专利名称：一种功能性电刺激闭环模糊pid控制方法
技术领域：
本发明涉及利用电脉冲刺激帮助残疾人康复的器械技术领域，特别涉及一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法。
背景技术：
FES (Functional Electrical Stimulation，功能性电刺激)是通过电流脉冲序列来刺激肢体运动肌群及其外周神经，有效地恢复或重建截瘫患者的部分运动功能的技术。 根据对于脊髓损伤瘫痪患者的治疗统计显示，由于脊髓再生能力微弱，目前尚未有可直接修复损伤的有效医治方法，实施功能康复训练是一有效的措施。脊髓损伤瘫痪患者人数逐年增多，功能康复训练是亟待需求的技术。20世纪60年代，Liberson首次成功地利用电刺激腓神经矫正了偏瘫患者足下垂的步态，开创了功能性电刺激用于运动和感觉功能康复治疗的新途径。目前，FES已经成为了恢复或重建截瘫患者的部分运动功能，是重要的康复治疗手段。
PID(Proportional-Integral-Differential,比例微积分)是一种非常实用的反馈调节算法，它根据系统检测或操作偏差，利用比例、积分、微分运算获得所需调节量以对系统进行反馈控制，因其操作方便而广泛用于工程实践。尤其当被控系统特性参数不明确或难以及时在线测定时，稳妥的闭环控制即可采用PID整定算法。面对肌肉的复杂性和时变性操作环境，由于PID的稳定性好、工作可靠，在功能性电刺激领域也得到了广泛的应用。PID核心技术是精密确定比例、积分和微分系数，其控制效果主要取决于三参数的组合， 在FES领域，对系统稳定性要求极为严格，所以对PID参数选择尤为重要。
发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足
1、目前对FES触发控制方式的研究主要依赖于一系列手动操作的开关和一些外部传感器，获得的电流刺激强度的结果不精确、稳定性不高；
2、PID控制要取得较好的控制效果，必须调整好比例、积分和微分三种控制作用， 形成控制量中既相互配合又相互制约的关系，现有技术中尚未有较好的调整方式。发明内容
本发明提供了一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，该方法获取到较高精度和稳定性的电流刺激强度，对PID三个参数进行了调节，实现了精确的控制输出，详见下文描述
一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，所述方法包括以下
(1)采集小腿运动时的膝关节角度参数θ和加速度参数α，通过逆动力学推导， 获取膝关节力矩的表达式；
(2)根据所述膝关节力矩的表达式建立肌肉模型；
(3)模糊PID控制器调整刺激电流的大小，通过所述肌肉模型获取到实际输出的膝关节力矩值；
(4)将所述实际输出的膝关节力矩值与期望的膝关节力矩值做运算，获取误差 Δ e以及误差变化率Δ ec ；
(5)将所述误差Δ e、所述误差变化率Δ ec以及所述刺激电流输入到模糊推理系统中，所述模糊推理系统进行处理转化为对应的模糊量；
(6)所述模糊推理系统通过所述对应的模糊量获取控制规则，根据所述控制规则对所述模糊PID控制器的三个参数Kp，K1和Kd进行整定；
(7)根据整定后的模糊PID控制器的三个参数调整刺激电流的大小，通过所述肌肉模型获取到新实际输出的膝关节力矩值；
(8)判断所述新实际输出的膝关节力矩值和所述期望的膝关节力矩值之间的误差是否小于阈值，如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(10)；
(9)流程结束；
(10)重新执行步骤(1)101-(8)，直到所述新实际输出的膝关节力矩值和所述期望的膝关节力矩值之间的误差小于阈值，流程结束。
所述膝关节力矩的表达式具体为
M=GxZxcos O-Jx^-=GxLxcos Θ-Jxa .dt ，
其中，G(N)= mXg, L(cm) = LC+LWX 体重(kg) +LsX 身高(cm),
J(kg · cm2) = Jc+JwX 体重 +JsX 身高(cm)，m(kg) = MC+MWX 体重(kg)+MsX 身高(cm),
M为膝关节力矩、L为小腿重心到膝关节转轴的距离、G为小腿重力、J为小腿转动惯量以及m为小腿的质量。
所述对应的模糊量具体为
将所述误差Δ e和所述误差变化率Δ ec的变化范围定义为模糊集上的论域，
e, ec = {_5，_4，_3，_2，，0，1，2，3，4，5}
则其模糊子集为e, ec = {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}，子集中元素分别代表负大， 负中，负小，零，正小，正中，正大。
所述根据所述控制规则对所述模糊PID控制器的三个参数进行整定具体为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)为校正速度量；
控制量=Kp (k)e(k) + K1 (U)Yj e{i) + Kd (k)[e(k) - e(k -1)]，k 的取值为正整数。i=0
本发明提供的技术方案的有益效果是
本发明提供了一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，本发明通过肌肉模型建立起膝关节力矩和刺激电流等级之间的关系，再结合模糊PID控制器构成闭环控制系统对期望的关节力矩进行跟踪输出，不断和期望的关节力矩进行比较并调整PID控制器的参数，使输出结果更加接近期望值，其中模糊推理系统能对PID的控制参数进行整定，实现精确的控制输出，本发明是一种全新的功能性电刺激闭环精密控制技术，不仅可以帮助患者用自己的自主意识来控制功能性电刺激，从而恢复部分运动功能，而且还能有效地提高功能性电刺激器的稳定性，延迟肌疲劳，更有利于患者的训练和使用；可有效地提高FES系统准确性和稳定性，并获得可观的社会效益和经济效益。
图1为本发明提供的本发明提供的模糊PID控制器的结构示意图2为本发明提供的一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法的流程图3为本发明提供的功能性电刺激实验机理示意图4为本发明提供的功能性电刺激试验场景图5为本发明提供的模糊推理系统的结构示意图6为本发明提供的受试者的ANFIS肌肉模型结果与实际关节力矩相对误差的示意图7为本发明提供的受试者的NARMAX肌肉模型结果与实际关节力矩相对误差的示意图8为本发明提供的基于ANFIS肌肉模型的模糊PID控制追踪结果；
图9为本发明提供的基于NARMAX肌肉模型的模糊PID控制追踪结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了获取到较高精度和稳定性的电流刺激强度，对PID三个参数进行调节，实现精确的控制输出，参见图1和图2，本发明实施例提供了一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，详见下文描述
模糊推理，又称为模糊逻辑控制，其基本思想是借助于计算机和模糊集合理论来模拟人对系统的推理过程，即把人的经验形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行实时地控制被控对象的高级策略和新颖的技术方法，可有效地提高控制算法的可控性、适应性和合理性，尤其是针对复杂而用数学方程难于建模且有丰富手控经验的对象具有奇特的优势。模糊控制器核心技术就是确定模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。
101 采集小腿运动时的膝关节角度参数θ和加速度参数α，通过逆动力学推导， 获取膝关节力矩的表达式；
其中，本发明实施例中采用动力学参数膝关节力矩评估下肢动作的完成与否，膝关节力矩不受到形态学的影响，并且由运动学参数通过逆动力学推导即可获得，最重要的是与刺激电流的刺激模式有固定的关系，所以本发明实施例采用动力学参数膝关节力矩作为评估依据。
参见图3和图4，刺激电极固定于股四头肌两端，产生刺激电流使小腿运动，采集小腿运动时的膝关节角度参数θ和加速度参数α。实验过程中膝关节运动无外界摩擦，可近似看成绕膝关节转动的刚体运动，膝关节力矩可以由重力力矩和转动力矩求得。M为膝关节力矩，L为小腿重心到膝关节转轴的距离，G为小腿重力，J为小腿转动惯量，m为小腿的质量，人体下肢小腿几何特性参数的经验公式为
权利要求
1.一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，其特征在于，所述方法包括以下(1)采集小腿运动时的膝关节角度参数θ和加速度参数α，通过逆动力学推导，获取膝关节力矩的表达式；(2)根据所述膝关节力矩的表达式建立肌肉模型；(3)模糊PID控制器调整刺激电流的大小，通过所述肌肉模型获取到实际输出的膝关节力矩值；(4)将所述实际输出的膝关节力矩值与期望的膝关节力矩值做运算，获取误差Ae以及误差变化率Δ ec ；(5)将所述误差Δe、所述误差变化率Aec以及所述刺激电流输入到模糊推理系统中， 所述模糊推理系统进行处理转化为对应的模糊量；(6)所述模糊推理系统通过所述对应的模糊量获取控制规则，根据所述控制规则对所述模糊PID控制器的三个参数Kp，K1和Kd进行整定；(7)根据整定后的模糊PID控制器的三个参数调整刺激电流的大小，通过所述肌肉模型获取到新实际输出的膝关节力矩值；(8)判断所述新实际输出的膝关节力矩值和所述期望的膝关节力矩值之间的误差是否小于阈值，如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(10)；(9)流程结束；(10)重新执行步骤(1)-(8)，直到所述新实际输出的膝关节力矩值和所述期望的膝关节力矩值之间的误差小于阈值，流程结束。
2.根据权利要求1所述的一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，其特征在于，所述膝关节力矩的表达式具体为d^· βM =GxLx cos θ -Jx-= GxLx cos θ-Jxa .dt ，其中，G(N) = mXg, L(cm) = LC+LWX 体重(kg) +LsX 身高(cm), J(kg -cm2) = JC+JWX 体重+JsX 身高(cm)，m(kg) =MC+MWX 体重(kg)+MsX 身高(cm)， M为膝关节力矩、L为小腿重心到膝关节转轴的距离、G为小腿重力、J为小腿转动惯量以及m为小腿的质量。
3.根据权利要求1所述的一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，其特征在于，所述对应的模糊量具体为将所述误差Ae和所述误差变化率Aec的变化范围定义为模糊集上的论域， e, ec = {-5，-4，_3，_2，-1,0,1,2,3,4,5}则其模糊子集为e,ec = {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}，子集中元素分别代表负大，负中， 负小，零，正小，正中，正大。
4.根据权利要求1所述的一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，其特征在于，所述根据所述控制规则对所述模糊PID控制器的三个参数进行整定具体为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)为校正速度量；控制量M㈨=K作⑷+ A㈨+ &⑷[啦)_呦-I)]，k的取值为正整数。Z=O
全文摘要
本发明公开了一种功能性电刺激闭环模糊PID控制方法，获取膝关节力矩的表达式；建立肌肉模型；模糊PID控制器调整刺激电流的大小，通过肌肉模型获取到实际输出的膝关节力矩值；获取误差以及误差变化率；将误差、误差变化率以及刺激电流输入到模糊推理系统中，模糊推理系统进行处理转化为对应的模糊量；获取控制规则，根据控制规则对模糊PID控制器的三个参数进行整定；根据整定后的参数调整刺激电流的大小，通过肌肉模型获取到新实际输出的膝关节力矩值；直到新实际输出的膝关节力矩值和期望的膝关节力矩值之间的误差小于阈值，流程结束。本发明能有效地提高功能性电刺激器的稳定性、准确性和稳定性，并获得可观的社会效益和经济效益。
文档编号A61N1/36GK102488964SQ201110406179
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者万柏坤, 张力新, 明东, 朱韦西, 王春方, 綦宏志, 邱爽 申请人:天津大学