基于FES无支撑站立姿态控制环的设计及研究

摘要

功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation, FES)是指利用表面电极或植入式电极刺激失去神经控制的肌肉,使肌肉产生收缩,从而恢复人体特定部位功能的交叉前沿技术。功能性电刺激在康复医疗领域中有很多种应用形式,其中基于FES无支撑站立康复技术属于下肢功能重建系统的一种,它是康复医疗领域中很有挑战性的研究方向。目前在临床应用中,人们通常采用开环刺激膝部伸肌以及在双臂的辅助作用下恢复截瘫患者的站立平衡功能。本文将尝试设计一个闭环姿态控制系统控制瘫痪的踝关节,以使得截瘫患者能够在没有双臂作用下实现站立,这就是所谓的基于FES无支撑站立问题。本文较详细地讨论了课题的研究背景和国内外研究现状,在参考前人研究成果的基础上,着重对基于FES无支撑站立姿态控制展开仿真研究。首先,阐述了脊髓损伤机理及其影响,确立了课题研究所针对截瘫患者的类型,将截瘫人体简化成一个具有两自由度的倒立摆,并利用拉格朗日法对此倒立摆进行动力学分析,建立了踝关节和腰骶关节处的力矩方程。其次,利用最优控制理论,以脚部受地面作用力点到踝关节的距离和控制力矩取极小值为最优控制准则建立最优控制模型,设计最优控制器。最后,以一参考输入为随机曲线的比例微分(Proportional Differential, PD)控制器模拟截瘫患者完好上身的活动,利用最优控制器和用于状态重构的Kalman状态观测器构建出整个控制系统。以一名身高162厘米、体重55千克的中国青年男性为样本,利用线形二元回归法计算出仿真所需数据并对整个控制系统进行仿真研究。仿真结果表明,截瘫患者腿部肌肉只需要提供较小的力矩便可以维持身体平衡,因而截瘫患者在理论上能够站立较长时间,并且不需要双臂的辅助作用。研究结果对基于FES的无支撑站立技术在临床康复中的应用有一定的理论意义。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及目的意义

1.1.1 FES 技术概况

1.1.2 课题研究背景

1.1.3 课题研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 前期研究状况分析

1.2.2 无支撑站立研究现状

1.3 课题研究内容

第2章 截瘫人体站立相关模型的建立和动力学分析

2.1 脊髓损伤相关生理知识

2.1.1 脊椎和脊髓

2.1.2 脊髓损伤原因及影响

2.2 人体站立姿态模型的建立和动力学分析

2.2.1 研究对象的确立

2.2.2 站立模型的建立

2.2.3 站立姿态动力学分析

2.3 脚部受力模型的建立

2.4 本章小结

第3章 被控对象的建立和控制器的设计

3.1 被控对象的建立

3.2 控制策略的选择

3.2.1 最优控制理论概述

3.2.2 极小值原理介绍

3.2.3 控制策略的选择

3.3 控制器的设计

3.3.1 被控对象线性状态方程的建立

3.3.2 脚部受力模型的状态空间表述

3.3.3 控制器的设计

3.4 本章小结

第4章 控制系统的设计和仿真

4.1 PD 控制器的设计

4.2 状态观测器的设计

4.2.1 Kalman 滤波理论简介

4.2.2 Kalman 状态观测器的设计

4.3 控制系统的设计

4.4 控制系统仿真参数的获取

4.4.1 参数分析及来源

4.4.2 参数模型的简化和计算

4.5 控制系统仿真和分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历