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(guò)電流脈沖序列來(lái)刺激肢體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)功能的技術(shù)。 根據(jù)對(duì)于脊髓損傷癱瘓患者的治療統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jì)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(kāi)創(chuàng)了功能性電刺激用于運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)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(yùn)動(dòng)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(shí)用的反饋調(diào)節(jié)算法，它根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)或操作偏差，利用比例、積分、微分運(yùn)算獲得所需調(diào)節(jié)量以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，因其操作方便而廣泛用于工程實(shí)踐。尤其當(dāng)被控系統(tǒng)特性參數(shù)不明確或難以及時(shí)在線測(cè)定時(shí)，穩(wěn)妥的閉環(huán)控制即可采用PID整定算法。面對(duì)肌肉的復(fù)雜性和時(shí)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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格，所以對(duì)PID參數(shù)選擇尤為重要。
發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點(diǎn)和不足
1、目前對(duì)FES觸發(fā)控制方式的研究主要依賴于一系列手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)和一些外部傳感器，獲得的電流刺激強(qiáng)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(qiáng)度，對(duì)PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了精確的控制輸出，詳見(jiàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)， 獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)式；
(2)根據(jù)所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)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(guò)所述肌肉模型獲取到實(shí)際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；
(4)將所述實(shí)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(yùn)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(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模糊量；
(6)所述模糊推理系統(tǒng)通過(guò)所述對(duì)應(yīng)的模糊量獲取控制規(guī)則，根據(jù)所述控制規(guī)則對(duì)所述模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp，K1和Kd進(jìn)行整定；
(7)根據(jù)整定后的模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)調(diào)整刺激電流的大小，通過(guò)所述肌肉模型獲取到新實(shí)際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；
(8)判斷所述新實(shí)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(shí)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(dá)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(dòng)慣量以及m為小腿的質(zhì)量。
所述對(duì)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(fù)大， 負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。
所述根據(jù)所述控制規(guī)則對(duì)所述模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)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(guò)肌肉模型建立起膝關(guān)節(jié)力矩和刺激電流等級(jí)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(duì)期望的關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行跟蹤輸出，不斷和期望的關(guān)節(jié)力矩進(jìn)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(duì)PID的控制參數(shù)進(jìn)行整定，實(shí)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(shí)來(lái)控制功能性電刺激，從而恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)機(jī)理示意圖4為本發(fā)明提供的功能性電刺激試驗(yàn)場(chǎng)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(shí)際關(guān)節(jié)力矩相對(duì)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(shí)際關(guān)節(jié)力矩相對(duì)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(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
為了獲取到較高精度和穩(wěn)定性的電流刺激強(qiáng)度，對(duì)PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確的控制輸出，參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明實(shí)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(jiàn)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(jì)算機(jī)和模糊集合理論來(lái)模擬人對(duì)系統(tǒng)的推理過(guò)程，即把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化，變成計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型，讓計(jì)算機(jī)代替人來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制被控對(duì)象的高級(jí)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(duì)復(fù)雜而用數(shù)學(xué)方程難于建模且有豐富手控經(jīng)驗(yàn)的對(duì)象具有奇特的優(yōu)勢(shì)。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(yùn)動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)， 獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)式；
其中，本發(fā)明實(shí)施例中采用動(dòng)力學(xué)參數(shù)膝關(guān)節(jié)力矩評(píng)估下肢動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)通過(guò)逆動(dòng)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(shí)施例采用動(dòng)力學(xué)參數(shù)膝關(guān)節(jié)力矩作為評(píng)估依據(jù)。
參見(jiàn)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(yùn)動(dòng)，采集小腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)無(wú)外界摩擦，可近似看成繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)力矩可以由重力力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(yàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)θ和加速度參數(shù)α，通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)，獲取膝關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)式；(2)根據(jù)所述膝關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)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(guò)所述肌肉模型獲取到實(shí)際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；(4)將所述實(shí)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(yùn)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(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模糊量；(6)所述模糊推理系統(tǒng)通過(guò)所述對(duì)應(yīng)的模糊量獲取控制規(guī)則，根據(jù)所述控制規(guī)則對(duì)所述模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp，K1和Kd進(jìn)行整定；(7)根據(jù)整定后的模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)調(diào)整刺激電流的大小，通過(guò)所述肌肉模型獲取到新實(shí)際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；(8)判斷所述新實(shí)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(shí)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(dá)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(dòng)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(duì)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(fù)大，負(fù)中， 負(fù)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(duì)所述模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)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(kāi)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(dá)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(guò)肌肉模型獲取到實(shí)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(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模糊量；獲取控制規(guī)則，根據(jù)控制規(guī)則對(duì)模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)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(guò)肌肉模型獲取到新實(shí)際輸出的膝關(guān)節(jié)力矩值；直到新實(shí)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(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)A61N1/36GK102488964SQ201110406179
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)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(wàn)柏坤, 張力新, 明東, 朱韋西, 王春方, 綦宏志, 邱爽 申請(qǐng)人:天津大學(xué)