运动训练中人体踝关节安全角度优化控制系统

张超

摘 要： 为解决传统踝关节安全角度控制系统存在PWM控制单元稳定性较差、踝关节角度控制精确度较低等问题，设计了人体踝关节安全角度优化控制系统。通过判断踝关节在运动过程中生理特征的变化情况，完成人体踝关节安全角度的确定。通过电源模块设计、传感器模块设计、串口通信模块设计，完成新型优化控制系统的硬件部分设计。通过主程序设计、功能函数设计、PWM控制单元的加固设计，完成新型优化控制系统的软件部分设计。模拟系统运行环境，设计对比实验结果表明，优化后系统与传统系统相比，PWM控制单元的稳定性、踝关节角度控制精确度均得到大幅提升。

关键词： 运动训练; 人体踝关节; 安全角度; 优化控制; 生理特征; 串口通信; 功能函数

中图分类号： TN710?34; TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

傳统踝关节安全角度控制系统利用VICON MX技术模拟人体步态实验，并通过捕获实验中人体踝关节的周期性变化关系，确定关节安全角度的周期性变化规律。再利用最小二乘法将人体踝关节安全角度的变化曲线分解成多个区域指标，并对每一段曲线进行取样分析，根据具体分析结果得到建立控制系统的各项参数。这种方法虽然最大程度上保证了参数的真实性，但因计算步骤过于复杂，常导致踝关节角度控制精确度较低[1?2]。传统系统应用PID原理完成对PWM控制单元的搭建。这种方法虽然在一定程度上提升了系统的运行可行性，但单纯的PID原理不能为PWM控制单元提供较强的稳定性。为解决传统系统踝关节角度控制精确度较低、PWM控制单元稳定性较差等问题，本文设计人体踝关节安全角度优化控制系统。对比实验结果表明新型系统与传统系统相比具备更强的实用性价值。

1 运动训练中人体踝关节安全角度确定

1.1 人体踝关节生理特征

踝关节可以稳定支撑人体重量，是保证人体下肢灵活运动的关键组织。当人体处于高速运动状态时，姿势会发生迅速调整，由于人体踝关节具有内外翻、跖屈背屈、旋转等多项功能，才使得人体向地面下落时可进行一定的缓冲[3]。当人体保持运动状态时，人的下肢是主要负重环节，为保证整个运动阶段人体的负荷情况始终为零，踝关节的受力角度也不断发生改变。通常情况下，这种变化趋势如图1所示。

1.2 基于特征分析的踝关节安全角度确定

踝关节安全角度的确定为后续控制系统设计提供了基础数据变化范围。根据人体踝关节的生理特征可知，在运动训练过程中，当人体小腿与地面保持垂直状态时，可将踝关节的安全角度定义为零[4]。为简化踝关节安全角度的确定流程，可将其变化过程中产生的每个安全角度用图2表示。

根据图2可知，当人体处于运动训练状态时，[A1，A2]所处位置会发生改变，进而导致[∠A1B1C1，∠A2B2C2]大小发生改变，作为[∠A1B1C1，∠A2B2C2]的余角[∠α，∠β]的大小也随之改变，但其安全角度的变化范围始终保持在0°～180°。

2 基于安全角度信息的优化控制系统硬件设计

在运动训练中，人体踝关节安全角度确定后，可按如下步骤完成基于安全角度信息的控制系统硬件设计。

2.1 电源模块设计

运动训练中，人体踝关节安全角度优化控制系统的电源模块包括F2812工作电源、5 V驱动板电源两部分。在电源控制面板上，5 V驱动板电源为踝关节安全角度采集装置提供直接电力支持。踝关节安全角度采集装置采用低电流、低功耗的降压模板作为搭建基础，这种降压模板能承受的额定电流相对较小，而系统直接与220 V家用电源相连，过大的电流易造成系统原件损坏，而5 V驱动板电源可有效解决额定电流的转化[5]。F2812工作电源是优化控制系统的中心供电装置，系统中所有耗电原件均可与该装置直接相连。具体电源模块设计原理图如图3所示。

2.2 传感器模块设计

优化控制系统的传感器模块与电源模块直接相连，获得额定限度为220 V的家用电压。当人体踝关节的安全角度在运动训练过程中发生改变时，传感器模块中的共轴会发生转动，促使与电位计相连转动杆的安全角度发生改变，且其变化幅度与人体踝关节安全角度变化幅度相同[6]。传感器模块的本质相当于一个阻值无限大的滑动变阻器，当人体踝关节安全角度发生变化时，滑动变阻器触头位置随之改变，即接入电路的滑动变阻器的阻值发生变化，此时传感器模块两端的限定电压随着改变。利用电路中外界电压表可测量出传感器模块两端的真实电压值，再利用式（1）完成真实电压、人体踝关节安全角度变化幅度间的关系转化：

2.3 串口通信模块设计

优化控制系统的串口通信模块可直接获得在运动训练前、后传感器模块两端真实电压的变化情况，且该模块与中心系统PC端相连，可将具体数据输入数据库中做短暂储存。当运动训练前、后传感器模块两端真实电压产生的电平不匹配时，串口通信模块不能为人体踝关节安全角度数据建立通信连接[7?8]。为保证人体踝关节安全角度数据的正常传输，设置具有高稳定性的电平转换芯片，一方面平衡运动训练前、后传感器模块两端真实电压所产生电平;另一方面提升系统对变化角度的控制精准度。优化控制系统串口通信模块的优势如表1所示。

3 基于安全角度信息的优化控制系统软件设计

为保证优化控制系统的正常运行，还需按照如下步骤完成系统的软件模块搭建。

3.1 软件主程序设计

优化控制系统的软件主程序具备优化系统设置、恢复连动杆位置等功能。当优化控制系统进入工作状态时，人体开始运动训练，踝关节安全角度也随之发生变化。此时，电源模块开始向外供电，传感器模块在接收到电力资源后，促使转动杆位置发生移动[9?10]。串口通信模块在感受到转动杆安全角度的变化后，会自动为人体踝关节安全角度数据与中心系统PC端建立通信连接。当人体运动训练结束后，上述各环节会及时归位，但因模块与模块间连接电能的耗损，导致部分环节归位后位置与初始位置不一致，此时软件系统启动主程序，推动各环节回到初始位置，为系统后续运行做准备。具体软件主程序工作流程如图4所示。

3.2 功能函数设计

当优化控制系统软件主程序运行结束后，中心系统会对软件功能模块发出指令，申请调用部分功能函数。优化控制系统的功能函数的生成需利用运动训练前、后传感器模块两端的真实电压[11]。设运动训练前传感器模块两端的真实电压为[U0，]运动训练后传感器模块两端的真实电压为[U，]则优化控制系统的一般功能函数可表示为：

3.3 PWM控制單元的加固设计

PWM控制单元中配备调用优化控制系统一般功能函数的装置，且内嵌一台简易直流电机。传统控制系统的PWM控制单元采用EvaRegs.CMPRl数据寄存器，且处于该单元内所有人体踝关节安全角度数据都可以产生不固定的比特波形。为了全方位地统计每组数据的波形，EvaRegs.CMPRl数据寄存器必须经过反复校验才可得出最终结果，不仅工作流程十分复杂，也大幅度地降低了PWM控制单元的稳定性[12?13]。优化控制系统的PWM控制单元采用H桥转换机，统一人体踝关节安全角度数据的比特波形，从根本上缩减EvaRegs.CMPRl数据寄存器的工作流程，并在此基础上提升PWM控制单元的整体稳定性。详细的PWM控制单元的加固原理如图5所示。

4 实验结果与分析

上述过程完成了运动训练中人体踝关节安全角度优化控制系统的设计。为验证该系统的实用性价值，以2台配置相同的计算机作为实验对象，分别令其搭载传统系统和优化后系统，前者作为对照组，后者作为实验组，具体实验步骤如下。

4.1 实验参数设置

实验开始前，按照表2完成相关实验参数的设置。

4.2 PWM控制单元稳定性对比

完成实验参数设置后，令实验组、对照组计算机同时进入工作状态，并保持相同的工作时长，分别记录两组PWM控制单元的稳定性，具体实验结果如图6所示。

分析图6可知，随着系统运行时间的增加，对照组系统PWM控制单元的稳定性呈现逐渐下降的趋势，当系统运行时间为90 s时，PWM控制单元的稳定性达到最小值26.28%。随着系统运行时间的增加，实验组系统PWM控制单元的稳定性呈现逐渐上升的趋势，当系统运行时间为30 s时，PWM控制单元的稳定性达到最小值77.60%，远高于对照组。所以，可证明应用运动训练中人体踝关节安全角度优化控制系统能够将PWM控制单元的稳定性提升50%以上。

4.3 踝关节角度控制精确度对比

完成PWM控制单元稳定性的对比后，令2台计算机继续保持原有的工作状态，分别记录4 min时间内，两组系统对踝关节角度的控制精准度，具体实验结果如图7所示。

分析图7可知，随着系统运行时间的增加，对照组系统对踝关节角度的控制精准度基本呈现下降的趋势，达到额定时间4 min时，系统对踝关节角度的控制精准度为39.05%。随着系统运行时间的增加，实验组系统对踝关节角度的控制精准度呈现逐步上升的趋势，达到额定时间4 min时，系统对踝关节角度的控制精准度为95.94%，远高于对照组。所以，可证明应用运动训练中人体踝关节安全角度优化控制系统后， 踝关节角度控制精准度能够达到普通系统的2倍以上。

5 结 语

本文设计了人体踝关节安全角度优化控制系统，实验结果表明，运动训练中人体踝关节安全角度优化控制系统与普通系统相比，PWM控制单元稳定性更强，踝关节角度控制结果更精准，确实具备极强的应用价值。

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