBBeriURiLktiURiLkt=+=+(2)其中AU、BU和Ai、Bi分别为 A、B 两相定子绕组端电压和电流,R为定子绕组内阻,0L、1L为定子绕组自感平均分量和基波分量,为转子实时位置,ek为步进电机反电动势系数,r为转子实际速度。步进电机机械运动方程如式(3)所示23:()dcossindrerLeBATJBTkiit=+=(3)式
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 线性 二次 调节器 比例 积分 微分 控制 步态 轨迹 跟踪 研究 优化
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。