基于膝关节角度的助行功能性电刺激模糊控制研究

摘要

随着脊髓损伤和导致瘫痪的发病率逐年上升。运用功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)手段辅助功能恢复和进行神经重建获得显著临床效果,FES技术研究已成为生物信息学、康复医学及神经电生理学等领域的前沿热点课题。但传统的FES开环控制系统无法以最小电流完成理想的刺激训练动作,且易引起肢体疲劳,且易受干扰、自适应性差等缺陷严重制约了FES技术在康复临床的推广与应用,亟待改进刺激模式和优化控制性能。
　　 本研究从人体运动学信息出发,针对FES作用对象-人体肌肉系统具有复杂非线性的特点,选择新兴的智能模糊控制技术,利用膝关节角度作为反馈信号,通过模糊控制器实时控制FES刺激电流模式,以期优化FES控制性能、获得理想的刺激效果。由于人体的特殊性,对模糊控制器参数要求较为严格,其比例因子、量化因子及隶属函数分布是其设计关键。蚁群算法和遗传算法兼具全局收敛性、并行性计算优化功能,研究中利用蚁群算法和遗传算法优化模糊控制器的相关参数,并结合遗传算法和蚁群算法的优点,融合遗传蚁群算法优化模糊控制器相关参数。研究设计了基于膝关节角度的助行FES模糊控制实验,利用非线性自回归滑动平均(Nonlinear Autoregressive Moving Average Exogenous,NARMAX)模型构建了膝关节角度与刺激强度之间的反馈关系式,使之最大相对误差在10％之内；并分别验证了蚁群优化模糊控制器、遗传模糊控制器、遗传蚁群模糊控制器的有效性以及稳定性,结果显示,系统稳定后与预设值的角度误差均不超过5°、平均绝对误差不超过2°、最大标准差均小于0.7°,且遗传蚁群算法优化速度比遗传和蚁群单独算法的优化速度要快。
　　 本文研究结果表明,基于膝关节角度的运动学信号可作为肢体FES刺激反馈调整的有效信号,采用遗传蚁群算法优化的模糊控制器可使FES刺激电流模式更为可靠,未来有望应用于助行FES系统的自动控制并获得更好的控制效果,可为设计新一代的下肢人工运动神经假体系统设计提供技术支持。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 脊髓损伤与截瘫

1.1.1 脊髓损伤与截瘫的成因

1.1.2 脊髓损伤与截瘫的治疗

1.2 功能性电刺激技术

1.2.1 功能性电刺激的定义及原理

1.2.2 功能性电刺激助行系统的分类及发展

1.3 本文研究内容及章节安排

第二章 功能性电刺激肌肉模型与模糊控制器

2.1 用于功能性电刺激助行的人体下肢肌肉模型

2.2 模糊控制器设计

2.2.1 模糊控制器的原理

2.2.2 模糊控制器的设计

2.3 功能性电刺激助行运动学模态测试实验

2.4 模糊控制助行控制的结果分析

2.4.1 实验结果

2.4.2 讨论

第三章 功能性电刺激的蚁群算法整定模糊控制

3.1 蚁群算法的原理

3.2 蚁群模糊控制器设计

3.3 实验结果及讨论

3.3.1 实验结果

3.3.2 分析与讨论

第四章 功能性电刺激的遗传算法整定模糊控制

4.1 遗传算法的原理

4.2 遗传模糊控制器设计

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 实验结果

4.3.2 分析与讨论

第五章 功能性电刺激的遗传蚁群融合算法整定模糊控制

5.1 遗传蚁群算法融合

5.2 遗传蚁群模糊控制器设计

5.3 实验结果及讨论

5.3.1 实验结果

5.3.2 分析与讨论

第六章 总结与展望

6.1 本论文内容总结

6.2 今后研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢