论文总字数：20389字

摘 要

社会人口结构呈现老年状态加上致残率的大幅上升使得康复机器人的需求日益增大，而气动肌肉(PMA)是康复机器人的主要组成部分，研究PMA的控制策略有助于实现对康复机器人的精确控制。

本文基于MATLAB软件，首先分析气动肌肉驱动器的运动特性，利用支持向量机（SVM）的回归预测功能，针对气动肌肉建立了当前收缩率与输入气压、充气速度和前一时刻收缩率之间的关系模型；然后通过分析传统PID算法的原理，实验采用数字增量式PID仿真，研究其在控制PMA时的特点，发现该算法具有明显的局限性；其次，介绍具有自适应能力的单神经元PID控制算法的原理和应用，并采用MATLAB对其仿真，绘制出控制曲线；最后，保持充气速度一定，利用单神经元自适应PID算法和传统PID算法分别对气动肌肉驱动器的位移进行控制，对两种情况的正弦和阶跃期望值的控制效果进行了比较。

通过仿真分析知本文采用的单神经元自适应PID控制算法比传统的PID控制算法稳定性更好、动态响应更快、控制精度更高，因此，研究所得结果对于控制气动肌肉具有重要的指导意义。

关键词：气动肌肉驱动器；单神经元；PID控制算法

Abstract

The aging social population structure and the large increase in disability rate have increased the demand for rehabilitation robots. Pneumatic muscle actuator (PMA) is the main component of rehabilitation robots, and the study on the control strategy of PMA is conducive to the accurate control of rehabilitation robots.

Based on MATLAB software, this paper first analyzes the motion characteristics of pneumatic muscle actuator, and based on the regression prediction function of support vector machine (SVM), the relationship model among the current systolic rate and the input air pressure, the inflation speed and the systolic rate at the previous moment was established for the pneumatic muscle. Then, the working principle of the analog PID algorithm is analyzed. Through digital incremental PID simulation, the characteristics of the algorithm in controlling PMA are studied. It is found that this algorithm has obvious limitations. Secondly, the paper introduces the principle and application of the algorithm about the single neuron PID control with adaptive ability, and uses MATLAB to simulate it and draw the control curve. Finally, the displacement of the pneumatic muscle actuator is controlled by the single-neuron adaptive PID algorithm and the traditional PID algorithm respectively with the inflation rate being kept constant. The control effects of sinusoidal and step expectation in the two cases are compared.

Through simulation analysis, it is known that the single-neuron adaptive PID control algorithm adopted in this paper has better stability, faster dynamic response and higher control accuracy than the traditional PID control algorithm. Therefore, the research results have important guiding significance for the control of pneumatic muscles.

Key Words：pneumatic muscle actuator；single neuron；PID control algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究的背景及意义 1

1.3 课题研究的发展及现状 2

1.3.1 气动人工肌肉控制的研究 2

1.3.2 智能化PID控制算法的研究 3

1.4 本文的主要工作 3

第2章 气动肌肉的特性及SVM模型 5

2.1 PMA的物理结构 5

2.2 单根气动肌肉的SVM建模 5

2.2.1 采用支持向量机的回归预测 5

2.2.2 单根气动肌肉的参数确定 7

2.2.3 单根气动肌肉的SVM模型 8

2.3 本章小结 9

第3章 PID控制算法研究 10

3.1 传统PID控制算法 10

3.1.1 传统PID算法基本原理 10

3.1.2 数字增量式PID控制算法 11

3.1.3 传统PID控制器局限性分析 11

3.2 单神经元自适应PID控制算法 12

3.2.1 单神经元PID算法基本原理 12

3.2.2 单神经元PID算法权值调整 13

3.2.3 单神经元PID控制器稳定性分析 14

3.3 本章小结 14

第4章 单根气动肌肉的控制器设计仿真 15

4.1 PMA的控制器设计实现 15

4.1.1 传统PID算法的PMA控制结构 15

4.1.2 单神经元自适应PID算法的PMA控制结构 16

4.2 两种算法仿真控制效果比较 16

4.2.1 阶跃信号系统响应 16

4.2.2 正弦信号跟踪 20

4.3 本章小结 23

第5章 总结与展望 24

5.1 研究课题总结 24

5.2 课题未来展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

二十一世纪的人类社会面临着种种复杂的问题，其中人口老龄化和致残率上升的问题尤其突出^[1]。一般医疗使用的康复训练器械在运动位置控制上的准确度和输出的精度都不能很好地满足患者需求，相比之下，气动人工肌肉无论是在控制精度还是安全性方面都表现出突出的优势，以气动肌肉驱动器为主的康复机器人的研究和应用有利于缓解医疗资源供需压力，给予老年人及残疾人更多的生活保障，所以逐渐得到学者们的青睐 ^[2][3]。随着科学技术的进步，军事、医疗、工农等领域对气动肌肉驱动器的控制精度达到了更高的要求标准。因此，利用智能化的方法控制气动肌肉驱动器是对康复机器人改进的关键，其控制的精度和时延会直接影响康复机器人动作的实施，故对气动肌肉进行精确控制具有十分重要的发展意义。

一般地，气动肌肉驱动器具有非线性和时变性的特点，这大大增加了控制系统的难度。由多年的研究经验可知，对气动肌肉控制算法的适当选择能够有效降低系统的复杂程度，自Mckibben 型气动肌肉问世以来，众多科研人员逐渐将算法智能化 ^[4]，在这个过程中，传统的PID控制算法表现出了巨大的优势，其包括简单的结构和更好的鲁棒性，在机械控制领域的重要性远大于其他控制算法。尽管如此，传统的PID控制算法也存在明显的缺点，该系统的调节时延过短会影响稳定性，而提高稳定性的同时会增大时延，而且，PID的各个参数不能适应环境的变化，具有不可调节性。因此，需要深入理解智能化控制算法的原理，改进传统的PID控制算法，以期望在提高控制精度的同时减少调节时延。

根据控制过程自动调节PID控制算法的各参数值，能够获得更加精确的控制效果而且可以提高系统的抗干扰能力^[5]。顾名思义，具有较强自适应能力的单神经元PID控制器学习性能优越，能够对气动肌肉进行准确、有效、可调节的控制，综上，对系统采用单神经元自适应PID控制算法的研究前景非常广泛。

1.2 课题研究的背景及意义

在上世纪中期的美国，Mckibben医生发明了第一代Mckibben型气动肌肉，它是一种具有新特性的气动驱动器，联系到生物肌肉的特性，前者工作的能量消耗低但输出作用力大而且具有价格低廉、安全性高等优点，所以在康复机器人领域常常采用PMA^[6]。

然而，气动人工肌肉的形变具有非线性和时变性。PMA主要结构包括橡胶管、纤维网和两端接头，其中橡胶管的外部就包裹着纤维网，纤维网和橡胶管之间存在摩擦，橡胶管充放气会周期性松弛，这种结构特点使得气动肌肉运动时具有严重的迟滞现象，导致预估输出与实际输出有较大差异，系统控制困难。所以，为了更准确和更加实用就需要为气动肌肉驱动器选择具有更加精确控制能力的控制算法。

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