專利名稱：一種功能性電刺激閉環(huán)模糊pid控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電脈沖刺激幫助殘疾人康復(fù)的器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法。
背景技術(shù)：
FES (Functional Electrical Stimulation，功能性電刺激)是通過電流脈沖序列來刺激肢體運動肌群及其外周神經(jīng)，有效地恢復(fù)或重建截癱患者的部分運動功能的技術(shù)。 根據(jù)對于脊髓損傷癱瘓患者的治療統(tǒng)計顯示，由于脊髓再生能力微弱，目前尚未有可直接修復(fù)損傷的有效醫(yī)治方法，實施功能康復(fù)訓(xùn)練是一有效的措施。脊髓損傷癱瘓患者人數(shù)逐年增多，功能康復(fù)訓(xùn)練是亟待需求的技術(shù)。20世紀60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經(jīng)矯正了偏癱患者足下垂的步態(tài)，開創(chuàng)了功能性電刺激用于運動和感覺功能康復(fù)治療的新途徑。目前，F(xiàn)ES已經(jīng)成為了恢復(fù)或重建截癱患者的部分運動功能，是重要的康復(fù)治療手段。
PID(Proportional-Integral-Differential,比例微積分)是一種非常實用的反饋調(diào)節(jié)算法，它根據(jù)系統(tǒng)檢測或操作偏差，利用比例、積分、微分運算獲得所需調(diào)節(jié)量以對系統(tǒng)進行反饋控制，因其操作方便而廣泛用于工程實踐。尤其當被控系統(tǒng)特性參數(shù)不明確或難以及時在線測定時，穩(wěn)妥的閉環(huán)控制即可采用PID整定算法。面對肌肉的復(fù)雜性和時變性操作環(huán)境，由于PID的穩(wěn)定性好、工作可靠，在功能性電刺激領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。PID核心技術(shù)是精密確定比例、積分和微分系數(shù)，其控制效果主要取決于三參數(shù)的組合， 在FES領(lǐng)域，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極為嚴格，所以對PID參數(shù)選擇尤為重要。
發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點和不足
1、目前對FES觸發(fā)控制方式的研究主要依賴于一系列手動操作的開關(guān)和一些外部傳感器，獲得的電流刺激強度的結(jié)果不精確、穩(wěn)定性不高；
2、PID控制要取得較好的控制效果，必須調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用， 形成控制量中既相互配合又相互制約的關(guān)系，現(xiàn)有技術(shù)中尚未有較好的調(diào)整方式。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，該方法獲取到較高精度和穩(wěn)定性的電流刺激強度，對PID三個參數(shù)進行了調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了精確的控制輸出，詳見下文描述
一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，所述方法包括以下
(1)采集小腿運動時的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過逆動力學(xué)推導(dǎo)， 獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達式；
(2)根據(jù)所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達式建立肌肉模型；
(3)模糊PID控制器調(diào)整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；
(4)將所述實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值與期望的膝關(guān)節(jié)力矩值做運算，獲取誤差 Δ e以及誤差變化率Δ ec ；
(5)將所述誤差Δ e、所述誤差變化率Δ ec以及所述刺激電流輸入到模糊推理系統(tǒng)中，所述模糊推理系統(tǒng)進行處理轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模糊量；
(6)所述模糊推理系統(tǒng)通過所述對應(yīng)的模糊量獲取控制規(guī)則，根據(jù)所述控制規(guī)則對所述模糊PID控制器的三個參數(shù)Kp，K1和Kd進行整定；
(7)根據(jù)整定后的模糊PID控制器的三個參數(shù)調(diào)整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；
(8)判斷所述新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值和所述期望的膝關(guān)節(jié)力矩值之間的誤差是否小于閾值，如果是，執(zhí)行步驟(9)；如果否，執(zhí)行步驟(10)；
(9)流程結(jié)束；
(10)重新執(zhí)行步驟(1)101-(8)，直到所述新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值和所述期望的膝關(guān)節(jié)力矩值之間的誤差小于閾值，流程結(jié)束。
所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達式具體為
M=GxZxcos O-Jx^-=GxLxcos Θ-Jxa .dt ，
其中，G(N)= mXg, L(cm) = LC+LWX 體重(kg) +LsX 身高(cm),
J(kg · cm2) = Jc+JwX 體重 +JsX 身高(cm)，m(kg) = MC+MWX 體重(kg)+MsX 身高(cm),
M為膝關(guān)節(jié)力矩、L為小腿重心到膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的距離、G為小腿重力、J為小腿轉(zhuǎn)動慣量以及m為小腿的質(zhì)量。
所述對應(yīng)的模糊量具體為
將所述誤差Δ e和所述誤差變化率Δ ec的變化范圍定義為模糊集上的論域，
e, ec = {_5，_4，_3，_2，，0，1，2，3，4，5}
則其模糊子集為e, ec = {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}，子集中元素分別代表負大， 負中，負小，零，正小，正中，正大。
所述根據(jù)所述控制規(guī)則對所述模糊PID控制器的三個參數(shù)進行整定具體為Kp (k) = Kp(k-X} + γρ (k、AKp
U1 (^ = Kjik-I)+ ri (^AK1KD(k) = KD(k-l) + YD(k)^KD
其中，Y ρ (k)、γ工(k)和γ D (k)為校正速度量；
控制量=Kp (k)e(k) + K1 (U)Yj e{i) + Kd (k)[e(k) - e(k -1)]，k 的取值為正整數(shù)。i=0
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是
本發(fā)明提供了一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，本發(fā)明通過肌肉模型建立起膝關(guān)節(jié)力矩和刺激電流等級之間的關(guān)系，再結(jié)合模糊PID控制器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)對期望的關(guān)節(jié)力矩進行跟蹤輸出，不斷和期望的關(guān)節(jié)力矩進行比較并調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使輸出結(jié)果更加接近期望值，其中模糊推理系統(tǒng)能對PID的控制參數(shù)進行整定，實現(xiàn)精確的控制輸出，本發(fā)明是一種全新的功能性電刺激閉環(huán)精密控制技術(shù)，不僅可以幫助患者用自己的自主意識來控制功能性電刺激，從而恢復(fù)部分運動功能，而且還能有效地提高功能性電刺激器的穩(wěn)定性，延遲肌疲勞，更有利于患者的訓(xùn)練和使用；可有效地提高FES系統(tǒng)準確性和穩(wěn)定性，并獲得可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。


圖1為本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明提供的一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法的流程圖3為本發(fā)明提供的功能性電刺激實驗機理示意圖4為本發(fā)明提供的功能性電刺激試驗場景圖5為本發(fā)明提供的模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明提供的受試者的ANFIS肌肉模型結(jié)果與實際關(guān)節(jié)力矩相對誤差的示意圖7為本發(fā)明提供的受試者的NARMAX肌肉模型結(jié)果與實際關(guān)節(jié)力矩相對誤差的示意圖8為本發(fā)明提供的基于ANFIS肌肉模型的模糊PID控制追蹤結(jié)果；
圖9為本發(fā)明提供的基于NARMAX肌肉模型的模糊PID控制追蹤結(jié)果。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
為了獲取到較高精度和穩(wěn)定性的電流刺激強度，對PID三個參數(shù)進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精確的控制輸出，參見圖1和圖2，本發(fā)明實施例提供了一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，詳見下文描述
模糊推理，又稱為模糊邏輯控制，其基本思想是借助于計算機和模糊集合理論來模擬人對系統(tǒng)的推理過程，即把人的經(jīng)驗形式化、模型化，變成計算機可以接受的控制模型，讓計算機代替人來進行實時地控制被控對象的高級策略和新穎的技術(shù)方法，可有效地提高控制算法的可控性、適應(yīng)性和合理性，尤其是針對復(fù)雜而用數(shù)學(xué)方程難于建模且有豐富手控經(jīng)驗的對象具有奇特的優(yōu)勢。模糊控制器核心技術(shù)就是確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊決策的方法等因素。
101 采集小腿運動時的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過逆動力學(xué)推導(dǎo)， 獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達式；
其中，本發(fā)明實施例中采用動力學(xué)參數(shù)膝關(guān)節(jié)力矩評估下肢動作的完成與否，膝關(guān)節(jié)力矩不受到形態(tài)學(xué)的影響，并且由運動學(xué)參數(shù)通過逆動力學(xué)推導(dǎo)即可獲得，最重要的是與刺激電流的刺激模式有固定的關(guān)系，所以本發(fā)明實施例采用動力學(xué)參數(shù)膝關(guān)節(jié)力矩作為評估依據(jù)。
參見圖3和圖4，刺激電極固定于股四頭肌兩端，產(chǎn)生刺激電流使小腿運動，采集小腿運動時的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α。實驗過程中膝關(guān)節(jié)運動無外界摩擦，可近似看成繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的剛體運動，膝關(guān)節(jié)力矩可以由重力力矩和轉(zhuǎn)動力矩求得。M為膝關(guān)節(jié)力矩，L為小腿重心到膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的距離，G為小腿重力，J為小腿轉(zhuǎn)動慣量，m為小腿的質(zhì)量，人體下肢小腿幾何特性參數(shù)的經(jīng)驗公式為
權(quán)利要求
1.一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，其特征在于，所述方法包括以下(1)采集小腿運動時的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過逆動力學(xué)推導(dǎo)，獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達式；(2)根據(jù)所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達式建立肌肉模型；(3)模糊PID控制器調(diào)整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；(4)將所述實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值與期望的膝關(guān)節(jié)力矩值做運算，獲取誤差A(yù)e以及誤差變化率Δ ec ；(5)將所述誤差Δe、所述誤差變化率Aec以及所述刺激電流輸入到模糊推理系統(tǒng)中， 所述模糊推理系統(tǒng)進行處理轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模糊量；(6)所述模糊推理系統(tǒng)通過所述對應(yīng)的模糊量獲取控制規(guī)則，根據(jù)所述控制規(guī)則對所述模糊PID控制器的三個參數(shù)Kp，K1和Kd進行整定；(7)根據(jù)整定后的模糊PID控制器的三個參數(shù)調(diào)整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；(8)判斷所述新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值和所述期望的膝關(guān)節(jié)力矩值之間的誤差是否小于閾值，如果是，執(zhí)行步驟(9)；如果否，執(zhí)行步驟(10)；(9)流程結(jié)束；(10)重新執(zhí)行步驟(1)-(8)，直到所述新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值和所述期望的膝關(guān)節(jié)力矩值之間的誤差小于閾值，流程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，其特征在于，所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達式具體為d^· βM =GxLx cos θ -Jx-= GxLx cos θ-Jxa .dt ，其中，G(N) = mXg, L(cm) = LC+LWX 體重(kg) +LsX 身高(cm), J(kg -cm2) = JC+JWX 體重+JsX 身高(cm)，m(kg) =MC+MWX 體重(kg)+MsX 身高(cm)， M為膝關(guān)節(jié)力矩、L為小腿重心到膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的距離、G為小腿重力、J為小腿轉(zhuǎn)動慣量以及m為小腿的質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，其特征在于，所述對應(yīng)的模糊量具體為將所述誤差A(yù)e和所述誤差變化率Aec的變化范圍定義為模糊集上的論域， e, ec = {-5，-4，_3，_2，-1,0,1,2,3,4,5}則其模糊子集為e,ec = {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}，子集中元素分別代表負大，負中， 負小，零，正小，正中，正大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，其特征在于，所述根據(jù)所述控制規(guī)則對所述模糊PID控制器的三個參數(shù)進行整定具體為Kp (k) = Kp(k-X} + γρ (k、AKp < K1 (k) = K1(U-I) + Y1 (k)AKj KD(k) = KD(k-\) + rD(k)AKD 其中，Yp(k), Yl(k)和yD(k)為校正速度量；控制量M㈨=K作⑷+ A㈨+ &⑷[啦)_呦-I)]，k的取值為正整數(shù)。Z=O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功能性電刺激閉環(huán)模糊PID控制方法，獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達式；建立肌肉模型；模糊PID控制器調(diào)整刺激電流的大小，通過肌肉模型獲取到實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；獲取誤差以及誤差變化率；將誤差、誤差變化率以及刺激電流輸入到模糊推理系統(tǒng)中，模糊推理系統(tǒng)進行處理轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模糊量；獲取控制規(guī)則，根據(jù)控制規(guī)則對模糊PID控制器的三個參數(shù)進行整定；根據(jù)整定后的參數(shù)調(diào)整刺激電流的大小，通過肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；直到新實際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值和期望的膝關(guān)節(jié)力矩值之間的誤差小于閾值，流程結(jié)束。本發(fā)明能有效地提高功能性電刺激器的穩(wěn)定性、準確性和穩(wěn)定性，并獲得可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。
文檔編號A61N1/36GK102488964SQ201110406179
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者萬柏坤, 張力新, 明東, 朱韋西, 王春方, 綦宏志, 邱爽 申請人:天津大學(xué)