分析气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置隐式广义预测控制

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1、2011年9月机床与液压Sep．2011第39卷第17期MACHINETOOL&HYDRAULICSVo1．39No．17DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2011．17．007气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置隐式广义预测控制何凡，李笑，夏虹，关婷(1．广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2．广州军区广州总医院，广东广州510010)摘要：针对气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置存在时延、非线性和时变特性，设计基于参数模型的隐式广义预测控制器，并将其应用于髋关节康复训练装置的等速持续被动运动控制中。实验研究表明：

2、在负载干扰变化下，隐式广义预测控制器具有控制精度高、抗干扰能力强等特点，同时对系统模型参数的变化有较好的适应能力，对提高类似医疗器械的控制性能有借鉴意义。关键词：气动肌肉；隐式广义预测控制器；等速持续被动运动；髋关节．中图分类号：TP242．61文献标识码：A文章编号：1001—3881(2011)17—022—4ImplicitGeneralizedPredictiveControlofHip-jointRehabilitationTrainingDeviceDrivenbyPneumaticMuscleActuatorHEFan，LIXia

3、o，XIAHong，GUANTing(1．FacultyofElectromechanicalEngineering，GuangdongUniversityofTechnology，GuangzhouGuangdong510006，China；2．GuangzhouGeneralHospitalofGuangzhouMilitaryCommand，GuangzhouGuangdong510010，China)Abstract：Toslovetheproblemofthedelay，nonlinearandtime—variablecharact

4、eristicsofhip-jointrehabilitationtrainingdevicedrivenbypneumaticmuscleactuator，aimplicitgeneralizedpredictivecontrollerwasdesignedbasedo_nparametermode1．Itwasap—pliedtotheisokineticcontinuouspassivemotioncontrolofthehip-jointrehabilitationtrainingdevice．Theexperimentalresult

5、sprovethatthecontrollerhasthepropertyofhighcontrolaccuracy，anti—disturbancecapabilityandexcellentadaptiveabilitiesforthechangesofsystemmodelparameters．Thiscontrolmethodprovidesreferenceforimprovingthecontrolperformanceofsuchsystem．Keywords：Pneumaticmuscleactuator；Implicitgen

6、eralizepredictivecontroller；Isokineticcontinuouspassivemotion；Hip-joint髋关节康复训练装置是一种通过对患者髋关节进最小方差控制的基础上，在优化中引入了多步预测的行运动训练，实现其运动功能康复的自动化医疗设思想，抗负载干扰、时延变化等能力显著提高，有较备。传统的康复训练装置以电机或气缸作为驱动器，强的鲁棒性，适用于有纯时延的非最小相位系统；又驱动病人关节运动。虽然其控制性能良好、运行由于采用传统的参数模型，参数数目较少，易于在线精度高，但是缺乏安全性、柔顺性、轻巧性，容易造估计

7、参数，适用于不易建立精确数学模型的复杂控制成关节损伤。气动肌肉是一种新型的驱动器，其力／系统的控制。长度特性与生物肌肉非常相似，有较好的柔顺性，因作者针对气动肌肉驱动的髋关节康复训练控制系此采用气动肌肉驱动更加符合人体生理特点。由于统的特点，设计了基于参数模型的隐式广义预测控制受气动肌肉本身的强非线性、迟滞性、重复精度低及器，将其应用于髋关节康复训练装置的等速持续被动空气的可压缩性和气动管路冲放气特性的影响，气动运动(ContinuousPassiveMotion，CPM)控制中，提肌肉驱动的康复训练装置是一个典型的具有时延、非高了对等速运动设

8、定信号的跟踪能力。线性和时变特性的系统。用常规的PID控制算法，控1GPC算法制精度低，响应速度慢，往往不能取得令人满意的康预测控制作为一种新型的计算