第四章 运动控制及步态 第三节 行走运动控制
《运动控制系统》课件
闭环控制系统包含反馈回路，通过负反馈来自动调节系统的输出量，使其达到预定的目标值。
闭环控制系统的优点是精度高，抗干扰能力强，能够自动修正误差，适用于对精度要求较高的复杂系统。
闭环控制系统的缺点是结构复杂，设计难度较大，需要具备一定的稳定性分析和调整能力。
03
反馈控制原理的实现需要具备一定的传感器和控制器技术，以及对系统的数学建模和仿真分析能力。
01
反馈控制原理是通过比较系统的输入与输出信号，将输出信号的差值用于控制执行机构，以实现系统的自动调节。
02
反馈控制原理广泛应用于各种运动控制系统，能够提高系统的稳定性和精度。
04
运动控制系统的应用
运动控制系统能够精确控制机器人的动作和位置，实现自动化生产线的连续作业，提高生产效率和产品质量。
控制器的种类繁多，根据应用需求可以选择不同的控制器，如单片机、PLC、运动控制卡等。
执行器是运动控制系统的输出部分，负责将驱动器的电压或电流信号转换为机械运动。
执行器的种类也很多，常见的有步进电机、伺服电机、直线电机等。
执行器的选择要根据实际应用需求来决定，如需要高精度定位、快速响应等。
传感器的种类也很多，常见的有光电编码器、旋转变压器、霍尔元件等。
自动化决策
智能化运动控制系统将具备自适应学习能力，能够根据不同环境和工况自动调整控制策略，以适应各种复杂和动态的运动需求。
自适应控制
远程监控与控制
通过网络技术，实现对运动控制系统的远程监控和控制，方便对设备进行远程调试、故障诊断和远程维护。
数据共享与协同工作
通过网络化实现多设备之间的数据共享和协同工作，提高生产效率和设备利用率。
四足运动控制课程设计
四足运动控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解四足动物的运动原理，掌握四足机器人的基本结构及其功能。
2. 学生能够描述四足运动控制的基本算法，并了解其在实际应用中的优势。
3. 学生能够解释步态生成与调节的基本方法，并分析不同步态对运动性能的影响。
技能目标：1. 学生能够设计并搭建简单的四足机器人模型，进行基本的运动控制实验。
2. 学生通过编程实践，掌握四足运动控制的基本技巧，实现对四足机器人的速度、方向和步态的有效控制。
3. 学生能够运用所学知识，针对特定场景提出四足机器人的优化方案，解决实际问题。
情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对机器人科技的兴趣和好奇心，激发创新意识。
2. 学生在团队协作中学会沟通与交流，培养合作精神和集体荣誉感。
3. 学生能够认识到四足运动控制在灾害救援、环境监测等领域的应用价值，增强社会责任感。
课程性质：本课程为实践性较强的综合课程，结合了机械、电子、计算机等多学科知识。
学生特点：六年级学生具备一定的逻辑思维能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇心。
教学要求：注重理论与实践相结合，关注学生个体差异，提高学生的动手实践能力和创新能力。
通过课程目标的分解与实现，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面得到全面提升。
二、教学内容1. 四足动物运动原理：介绍四足动物的运动特点、步态分类及运动学参数。
- 教材章节：第二章“四足动物运动学基础”2. 四足机器人结构与功能：讲解四足机器人的基本结构、驱动方式和传感器应用。
- 教材章节：第三章“四足机器人结构与设计”3. 四足运动控制算法：学习四足运动控制的基本算法，如PID控制、模糊控制等。
- 教材章节：第四章“四足运动控制算法与应用”4. 步态生成与调节：分析四足机器人步态生成与调节的方法，以及不同步态对运动性能的影响。
- 教材章节：第五章“步态生成与优化”5. 编程实践：利用Arduino、Python等编程语言，实现四足机器人的运动控制。
运动控制
运动控制运动控制：定义为调节或者管理动作根本机制的能力。
根据Horak的运动控制理论：“正常控制是指中枢神经系统运用现有及以往的信息将神经能转化为动能并使之完成有效的的功能活动。
运动控制只要以下三种方式：1.反射性运动：反射性运动形式固定，反应迅速不受控制。
主要在脊柱水平控制完成。
2.模式化运动：模式化运动有固定的运动形式，有节奏和连续性的运动，受意识控制。
主观意识只要控制运动的开始与结束，运动是由中枢模式调控器调控。
3.意向性运动：意向性运动是指整个运动过程都受主观意识控制，是有目的的控制，需通过运动学习来掌握，随着不断进行运动而趋于灵活，并获得运动技巧。
一、脊髓神经元的活动脊髓是完成躯体运动最基本的反射中枢。
来自四肢和躯干的各种感觉冲动经脊髓上行纤维束传达到高位中枢，进行高级综合分析，同时高位中枢的活动通过脊髓的下行纤维束，支配脊髓神经元的活动。
二、脊髓姿势反射(一)牵张反射有神经支配的骨骼肌，如受到外力牵拉使其伸长时，能产生反射效应，引起受牵拉的肌收缩，称为牵张反射.1.牵张反射的类型(1)腱反射(位相性牵张反射)指快速牵拉肌腱时发生的牵张反射。
特点：腱反射是单突触射。
意义：腱反射的减弱或消失，常提示反射弧的传入、传出通路或脊髓反射中枢的损害或中断；腱反射的亢进，则常提示高位中枢的病变。
(2)肌紧张(紧张性牵张反射)概念：指缓慢而持续地牵拉肌腱时所引起的牵张反射。
特点：肌紧张属于多突触反射。
意义：对抗肌肉的牵拉以维持身体的姿势，是一切躯体运动的基础。
如果破坏肌紧张的反射弧，可出现肌张力的减弱或消失，表现为肌肉松弛，因而无法维持身体的正常姿势。
3．腱器官反射当肌受到牵拉时，首先兴奋肌梭的感受装置发动牵张反射，引起受牵拉的肌收缩以对抗牵拉，当牵拉力量进一步加大时，则可兴奋腱器官使牵张反射受抑制，以避免被牵拉的肌受到损伤。
(二)屈肌反射与对侧伸反射1.屈肌反射概念：在脊动物的皮肤接受伤害性刺激时，受刺激一侧的肢体出现屈曲反应，关节的屈肌收缩而伸肌驰缓，称为屈肌反射意义：使肢体离开伤害性刺激，具有保护性意义。
姿势、步态及行走
• 其他：
维持立位姿势机制：
1. 正常的脊柱生理弯曲：颈椎，腰 椎前凸，胸椎，骶椎后凸
2. 抗重力肌的活动及平衡被破坏时 将重心移动还原的机制
3. 胸腹腔内压从前方支撑体重
4. 平衡的保持：牵张反射，交互伸 张反射，紧张性迷路反射，紧张 性颈反射等各种反射的调节作用
患侧在上,患侧下肢伸展的诱发, 健侧下肢屈曲时加抵抗
立位诱发步行范型
1正常的步行有骨盆的活动: 上下, 左右. 水平回旋,侧方回旋. 前倾,后倾.
2开始缓慢诱导,4—5步后, 以正常速度进行 3根据患者的状况可使用拐 和支具 4立位不稳定时可在平衡杠 内练习,逐步过渡到杠外
偏瘫步行前的准备训练
1慢的踏步
Hale Waihona Puke 从正面观察：• 垂线通过的标定点： 枕骨粗隆
脊柱棘突
臀裂
双膝关节中心线
双踝关节内侧中心
从后方观察 ：
头 肩 肩胛骨
髋 胸椎、腰 椎 臀沟 下肢 踝 脚
倾斜、旋转，朝向哪一侧 双肩水平相等？哪侧高 肩内侧缘平行？下角水平相等，有 无“翼状肩” 双髋水平？髂后上嵴在同一平面 棘突竖直？有无侧弯
皱纹相等 竖直？有无内翻膝、外翻膝 跟腱竖直 平行？脚趾稍外展
• 训练要点： 双侧全足着地 保持对线关系 膝关节稍屈曲
• 注意事项 防止疲劳 防止膝反张
重心的左右移动训练
• 可在平衡杠内练习，在治疗师的介助下， 向支撑侧移动。 非支撑侧抬腿，治疗师选择适度的移动量
• 注意要点： 移动量不要过大，不是肌肉的控制 防止头部和躯干侧屈 运动开始部位是骨盆，标志点是大转子
步幅的大小 头的位置 上肢摆动 肩的位置 骨盆的位置（有无回旋） 髋关节 膝关节（反张） 踝关节
第四章 运动控制与步态 第三节 姿势控制
内容
第一节 与运动相关的神经系统结构与反射 第二节 运动控制的调节 第三节 运动控制
第三节 运动控制
学习内容
姿势控制
一
二
三
上肢控制
行走运动控制
姿势控制
定义 姿势控制系统
姿势控制异常
定义
姿势控制（postural control） 是指控制身体在空间的
位置以达到稳定性和和方向性的双重目的。
年龄、发病前的状态和代偿程度对姿势行为有
着深远的影响。
临床常见的疾病如脑中风、脑外伤、儿童脑瘫
等。
姿势方向性：保持身体节段间和身体与任务环境间适
当关系的能力。 借助前庭系统、体感系统和视觉系统。
姿势稳定性：也被称作平衡，是控制身体质心与支撑
面关系的能力。
定义
身体质心（center of mass, COM）是整个身体的中心
点，通过寻找身体各节段COM的加权平均值来决定。 身体质心的垂直射影被称作重心（center of gravity, COG）。 支撑面（base of support, BOS）被定义为身体与支撑 物表面接触的区域。 压力中心（center of pressure, COP）是作用于支撑物 表面的全部力量的分布中心。COP在COM周围不断地 移动并保持COM在支撑面内。
姿势控制异常
姿势控制异常可能的原因： 平衡问题
运动的协调性问题（包括顺序、协同肌的适时激
活、姿势肌的紊乱、姿势活动调节不能等） 骨骼肌肉及关节活动所致的对位对线问题 感觉障碍所致的预期姿势控制丧失 认知功能的问题所致 神经损伤的类型、部位Fra bibliotek和范围的差异可能导
运动技能学习与控制课件第四章感觉系统对运动控制的作用
– 本体感觉反馈失真。
动物手术：切断神经传导
精度明显不如 从前，但依然 具有完成技能 的能力
肌腱振动技术：
二、本体感觉的作用
• 影响运动的准确性
– 对肢体错误位置的反馈提供了纠错的基础。
• 影响动作指令的开始时间
– 例如，伸直食指同时提踵。
• 肢体协调
第五节 前馈对动作控制的影响
optical flow
眼球
移動目標
固定目標
一、视觉信息
网球击球时，何时开始动作，何时球拍与球接触，这些信息 的获得离不开视觉信息。 当球接近人时，球距离越近，视网膜上的投影的变化率越大。 通过这种信息可以判断物体接触到视网膜的时间，即触前时 间Tc.
一、视觉信息
运动员运用视觉 信息来准确起跳。 接近40%的调整都 发生在最后一步。
人是看不清楚球的
思考题
• 什么是闭环控制系统？ • 中央视觉与周围视觉的区别？ • 什么是触前视觉信息？对于体育运动项目
有什么用？ • 本体感觉在运动控制中的作用。 • 前馈和反馈的区别？
中央视觉
中央 有意识
损害 这是什么？(What)
外周视觉
中央和外周 无意识 无
它在哪里？(Where)
一、视觉信息
腹侧视觉系统： •有意识分析的知觉。 •只限制在中央视觉 •需要聚焦和充足的光线。 •于人体注视聚焦的物体很敏感 背侧视觉系统 •为运动的视觉控制提供知觉信息 •全视野的（接近180度）， •不要求聚焦 •光线微弱的情况下也能工作。
听觉与动作控制
跑步的脚步声反映出跑步者的节奏； 球棒撞击声为棒球运动员提供棒球被击中程度的信息； 高尔夫球手通过杆头与球碰撞声音判断击球情况
运动控制
1.运动控制系统是以电动机及其拖动的机械设备为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
2.运动控制不同的分类方法：（1）被控物理量：转速被控的系统叫调速系统，以角位移或直线位移叫伺服系统（位置随动系统）；（2）驱动电机类型：直流电动机叫直流传动系统，交流电机叫交流传动系统；（3）控制器：模拟电路叫模拟控制系统，数字电路叫数字控制系统。
3.运动控制三要素：控制器、功率驱动装置、电动机。
4.运动控制发展趋势：（1）运动控制的交流化（2）功率变换装置高频化（3）功率系统的高速、超小和超大化（4）系统实现的集成化（5）控制的数字化、智能化和网络化5.直流电机的种类：他励，幷励，串励，复励，永磁。
6.直流电机启动方法：直接启动、电枢回路串电阻启动、降压启动7.他励直流电机的调速方法：（1）改变电枢电阻，即串电阻调速（2）改变电枢电压U （3）减弱电机励磁磁通φ8.调速系统的静态及动态指标：（1）静态指标:1.调速范围D（可调速度的范围，即D=；2.静差率S指负载变化时转速的稳定程度，即s==X100%。
（2）动态指标：1.跟随性指标。
1）上升时间2）超调量3）调节时间；2.抗扰性指标。
9.直流电机调压调速：旋转变流机组；晶闸管相控静止整流；直流脉宽调制。
10.晶闸管相控静止整流的缺点：功率因数低，谐波大，是造成电力公害的主要原因之一11.（1）在相同负载下，闭环系统的转降速只是开环系统的1/（1+K）；（2）在相同负载下，闭环系统的静差率只是开环系统的1/（1+K）；（3）静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍。
(4) 当给定电压相同时，闭环系统的空载转速是开环系统的1/(1+K),也就是说闭环系统的理想空载转速大大降低，如果希望闭环系统和开环系统的理想空载转速相同，则闭环系统的给定电压必须是开环系统的(1+K)倍，如果希望两者给定电压相同、理想空载转的理想空载转速相同，则闭环系统必须设置放大器。
《运动控制系统》课程教学大纲
《运动控制系统》教学大纲课程代码：ABJD0420课程中文名称：运动控制系统课程英文名称：MotionContro1System课程类型：限选课程学分数：2.5学分课程学时数：40学时适用专业：自动化专业先修课程：自动控制原理电力电子学电机与拖动基础等一、课程简介本课程的目的是综合运用自动控制元件、电力电子技术和自动控制原理等专业基础知识，通过学习运动控制系统的相关知识，使学生掌握运动控制系统的组成和控制规律；使学生掌握静动态特性以及控制系统的工程设计方法；使学生掌握分析、研究和设计各类运动控制系统的能力。
本课程秉承理论与实际相结合的理念，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计问题，以转矩和磁链（或磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，论述系统的静动态性能。
着重培养学生的系统综合分析能力和解决工程实际问题的能力。
通过课程的学习，使学生掌握现代交、直流电动机控制理论和基本方法，获得运动控制系统的分析和设计计算能力。
二、教学基本内容和要求1 .绪论一运动控制系统基本知识课程教学内容：运动控制系统的组成、分类、主要应用领域及其发展历史，转矩与磁链控制规律，课程特点及学习意义。
课程的重点、难点：运动控制系统的组成部分。
课程教学要求：掌握运动控制系统的定义、结构、及其分类；理解运动控制的必要性；理解转矩与磁链控制规律；了解运动控制的主要应用领域；了解运动控制系统的发展历史及趋势2 .闭环控制的直流调速系统课程教学内容：直流调速系统用的可控直流电源；V-M系统的特殊问题；脉宽调制变换器及调速系统的特殊问题；反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计；反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计；比例积分控制规律和无静差调速系统；电压反馈、电流补偿控制的调速系统。
课程的重点、难点：反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计；反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计课程教学要求：掌握直流电动机的调速方法和调速系统结构特点；理解反馈控制规律；掌握晶闸管触发整流环节、PWM控制与变换器环节的数学模型；掌握闭环直流调速系统的静特性和稳态性能指标；掌握转速反馈控制直流调速系统的稳态结构图和稳态参数计算；掌握带电流截止反馈环节的调速系统静特性3 .转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法课程教学内容：转速、电流双闭环直流调速系统及其静态特性，∙双闭环调速系统的数学模型及其动态性能分析；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器；转速超调的抑制一转速微分负反馈；弱磁控制的直流调速系统课程的重点、难点：双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器的工程设计方法课程教学要求：掌握转速、电流双闭环直流调速系统及其静态特性；掌握转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型与动态性能分析；掌握控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法4 .直流调速系统的数字控制课程教学内容：微型计算机数字控制的主要特点；微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件；数字测速；数字P1调节器课程的重点、难点：微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件设计课程教学要求：了解微型计算机数字控制的主要特点；掌握微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件；掌握M/T数字测速方法；理解数字P1调节器的设计方法及其饱和限幅作用5 .可逆直流调速系统和位置随动系统课程教学内容：可逆直流调速系统；位置随动系统。
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关节运动学——矢状面运 动
第一跗跖关节在矢状面的运动
可进行轻度的跖屈和背屈，以便在行走时为足内侧纵
弓提供灵活性。
关节运动学——矢状面运 动
第一跖趾关节在矢状面的运动
足跟触地时，第一跖趾关节呈轻度的过伸位 从足跟触地后不久到足跟离地，第一跖趾关节处于相
对的中立位 从足跟离地到足趾离地前，第一跖趾关节处于45°～ 55°的过伸位 在支撑阶段的后半期和摆动初期，该关节屈曲从而位 回到中立位
初期身体是向前倾斜的，为了防跌，需要把另一只 足向前移到一个新的位置而暂时的恢复平衡。 一旦开始行走，身体向前的动力会使身体的重心向 前越过足的位置，这样就迫使另一只足向前一步。 通过双足连续的、交替的移动而使身体向前进。 只要身体还在向前移动，这种流畅的、受控制的恢 复平衡的行为会一直持续。 当足的位置阻碍了身体向前移动的动力，并且在双 足支撑的静止时期恢复平衡，行走就停止了。
（步态周期的8％～45％） 在足跟离地不久（步态周期的40%），踝关节开 始跖屈，最大到15°～20°，一直到足趾离地 在摆动阶段，踝关节再次背屈到中立位以使足趾 完全离地
关节运动学——矢状面运 动
踝关节跖屈受限可能会导致前移推动力下降，也
可能会导致步长缩短 如果由于跟腱挛缩导致支撑期不充分的踝背屈， 可能引起不完全的足跟离地，导致“跳跃”步态 ， 限制了身体的前移，步长也会缩短 患有马蹄足畸形的病人，以过度伸直的足趾行走， 而足跟却不能触地，最常见于脑瘫患者 踝背屈受限也会影响摆动阶段的足趾离地。为了 代偿，就必须增加髋或膝关节的屈曲
步态周期（gait cycle） ：
行走最基本的组成单元
始于一侧足跟与地的接触止于同侧足跟再次着
地
跨步长（stride length）：是指同一足的足跟相继
触地之间的距离
步长（step length） ：是指不同足的足跟相继触
地之间的距离
步宽（step width）：是指两次连续的足触地时双
和距下关节
水平面：研究很有限
关节运动学
矢状面运动
关节运动学——矢状面运 动
骨盆在矢状面的运动 向前、后倾斜的范围是很小的（大约为2°～4°） 发生在髋部（骨盆与股骨间的屈伸）和腰骶关 节（骨盆与腰椎间的屈伸） 骨盆在整个步态周期中的运动模式就类似两个 完整波形的正弦波 骨盆的运动范围会随着行走速度的增加而增加 有屈髋关节肌明显挛缩的病人在支撑期的后半 部分（步态周期的30％～60％ ）就会出现极其 严重的骨盆前倾
在垂直方向，每一个步态周期中身体重心可由
身体重心垂直的转移
两个完整的正弦波来描述
身体重心的最低点发生于两侧下肢支撑期的中点（步态周期的5
％和55％） 身体重心的最高点发生于两次单下肢支撑期的中点（步态周期 的30％和80％）
行走时身体重心的横向转移形成了在水平方向的正
身体重心的横向转移
第四章 运动控制与步态
内容
第一节 与运动相关的神经系统结构与反射 第二节 运动控制的调节 第三节 运动控制
第三节 运动控制
学习内容
姿势控制
一
二
三
上肢控制
行走运动控制
行走运动控制
步态分析的时空参数 身体重心的转移与控制 关节运动学 肌运动学 步态控制机制 步态异常
步态分析的时空参数
到足跟离地（步态周期的40％） 膝关节开始屈曲，到达大约35°的屈曲角度时， 足趾离地（步态周期的60％） 最大膝关节屈曲角度为60°，是发生在摆动中期 开始时（步态周期的73％）
关节运动学——矢状面运 动
踝关节在矢状面的运动
当足跟触地时，踝关节处于轻度的跖屈（0 °～5°） 在足跟触地后不久，足平放于地面 当胫骨前移越过支撑足时，踝背屈增加到10°
步态分析的时空参数
侧足弓之间的距离，通常是7～9cm 足角（foot angle）：是身体前进的方向与足的长 轴之间的夹角，正常人大约是7°
步态分析的时空参数
步频（stride rate）：是对步态最基本的时间描述 ，
即每分钟的步数
步态周期：一个完整步态循环的时间 步时：完成左或右足一步的时间
通常情况下对称的步态其步时决定于步频，步时是步
频的倒数。
站立与摆动阶段
步态分析的时空参数
步态周期的阶段划分
支撑阶段 ：
站立与摆动阶段的分期
摆动阶段
足跟触地
足平放 中期支撑 足跟离地 足趾离地
早期摆动
中期摆动 末期摆动
站立与摆动阶段
身体重心的转移与控制
行走可被定义为一系列的失衡与恢复平衡。在行走
弦波
身体重心在右侧的最远点发生于右下肢支撑阶段的中点（步态
周期的30％） 身体重心在左侧的最远点发生于左下肢支撑阶段的中点（步态 周期的80％）。
Hale Waihona Puke 管从表面上看，步行以一个恒定的前进速度进行
动能和潜能
的，但事实上每一步的速度都在发生变化。当处于 支撑阶段的下肢位于身体重心的前方时，速度就慢 下来。相反，当处于支撑阶段的下肢位于身体重心 的后方时，速度就快起来。 因此，在支撑中期，一旦身体上移至支撑下肢，它 就达到它的最低速度；在双下肢支撑期，一旦身体 从支撑下肢下移并尚未上移至对侧下肢时，它就达 到它的最高速度。最小运动能量在支撑中期（步态 周期的30％～80％）
关节运动学——矢状面运 动
髋关节在矢状面的运动
正常行走时，髋关节大约需要30°的前屈和
10°的后伸 运动幅度与行走速度呈正相关 有髋部活动受限的病人在行走时也许不会出 现步态的偏离，这是由于骨盆和腰椎的运动 可对减少的髋部运动进行代偿
关节运动学——矢状面运 动
膝关节在矢状面的运动
当足跟触地时，膝关节大约屈曲5° 在步态周期的前15％，再屈曲10°～15° 之后膝关节逐渐伸直到几乎完全的伸直位一直
动能和潜能
最大运动能量在双下肢支撑期（步态周期的5％～55％） 最小运动能量在支撑中期（步态周期的30％～80％），
潜能是指地心引力作用于身体重量和身体重心的高度
时所产生的能。而动能由潜能补给
矢状面：关节的角旋转主要发生在矢状面 冠状面：重心旋转非常重要，特别是在髋关节
关节运动学