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康复训练机器人步态控制策略设计 步态控制策略是步态康复训练机器人研究的关键技术之一，因为运动功能的康复是通过控制策略得以实现的。由于该机器人是一个“人-机-环境”三者相结合的机械系统，在系统的控制中不仅要求准确实现预定的步态轨迹，还要充分考虑人的因素变化对系统带来的影响。所以应采用合适步态控制策略来不断调整、修正步态控制参数，提高患者和机器人之间的顺应性。 1.1 PWM控制和PCM控制 目前气动伺服控制系统按照控制元件来分可以分为气动比例伺服系统和气动开关伺服系统。气动开关伺服系统是以开关阀和换向阀为控制元件，配合以脉冲调制技术控制方式构成的气动伺服系统。高速开关电磁阀是一种理想的电——气控制转换组件，利用脉冲调制技术控制可以大大缓解由于死区和静摩擦所带来的固有缺点，消除了多种非线性因素的影响，因而抗污染能力强，工作可靠，结构简单。并且其价格低廉，稳定性好，控制接口很容易与计算机接口相连，从而实现气动开关伺服控制的效果。由于开关阀的成本低廉，构成的气动伺服系统优势明显，因此这方面的应用研究非常多。根据脉冲调制信号的不同形式，可以分为脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PWM）、脉频调制（PFM）、脉数调制（PNM）、脉码调制（PCM）和脉延调制（PDM）六种方式。目前研究和应用较多的是PWM和PCM两种方式。 脉宽调制（PWM）控制方式其原理是用固定周期为的脉冲信号驱动开关阀，如图1-1所示，通过调节占空比的大小（），即脉冲宽度（=1，2，3…，），即开关阀的导通时间，其实际上就改变了一个周期内阀的开口面积，使得开关阀在PWM信号控制时，其输出具有类似于比例阀的特性，从而实现对平均输出流量的控制。 PWM控制最初是美国的Stephen用在伺服阀组成的电液伺服系统。用PWM控制的伺服系统解决温漂和卡紧现象，提高了稳定性和抗介质污染能力，放宽了制造公差；并易于直接与计算机接口实现数字控制。与此同时，随着开关阀的迅速发展，Goldstein提出了用快速开关阀代替昂贵的伺服阀。最先将PWM开关伺服控制引入气动系统的是日本的则次俊朗教授，他成功地将PWM电－气开关伺服系统应用于气动机械手中，他获得的定位精度是±0.06mm。 图1-1 PWM控制原理 脉码调制（PCM）控制是把控制信号编为位二进制信号来控制个开关阀的开启和闭合。系统原理如图1-2所示，把各个带有可调节流阀的高速开关阀的有效开口面积分别调节成如下比例：，则这组高速开关阀的综合有效开口面积为组合的各个高速开关阀的有效开口面积之和。不同的二进制信号对应不同的综合有效开口截面积，当输入的二进制信号按一定的规律变化时，可以得到与二进制信号的变化成近似成正比的综合有效开口截面积，在开关阀的上下游压差一定的情况下，就相应地得到与二进制信号近似成正比的流量。脉码调制控制的优点是可用普通的开关阀代替脉宽调制中高速开关阀。其缺点是利用阀的这种组合方式下所输出的流量是有限级别，当组合内的阀数量一定时，系统的快速性与稳定性、控制精度与控制范围是矛盾的。同时PCM阀组合的最小有效开口截面积S0为系统开关死区，这对于高精度气动位置伺服系统的精度影响很大。 图1-2 PCM控制原理 为了提高系统的精度，降低系统成本，本实验采用了基于PWM方式控制的高速开关阀，来组成气压精密控制系统。 1.2 PWM控制方式 由于气缸的动作是通过气体的压力来传导的，压力的稳定性直接影响着气缸位移的稳定性，特别是对于常用的气缸有杆腔固定气压的被压控制来说。其次，课题采用的人工肌肉的伸缩全靠容腔内气体的压力来控制，压力的稳定性更为重要。因此，课题先以密闭容器的气压精密控制实验为例比较PWM控制方式，如图1-3是气压控制的实验系统简图。主要由0.4L的气罐，压力传感器（FESTO： SDE-10-10V/20mA）、高速开关阀和数据采集卡（阿尔泰：USB2009）等四部分构成。 图1-3 压力控制实验简图 利用PWM控制进排气的方式主要有以下两种： （1） 独立动作方式 常用的容器压力调节方法为控制两只高速开关阀V1和V2独立动作，即当实际气压值小于目标值时(e﹥0)，V1进气以使实际气压值增大到目标值，此过程中V2不动作。当实际气压值大于目标值时（e﹤0），V2排气以使实际气压值减小到目标值，此过程中V1不动作。 由于高速开关阀的物理特性使得其有最小开启时间的限制，系统输出流量存在一定的死区，这将影响系统调节精度的提高。为此，课题提出了采用微调方式实现微小流量调节的控制策略。 （2） 微调方式 微调方式的思路是控制两只高速开关阀V1和V2关联动作。下面分两种情况来讨论。 ①θ＝00。设控制V1和V2的两个PWM脉冲信号的相位差为θ，当θ＝00时，V1和V2同时动作，即当e﹥0进气时，V1和V2同时