運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)

張超

摘 要： 為解決傳統(tǒng)踝關節(jié)安全角度控制系統(tǒng)存在PWM控制單元穩(wěn)定性較差、踝關節(jié)角度控制精確度較低等問題，設計了人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)。通過判斷踝關節(jié)在運動過程中生理特征的變化情況，完成人體踝關節(jié)安全角度的確定。通過電源模塊設計、傳感器模塊設計、串口通信模塊設計，完成新型優(yōu)化控制系統(tǒng)的硬件部分設計。通過主程序設計、功能函數設計、PWM控制單元的加固設計，完成新型優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟件部分設計。模擬系統(tǒng)運行環(huán)境，設計對比實驗結果表明，優(yōu)化后系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，PWM控制單元的穩(wěn)定性、踝關節(jié)角度控制精確度均得到大幅提升。

關鍵詞： 運動訓練; 人體踝關節(jié); 安全角度; 優(yōu)化控制; 生理特征; 串口通信; 功能函數

中圖分類號： TN710?34; TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0100?05

Abstract： The traditional safety angle control system of ankle joint has the disadvantages of poor stability of PWM control unit and low control accuracy of ankle joint angle. Therefore， a safety angle optimal control system of the human ankle joint was designed. The variation condition of physiological characteristics during the movement of the ankle joint is judged to determine the safety angle of the human ankle joint. The design of the power module， sensor module and serial communication module is used to realize the design of the hardware of the new optimization control system. The design of the main program， performance function and PWM control unit reinforcement is used to realize the design of the software of the new optimization control system. The operating environment of the system is simulated. The contrast experiment results show that the stability of the PWM control unit and control accuracy of the ankle angle are greatly improved after system optimization.

Keywords： exercise training; ankle joint; safety angle; optimal control; physiological characteristic; serial communication; performance function

0 引 言

傳統(tǒng)踝關節(jié)安全角度控制系統(tǒng)利用VICON MX技術模擬人體步態(tài)實驗，并通過捕獲實驗中人體踝關節(jié)的周期性變化關系，確定關節(jié)安全角度的周期性變化規(guī)律。再利用最小二乘法將人體踝關節(jié)安全角度的變化曲線分解成多個區(qū)域指標，并對每一段曲線進行取樣分析，根據具體分析結果得到建立控制系統(tǒng)的各項參數。這種方法雖然最大程度上保證了參數的真實性，但因計算步驟過于復雜，常導致踝關節(jié)角度控制精確度較低[1?2]。傳統(tǒng)系統(tǒng)應用PID原理完成對PWM控制單元的搭建。這種方法雖然在一定程度上提升了系統(tǒng)的運行可行性，但單純的PID原理不能為PWM控制單元提供較強的穩(wěn)定性。為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)踝關節(jié)角度控制精確度較低、PWM控制單元穩(wěn)定性較差等問題，本文設計人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)。對比實驗結果表明新型系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具備更強的實用性價值。

1 運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度確定

1.1 人體踝關節(jié)生理特征

踝關節(jié)可以穩(wěn)定支撐人體重量，是保證人體下肢靈活運動的關鍵組織。當人體處于高速運動狀態(tài)時，姿勢會發(fā)生迅速調整，由于人體踝關節(jié)具有內外翻、跖屈背屈、旋轉等多項功能，才使得人體向地面下落時可進行一定的緩沖[3]。當人體保持運動狀態(tài)時，人的下肢是主要負重環(huán)節(jié)，為保證整個運動階段人體的負荷情況始終為零，踝關節(jié)的受力角度也不斷發(fā)生改變。通常情況下，這種變化趨勢如圖1所示。

1.2 基于特征分析的踝關節(jié)安全角度確定

踝關節(jié)安全角度的確定為后續(xù)控制系統(tǒng)設計提供了基礎數據變化范圍。根據人體踝關節(jié)的生理特征可知，在運動訓練過程中，當人體小腿與地面保持垂直狀態(tài)時，可將踝關節(jié)的安全角度定義為零[4]。為簡化踝關節(jié)安全角度的確定流程，可將其變化過程中產生的每個安全角度用圖2表示。

根據圖2可知，當人體處于運動訓練狀態(tài)時，[A1，A2]所處位置會發(fā)生改變，進而導致[∠A1B1C1，∠A2B2C2]大小發(fā)生改變，作為[∠A1B1C1，∠A2B2C2]的余角[∠α，∠β]的大小也隨之改變，但其安全角度的變化范圍始終保持在0°～180°。

2 基于安全角度信息的優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件設計

在運動訓練中，人體踝關節(jié)安全角度確定后，可按如下步驟完成基于安全角度信息的控制系統(tǒng)硬件設計。

2.1 電源模塊設計

運動訓練中，人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)的電源模塊包括F2812工作電源、5 V驅動板電源兩部分。在電源控制面板上，5 V驅動板電源為踝關節(jié)安全角度采集裝置提供直接電力支持。踝關節(jié)安全角度采集裝置采用低電流、低功耗的降壓模板作為搭建基礎，這種降壓模板能承受的額定電流相對較小，而系統(tǒng)直接與220 V家用電源相連，過大的電流易造成系統(tǒng)原件損壞，而5 V驅動板電源可有效解決額定電流的轉化[5]。F2812工作電源是優(yōu)化控制系統(tǒng)的中心供電裝置，系統(tǒng)中所有耗電原件均可與該裝置直接相連。具體電源模塊設計原理圖如圖3所示。

2.2 傳感器模塊設計

優(yōu)化控制系統(tǒng)的傳感器模塊與電源模塊直接相連，獲得額定限度為220 V的家用電壓。當人體踝關節(jié)的安全角度在運動訓練過程中發(fā)生改變時，傳感器模塊中的共軸會發(fā)生轉動，促使與電位計相連轉動桿的安全角度發(fā)生改變，且其變化幅度與人體踝關節(jié)安全角度變化幅度相同[6]。傳感器模塊的本質相當于一個阻值無限大的滑動變阻器，當人體踝關節(jié)安全角度發(fā)生變化時，滑動變阻器觸頭位置隨之改變，即接入電路的滑動變阻器的阻值發(fā)生變化，此時傳感器模塊兩端的限定電壓隨著改變。利用電路中外界電壓表可測量出傳感器模塊兩端的真實電壓值，再利用式（1）完成真實電壓、人體踝關節(jié)安全角度變化幅度間的關系轉化：

2.3 串口通信模塊設計

優(yōu)化控制系統(tǒng)的串口通信模塊可直接獲得在運動訓練前、后傳感器模塊兩端真實電壓的變化情況，且該模塊與中心系統(tǒng)PC端相連，可將具體數據輸入數據庫中做短暫儲存。當運動訓練前、后傳感器模塊兩端真實電壓產生的電平不匹配時，串口通信模塊不能為人體踝關節(jié)安全角度數據建立通信連接[7?8]。為保證人體踝關節(jié)安全角度數據的正常傳輸，設置具有高穩(wěn)定性的電平轉換芯片，一方面平衡運動訓練前、后傳感器模塊兩端真實電壓所產生電平;另一方面提升系統(tǒng)對變化角度的控制精準度。優(yōu)化控制系統(tǒng)串口通信模塊的優(yōu)勢如表1所示。

3 基于安全角度信息的優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件設計

為保證優(yōu)化控制系統(tǒng)的正常運行，還需按照如下步驟完成系統(tǒng)的軟件模塊搭建。

3.1 軟件主程序設計

優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟件主程序具備優(yōu)化系統(tǒng)設置、恢復連動桿位置等功能。當優(yōu)化控制系統(tǒng)進入工作狀態(tài)時，人體開始運動訓練，踝關節(jié)安全角度也隨之發(fā)生變化。此時，電源模塊開始向外供電，傳感器模塊在接收到電力資源后，促使轉動桿位置發(fā)生移動[9?10]。串口通信模塊在感受到轉動桿安全角度的變化后，會自動為人體踝關節(jié)安全角度數據與中心系統(tǒng)PC端建立通信連接。當人體運動訓練結束后，上述各環(huán)節(jié)會及時歸位，但因模塊與模塊間連接電能的耗損，導致部分環(huán)節(jié)歸位后位置與初始位置不一致，此時軟件系統(tǒng)啟動主程序，推動各環(huán)節(jié)回到初始位置，為系統(tǒng)后續(xù)運行做準備。具體軟件主程序工作流程如圖4所示。

3.2 功能函數設計

當優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件主程序運行結束后，中心系統(tǒng)會對軟件功能模塊發(fā)出指令，申請調用部分功能函數。優(yōu)化控制系統(tǒng)的功能函數的生成需利用運動訓練前、后傳感器模塊兩端的真實電壓[11]。設運動訓練前傳感器模塊兩端的真實電壓為[U0，]運動訓練后傳感器模塊兩端的真實電壓為[U，]則優(yōu)化控制系統(tǒng)的一般功能函數可表示為：

3.3 PWM控制單元的加固設計

PWM控制單元中配備調用優(yōu)化控制系統(tǒng)一般功能函數的裝置，且內嵌一臺簡易直流電機。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的PWM控制單元采用EvaRegs.CMPRl數據寄存器，且處于該單元內所有人體踝關節(jié)安全角度數據都可以產生不固定的比特波形。為了全方位地統(tǒng)計每組數據的波形，EvaRegs.CMPRl數據寄存器必須經過反復校驗才可得出最終結果，不僅工作流程十分復雜，也大幅度地降低了PWM控制單元的穩(wěn)定性[12?13]。優(yōu)化控制系統(tǒng)的PWM控制單元采用H橋轉換機，統(tǒng)一人體踝關節(jié)安全角度數據的比特波形，從根本上縮減EvaRegs.CMPRl數據寄存器的工作流程，并在此基礎上提升PWM控制單元的整體穩(wěn)定性。詳細的PWM控制單元的加固原理如圖5所示。

4 實驗結果與分析

上述過程完成了運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計。為驗證該系統(tǒng)的實用性價值，以2臺配置相同的計算機作為實驗對象，分別令其搭載傳統(tǒng)系統(tǒng)和優(yōu)化后系統(tǒng)，前者作為對照組，后者作為實驗組，具體實驗步驟如下。

4.1 實驗參數設置

實驗開始前，按照表2完成相關實驗參數的設置。

4.2 PWM控制單元穩(wěn)定性對比

完成實驗參數設置后，令實驗組、對照組計算機同時進入工作狀態(tài)，并保持相同的工作時長，分別記錄兩組PWM控制單元的穩(wěn)定性，具體實驗結果如圖6所示。

分析圖6可知，隨著系統(tǒng)運行時間的增加，對照組系統(tǒng)PWM控制單元的穩(wěn)定性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，當系統(tǒng)運行時間為90 s時，PWM控制單元的穩(wěn)定性達到最小值26.28%。隨著系統(tǒng)運行時間的增加，實驗組系統(tǒng)PWM控制單元的穩(wěn)定性呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當系統(tǒng)運行時間為30 s時，PWM控制單元的穩(wěn)定性達到最小值77.60%，遠高于對照組。所以，可證明應用運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠將PWM控制單元的穩(wěn)定性提升50%以上。

4.3 踝關節(jié)角度控制精確度對比

完成PWM控制單元穩(wěn)定性的對比后，令2臺計算機繼續(xù)保持原有的工作狀態(tài)，分別記錄4 min時間內，兩組系統(tǒng)對踝關節(jié)角度的控制精準度，具體實驗結果如圖7所示。

分析圖7可知，隨著系統(tǒng)運行時間的增加，對照組系統(tǒng)對踝關節(jié)角度的控制精準度基本呈現(xiàn)下降的趨勢，達到額定時間4 min時，系統(tǒng)對踝關節(jié)角度的控制精準度為39.05%。隨著系統(tǒng)運行時間的增加，實驗組系統(tǒng)對踝關節(jié)角度的控制精準度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，達到額定時間4 min時，系統(tǒng)對踝關節(jié)角度的控制精準度為95.94%，遠高于對照組。所以，可證明應用運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)后， 踝關節(jié)角度控制精準度能夠達到普通系統(tǒng)的2倍以上。

5 結 語

本文設計了人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)，實驗結果表明，運動訓練中人體踝關節(jié)安全角度優(yōu)化控制系統(tǒng)與普通系統(tǒng)相比，PWM控制單元穩(wěn)定性更強，踝關節(jié)角度控制結果更精準，確實具備極強的應用價值。

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