茍小平,張萬軍,張 峰,張景軒,張景怡,張景妍

（1.隴東學(xué)院體育學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅澤德電子技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741003；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，甘肅蘭州 730050）

1 問題的提出

如何提高學(xué)生參加長跑鍛煉的興趣，有效提高他們的耐力素質(zhì)，是體育工作者不斷探索的重要問題[1-4]。近年來，有學(xué)者茍小平、張萬軍[5-22]等的研究重點(diǎn)集中在體育產(chǎn)品研制及插補(bǔ)曲線的應(yīng)用上[23-29]。

本文提出了一種基于PID 控制的跑步機(jī)器人控制算法，基于關(guān)節(jié)角度誤差參數(shù)及運(yùn)行誤差的變化機(jī)器人。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立了模糊規(guī)則表，PID 參數(shù)自整定在線仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。

2 跑步機(jī)器人PID 控制算法設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)械腿的電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在傳遞過程中不可避免的誤差，機(jī)器人系統(tǒng)增加了編碼器，實(shí)時(shí)采集關(guān)節(jié)的角度信息，并反饋給控制器。通過控制器的計(jì)算，可以實(shí)時(shí)減小誤差引起的實(shí)際步態(tài)與理論步態(tài)的差異。模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 模糊規(guī)則表的建立

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到分別設(shè)置KP，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表[8]，見表1。

表1 KP，Ki 和Kd 模糊控制規(guī)則表

4 去模糊

根據(jù)e(k)和△e(k)的隸屬函數(shù)，當(dāng)輸入值為常數(shù)時(shí)，本研究需要找到一個(gè)最能代表模糊集的精確量。這里作者用重心法來表示這個(gè)精確值[9]：

在公式：Qi-模糊變量值，Ui—模糊變量值對應(yīng)的隸屬度。

每個(gè)PID 參數(shù)的精確值可從式（2）中獲得。

5 跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)介紹

跑步機(jī)器人控制算法測試的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為隴東學(xué)院體育學(xué)院，隴東學(xué)院體育學(xué)院室內(nèi)溫度為25～35℃。圖2 為跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)器。

圖2 跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)

6 結(jié)果與分析

使用MATLAB 軟件對跑步機(jī)器人控制算法進(jìn)行仿真，分別做出PID 控制、常規(guī)PID 控制等試驗(yàn)?zāi)M圖，如圖3 和圖4 所示。本試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證上述控制方法的分析誤差。

圖3 試驗(yàn)?zāi)M圖1

圖4 試驗(yàn)?zāi)M圖2

從圖3 可以看出：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。

從圖4 可以看出：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。