基于FES主动康复训练控制系统设计与仿真

摘要

本文研究利用功能性电刺激（FES）与运动训练相结合的方法对截瘫患者（SCI）进行康复训练。利用FES对患者肌肉施加一定频率和幅值的电刺激能使肌肉收缩产生肌力，进而完成训练动作。FES能有效防止截瘫患者肌肉萎缩，并对截瘫患者产生良好康复训练效果。本文着重点在于利用多通道FES对人体下肢施加电刺激，从而控制多肌群产生肌力并相互配合完成康复训练动作。为了模拟人体，本文首先建立了一个三维人体肌骨模型，并在此之上仿真研究控制利用多通道FES实现踏车运动。本文设计的控制器分为内外两层：外层控制器基于模糊控制，根据期望轨迹控制产生多肌群需要产生的目标转矩；内层控制为反馈及前馈控制组成的复合控制器，控制多通道FES强度刺激多个肌群产生力矩，从而跟踪目标转矩。为了提供内层控制算法需要的导数信息，本文利用跟踪微分器跟踪目标转矩并得到其近似二阶导数信息。文章最后给出了相关仿真研究结果。仿真结果表明了本文控制算法的有效性。