FES和姿态传感器在踝关节角度调节建模中的应用研究

发布时间：2020-04-03 06:28

【摘要】：近年来,功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)在肢体康复治疗中得到广泛应用,成为智能康复系统的研究热点之一。FES指通过电刺激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前沿技术,其有效性取决于刺激时间、刺激强度的精确控制。随着FES系统从开环向闭环趋势发展,建立电刺激下关节角度的模型是研究FES闭环控制系统的基础。因此,本文利用FES与姿态传感器搭建人体实验平台,探究FES调节踝关节角度响应特性。从现象学出发,利用遗传算法训练基于神经网络的H(Hammerstein)模型;从机理学出发,推导FES至踝关节角度的机理模型,利用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法辨识机理模型未知参数:建立两种FES下的踝关节角度模型后,对两种模型进行比较与讨论。具体研究内容如下:首先,以姿态传感器与电刺激仪搭建实验平台,基于不同的实验个体开展FES调节踝关节角度实验。将电刺激频率25Hz、幅值25mA作为固定电刺激参数,探究电刺激脉宽变化对踝关节角度的影响。结果表明,电刺激激励下踝关节角度表现出滞后性、非线性、时变性,为后续建立踝关节模型提供理论与数据基础。其次,根据实验结果,从现象学出发,建立神经网络结构的H模型。通过遗传算法对模型参数进行辨识,将在体实验数据应用十折交叉法验证该模型。结果表明,H模型能够有效预测电刺激下踝关节的角度变化。再次,从机理学方法出发,分析踝关节运动学、FES下肌肉收缩动力学与拉格朗日逆动力学过程,推导在电刺激下的踝关节肌肉骨骼模型。机理模型虽具有更好的解释性,但结构复杂且参数较多难以辨识,本文对模型进行了简化,应用EKF算法对模型未知参数展开辨识。结果表明,该模型能有效的预测电刺激参数下踝关节角度变化的响应。最后,对比与分析两种模型在不同个体,不同电刺激输入序列下的模型误差,结果表明基于机理学方法的踝关节肌肉骨骼模型的归一化均方根误差值(NRMSE)平均低于20%,基于现象学方法的H模型NRMSE平均低于30%。本文建立的两种模型都能较好的预测踝关节角度变化,对比模型的准确性,鲁棒性,机理模型略优。本文研究为电刺激参数配置的优化调整、探索FES调节踝关节运动角度特性、提高电刺激闭环治疗系统的准确性奠定研究基础。
【图文】：

框图,实验平台,框图,电刺激

本章将展开ＦＥＳ调节踝关节角度实验研究，首先总体介绍了实验平台、感器的基本信息、踝关节角度计算方法以及功能性电刺激设备的说明。其了不同电刺激参数下采集踝关节角度实验，，从而确定不同个体适宜的电刺。以该电刺激参数作为后续实验设置，改变电刺激脉宽波形，开展电刺激实验，探宄踝关节角度在电刺激下的响应特性，为ＦＥＳ更加准确的治疗障碍提供实验数据依据与理论基础。逡逑基于姿态传感器的ＦＥＳ实验设计逡逑．１基于姿态传感窃实验平台ｔ合建逡逑电刺激激励踝关节运动检测实验平台主要由功能性电刺激器，姿态传感器，逡逑组成，如图２－１所示。其中姿态传感器由主Ｔｒｉｇｏｎ邋Ｌａｂ无线基站、从姿态模块组成。逡逑

功能性电刺激,角度计算,踝关节,原理

（２）功能性电刺激仪逡逑研宄表明恒定电流刺激的效果优于恒定电压刺激的效果［３５］，本文采用的电刺逡逑激设备为恒流源，为德国的ＭｏｔｉｏｎＳｔｉｍ电刺激治疗仪，如图２－３邋（ａ）所示。实逡逑验采用４邋ｃｍｘ４邋ｃｍ的理疗电极如图２－３邋（ｂ）所示。逡逑（ａ）电刺激仪逦（ｂ）理疗电极外观逡逑图２－３电刺激设备外观图逡逑电刺激仪输出为恒流信号，有８个通道，每个通道电刺激幅值可调范围为１逡逑ｍＡ邋￣邋１２５邋ｍＡ，电刺激脉宽可调范围为１０畔？５００畔。电刺激频率可调范围为１邋Ｈｚ逡逑￣邋９９邋Ｈｚ。负载阻抗为１邋ｋｎ。实验过程中设置电刺激仪为科学模式档，用于Ｍａｔｌａｂ、逡逑Ｃ＋＋等软件自定义程序控制刺激电流、刺激脉宽的二次开发。其Ｍａｔｌａｂ的上位机逡逑在线编程界面如图２－４所示。逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R496;TP212

【相似文献】