專利名稱：一種功能性電刺激閉環模糊pid控制方法
技術領域：
本發明涉及利用電脈沖刺激幫助殘疾人康復的器械技術領域，特別涉及一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法。
背景技術：
FES (Functional Electrical Stimulation，功能性電刺激)是通過電流脈沖序列來刺激肢體運動肌群及其外周神經，有效地恢復或重建截癱患者的部分運動功能的技術。 根據對于脊髓損傷癱瘓患者的治療統計顯示，由于脊髓再生能力微弱，目前尚未有可直接修復損傷的有效醫治方法，實施功能康復訓練是一有效的措施。脊髓損傷癱瘓患者人數逐年增多，功能康復訓練是亟待需求的技術。20世紀60年代，Liberson首次成功地利用電刺激腓神經矯正了偏癱患者足下垂的步態，開創了功能性電刺激用于運動和感覺功能康復治療的新途徑。目前，FES已經成為了恢復或重建截癱患者的部分運動功能，是重要的康復治療手段。
PID(Proportional-Integral-Differential,比例微積分)是一種非常實用的反饋調節算法，它根據系統檢測或操作偏差，利用比例、積分、微分運算獲得所需調節量以對系統進行反饋控制，因其操作方便而廣泛用于工程實踐。尤其當被控系統特性參數不明確或難以及時在線測定時，穩妥的閉環控制即可采用PID整定算法。面對肌肉的復雜性和時變性操作環境，由于PID的穩定性好、工作可靠，在功能性電刺激領域也得到了廣泛的應用。PID核心技術是精密確定比例、積分和微分系數，其控制效果主要取決于三參數的組合， 在FES領域，對系統穩定性要求極為嚴格，所以對PID參數選擇尤為重要。
發明人在實現本發明的過程中發現現有技術中至少存在以下的缺點和不足
1、目前對FES觸發控制方式的研究主要依賴于一系列手動操作的開關和一些外部傳感器，獲得的電流刺激強度的結果不精確、穩定性不高；
2、PID控制要取得較好的控制效果，必須調整好比例、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系，現有技術中尚未有較好的調整方式。發明內容
本發明提供了一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，該方法獲取到較高精度和穩定性的電流刺激強度，對PID三個參數進行了調節，實現了精確的控制輸出，詳見下文描述
一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，所述方法包括以下
(1)采集小腿運動時的膝關節角度參數θ和加速度參數α，通過逆動力學推導， 獲取膝關節力矩的表達式；
(2)根據所述膝關節力矩的表達式建立肌肉模型；
(3)模糊PID控制器調整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到實際輸出的膝關節力矩值；
(4)將所述實際輸出的膝關節力矩值與期望的膝關節力矩值做運算，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中，所述模糊推理系統進行處理轉化為對應的模糊量；
(6)所述模糊推理系統通過所述對應的模糊量獲取控制規則，根據所述控制規則對所述模糊PID控制器的三個參數Kp，K1和Kd進行整定；
(7)根據整定后的模糊PID控制器的三個參數調整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關節力矩值；
(8)判斷所述新實際輸出的膝關節力矩值和所述期望的膝關節力矩值之間的誤差是否小于閾值，如果是，執行步驟(9)；如果否，執行步驟(10)；
(9)流程結束；
(10)重新執行步驟(1)101-(8)，直到所述新實際輸出的膝關節力矩值和所述期望的膝關節力矩值之間的誤差小于閾值，流程結束。
所述膝關節力矩的表達式具體為
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為膝關節力矩、L為小腿重心到膝關節轉軸的距離、G為小腿重力、J為小腿轉動慣量以及m為小腿的質量。
所述對應的模糊量具體為
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大， 負中，負小，零，正小，正中，正大。
所述根據所述控制規則對所述模糊PID控制器的三個參數進行整定具體為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。i=0
本發明提供的技術方案的有益效果是
本發明提供了一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，本發明通過肌肉模型建立起膝關節力矩和刺激電流等級之間的關系，再結合模糊PID控制器構成閉環控制系統對期望的關節力矩進行跟蹤輸出，不斷和期望的關節力矩進行比較并調整PID控制器的參數，使輸出結果更加接近期望值，其中模糊推理系統能對PID的控制參數進行整定，實現精確的控制輸出，本發明是一種全新的功能性電刺激閉環精密控制技術，不僅可以幫助患者用自己的自主意識來控制功能性電刺激，從而恢復部分運動功能，而且還能有效地提高功能性電刺激器的穩定性，延遲肌疲勞，更有利于患者的訓練和使用；可有效地提高FES系統準確性和穩定性，并獲得可觀的社會效益和經濟效益。


圖1為本發明提供的本發明提供的模糊PID控制器的結構示意圖2為本發明提供的一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法的流程圖3為本發明提供的功能性電刺激實驗機理示意圖4為本發明提供的功能性電刺激試驗場景圖5為本發明提供的模糊推理系統的結構示意圖6為本發明提供的受試者的ANFIS肌肉模型結果與實際關節力矩相對誤差的示意圖7為本發明提供的受試者的NARMAX肌肉模型結果與實際關節力矩相對誤差的示意圖8為本發明提供的基于ANFIS肌肉模型的模糊PID控制追蹤結果；
圖9為本發明提供的基于NARMAX肌肉模型的模糊PID控制追蹤結果。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
為了獲取到較高精度和穩定性的電流刺激強度，對PID三個參數進行調節，實現精確的控制輸出，參見圖1和圖2，本發明實施例提供了一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，詳見下文描述
模糊推理，又稱為模糊邏輯控制，其基本思想是借助于計算機和模糊集合理論來模擬人對系統的推理過程，即把人的經驗形式化、模型化，變成計算機可以接受的控制模型，讓計算機代替人來進行實時地控制被控對象的高級策略和新穎的技術方法，可有效地提高控制算法的可控性、適應性和合理性，尤其是針對復雜而用數學方程難于建模且有豐富手控經驗的對象具有奇特的優勢。模糊控制器核心技術就是確定模糊控制器的結構、所采用的模糊規則、合成推理算法以及模糊決策的方法等因素。
101 采集小腿運動時的膝關節角度參數θ和加速度參數α，通過逆動力學推導， 獲取膝關節力矩的表達式；
其中，本發明實施例中采用動力學參數膝關節力矩評估下肢動作的完成與否，膝關節力矩不受到形態學的影響，并且由運動學參數通過逆動力學推導即可獲得，最重要的是與刺激電流的刺激模式有固定的關系，所以本發明實施例采用動力學參數膝關節力矩作為評估依據。
參見圖3和圖4，刺激電極固定于股四頭肌兩端，產生刺激電流使小腿運動，采集小腿運動時的膝關節角度參數θ和加速度參數α。實驗過程中膝關節運動無外界摩擦，可近似看成繞膝關節轉動的剛體運動，膝關節力矩可以由重力力矩和轉動力矩求得。M為膝關節力矩，L為小腿重心到膝關節轉軸的距離，G為小腿重力，J為小腿轉動慣量，m為小腿的質量，人體下肢小腿幾何特性參數的經驗公式為
權利要求
1.一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，其特征在于，所述方法包括以下(1)采集小腿運動時的膝關節角度參數θ和加速度參數α，通過逆動力學推導，獲取膝關節力矩的表達式；(2)根據所述膝關節力矩的表達式建立肌肉模型；(3)模糊PID控制器調整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到實際輸出的膝關節力矩值；(4)將所述實際輸出的膝關節力矩值與期望的膝關節力矩值做運算，獲取誤差Ae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中， 所述模糊推理系統進行處理轉化為對應的模糊量；(6)所述模糊推理系統通過所述對應的模糊量獲取控制規則，根據所述控制規則對所述模糊PID控制器的三個參數Kp，K1和Kd進行整定；(7)根據整定后的模糊PID控制器的三個參數調整刺激電流的大小，通過所述肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關節力矩值；(8)判斷所述新實際輸出的膝關節力矩值和所述期望的膝關節力矩值之間的誤差是否小于閾值，如果是，執行步驟(9)；如果否，執行步驟(10)；(9)流程結束；(10)重新執行步驟(1)-(8)，直到所述新實際輸出的膝關節力矩值和所述期望的膝關節力矩值之間的誤差小于閾值，流程結束。
2.根據權利要求1所述的一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，其特征在于，所述膝關節力矩的表達式具體為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為膝關節力矩、L為小腿重心到膝關節轉軸的距離、G為小腿重力、J為小腿轉動慣量以及m為小腿的質量。
3.根據權利要求1所述的一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，其特征在于，所述對應的模糊量具體為將所述誤差Ae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大，負中， 負小，零，正小，正中，正大。
4.根據權利要求1所述的一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，其特征在于，所述根據所述控制規則對所述模糊PID控制器的三個參數進行整定具體為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。Z=O
全文摘要
本發明公開了一種功能性電刺激閉環模糊PID控制方法，獲取膝關節力矩的表達式；建立肌肉模型；模糊PID控制器調整刺激電流的大小，通過肌肉模型獲取到實際輸出的膝關節力矩值；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中，模糊推理系統進行處理轉化為對應的模糊量；獲取控制規則，根據控制規則對模糊PID控制器的三個參數進行整定；根據整定后的參數調整刺激電流的大小，通過肌肉模型獲取到新實際輸出的膝關節力矩值；直到新實際輸出的膝關節力矩值和期望的膝關節力矩值之間的誤差小于閾值，流程結束。本發明能有效地提高功能性電刺激器的穩定性、準確性和穩定性，并獲得可觀的社會效益和經濟效益。
文檔編號A61N1/36GK102488964SQ201110406179
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者萬柏坤, 張力新, 明東, 朱韋西, 王春方, 綦宏志, 邱爽 申請人:天津大學