智能假腿的cmac控制與實(shí)例仿真
喻洪流2，沈凌1，趙展1，徐兆紅113，錢(qián)省三2
1、上海理工大學(xué)生物力學(xué)與康復(fù)工程研究所，上海200093；2上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海200093;3上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，上海200240)
摘 要：針對(duì)智能假腿系統(tǒng)模型的非線(xiàn)性與參數(shù)的不確定性等系統(tǒng)特性，提出了一種基于小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器( cmac)的假腿實(shí)時(shí)智能控制方法。該方法首先根據(jù)一種自制的假肢膝關(guān)節(jié)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，建立了智能假腿擺動(dòng)相動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，以描述智能假腿膝關(guān)節(jié)阻尼器控制參數(shù)與擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的直接耦合關(guān)系。以此動(dòng)力學(xué)模型為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于pd-cmac的假腿系統(tǒng)智能控制器，并進(jìn)行了實(shí)例仿真。仿真結(jié)果表明，假腿膝關(guān)節(jié)可以很快（約在0.5 s時(shí)間內(nèi)）跟蹤好目標(biāo)曲線(xiàn)，具有良好的實(shí)時(shí)性與精度；此外，胯關(guān)節(jié)阻器針閥開(kāi)口位置與相應(yīng)的假腿膝關(guān)節(jié)的角速度變化具有明顯的負(fù)相關(guān)性；可以通過(guò)對(duì)假腿阻尼器針閥開(kāi)口位置的調(diào)節(jié)．達(dá)到假腿跟蹤健康腿擺動(dòng)步態(tài)的目的。
關(guān)鍵詞：智能假腿；動(dòng)力學(xué)模型；小腦模型控制器
中圖分類(lèi)號(hào)：tp 273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1引言
研究一種可以近似模擬人腿生物力學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵特性一膝關(guān)節(jié)的自適應(yīng)特性的智能假腿系統(tǒng)，對(duì)提高假肢的安全性與舒適性、改善截肢患者的生活質(zhì)量具有重要意義。在假腿的智能控制方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的假肢應(yīng)用還不多見(jiàn)。理論研究基本集中在一般模糊控制、普通bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家控制等智能控制方法，更復(fù)雜的復(fù)合智能控制方法還基本未實(shí)際應(yīng)用。
ipl系統(tǒng)模型的非線(xiàn)性、環(huán)境（路況）與不同假肢穿戴者參數(shù)的不確定性等特征，確定了應(yīng)該把假肢系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)研究，其不但需要在理論上進(jìn)行復(fù)雜非線(xiàn)性建模，而且需要引入更有效的智能技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制。本文將研究一種保證ipl步態(tài)時(shí)相對(duì)稱(chēng)性的生物動(dòng)力學(xué)模型的pd-cmac自適應(yīng)控制方法。
2 ipl的pd-cmac控制器設(shè)計(jì)
1) pd-cmac控制器設(shè)計(jì) 小腦模型控制器是一種自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)，因?qū)W習(xí)收斂速度快，精度較高，在實(shí)時(shí)工作時(shí)非常有用。本設(shè)計(jì)采用cmac療器械應(yīng)用安全等方面的教學(xué)與科研工作。
其特點(diǎn)如下：
①小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)控制器實(shí)現(xiàn)前饋控制，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的逆動(dòng)態(tài)模型。②常規(guī)控制器實(shí)現(xiàn)反饋控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且抑制擾動(dòng)。
2) pd-cmac的學(xué)習(xí)算法的學(xué)習(xí)算法[6]：
對(duì)于跟隨健康腿目標(biāo)信號(hào)控制的ipl系統(tǒng)，這里設(shè)計(jì)了基于pd控制器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cmac)監(jiān)督控制模型，如圖l所示。
本文cmac概念映射的方法為：輸入空間5在區(qū)間[s，s…]上分成(n+2c)個(gè)量化間隔，即：
取指令信號(hào)r(k)作為cmac的輸入。每一控制同期結(jié)束時(shí)，cmac輸出u與總控制輸出u(k)相比較，修正權(quán)重，進(jìn)入學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)習(xí)的目的是使總控制輸入與cmac的輸出之差最小，即使系統(tǒng)的總控制輸出主要由cmac控制器產(chǎn)生。
cmac的調(diào)整指標(biāo)為
當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)由常規(guī)控制器進(jìn)行控制。通過(guò)cmac的學(xué)習(xí)，使pid產(chǎn)生的輸出控制量逐漸為零，cmac產(chǎn)生的輸出控制量逐漸逼近控制器總輸出.
3假腿控制動(dòng)力學(xué)建模
為了研究上述控制方案的效果，需要建立ipl作為控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)上為了實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行逆向求解，以獲得髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的力矩。然而，據(jù)此計(jì)算出的關(guān)節(jié)力矩參數(shù)實(shí)際上無(wú)法用于實(shí)際的假腿控制需要。因此，本文以二剛體假腿運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，如圖2所示。
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