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CIP-I智能人工腿步速控制系统的研制

作者：赵洪涛 Publish: 2007-10-16 Hits:-

【中文题名】

CIP-I智能人工腿步速控制系统的研制

【英文题名】

Development of Walking Speed Control System for CIP-I Intelligent Artificial Leg

【学科专业】

控制理论与控制工程

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-10-16

【中关键词】

智能人工腿,MSP430,混合式步进电机,闭环控制,模糊滑模控制,

【英关键词】

intelligent artificial leg,MSP430,hybrid stepping motor,closed-loop control,fuzzy sliding mode control,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>机器人技术>机器人>

【论文摘要】

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...

【论文题纲】

摘要	4-5
ABSTRACT	5-9
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

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.386016



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