基于微分进化算法的智能人工腿控制器的研究与开发

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1、摘要智能人工腿是目前机器人学和生物医学工程学领域一个备受关注的研究热点，它与传统机械人工腿的区别之处在于其能够根据对外界环境信息的识别和处理，自动地协调假肢与健肢的步速和步态，使患者获得自然和谐的行走行为。体现这种智能性的一个关键因素是人工腿内部安装有智能控制器。这种控制器能够获取外界环境信息并进行分析处理，输出相应控制信息，使执行机构(汽缸或液压缸)能够改变自身的参数从而产生所需要的伸展力和阻尼，最后改变人工腿的步速和步态。论文研究一个能够实现人工腿智能化的控制器，使人工腿能够根据步行环境的变化自主选择合适的步速步态，使患者恢复较协调的行走行

2、为。该系统为一个高精度位置伺服控制系统，通过控制安装在汽缸中的针阀开度来调整步速。为使系统具有良好的动态性能和稳态性能，采用电流环、速度环和位置环三闭环控制结构，每个环都设计有相应的控制器完成校正调节任务，分别是PI控制器、PI控制器和一个在线参数自调整的模糊PD控制器。其中电流环和速度环是为了增强系统的快速性能和抗干扰性能，位置环是为了得到更高的控制精度。该系统选用一种新的进化算法一一微分进化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm)，对控制器的参数进行整定优化。文中详细介绍了微分进化算法，它是一种基于自然进化思想的

3、随机搜索算法，相比于其他类似搜索算法有其独特的优点和应用前景，本文利用它对PID控制器的参数进行优化整定，结果表明效果良好。同时在文中阐述了三闭环位置伺服控制系统的设计过程，给出了计算机的仿真结果。最后说明了控制器硬件电路的设计和开发，软件的设计和调试，控制系统实验结果表明，本文设计的智能人工腿控制器能够有效地提高控制系统的智能性、鲁棒性、快速性和准确性，可以完成汽缸钊‘阀开度的调节任务，能够使截肢者恢复协调的行走行为。关键词智能人工腿，PID控制器，微分进化算法，单片机ABSTRACTIntelligentartificialleghasbe

4、enallinterestingresearchprojectintherealmofroboticsandbioengineeringatpresent，thedifferentbetweenitandtraditionalmachineryartificiallegliesintheirowningtheabilitytocoordinatethespeedandgaitautomaticallyaccordingtotheinformationrecognizedfromtheexternaIenvironmental，andmaketh

5、epatientobtainthenaturallyharmoniouswalkingbehavior．Theintelligentcontrollerinstalledintheartificiallegisakeyfactorofaccomplishingthistask，whichcananalyseandprocesstheenvironmentalinformationobtainedfromtheexternalworld，outputthecorrespondingcontrolcommand，maketheservo(cylin

6、der)changeitsownparametersinordertoproducethethrustpoweranddampingneeded，andadjustthelegspeedandgaitoftheartificiallegfinally．Thethesisaimsatdesigningacontrollerwhichcanrealizeintelligentofartificialleg，makeintelligentartificiallegchoosesuitablelegspeedandgaitaccordingtOwalk

7、ingenviroruaentandmakethepatientresumerelativelyharmoniouswalkingbehavior．Thissystemisahigh-accuracypositionservocontrolsystem，thevarietyofthespeedoflegischangedbycontrollingtheneedlevalveinthecylinderto，andthethreeclosedloopcontrolsystemwithelectriccu“entloop，speedloopandpo

8、sitionloopisdesignedtogetgooddynamicperformanceandstablestateperformance，co