一种基于模糊PID神经网络的软性脊柱侧弯支具系统的制作方法

一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统
技术领域
1.本发明涉及脊柱支具技术领域，具体涉及一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统。


背景技术：

2.青少年特发性脊柱侧弯（ais）：指青春期或骨骼成熟前（年龄10-18岁），冠状面上cobb角＞10
°
，伴有椎体的旋转而无其他器质性病变的一种常见病，约占全部脊柱侧凸的80%。已成为全球青少年继视力异常、肥胖、包茎和社会心理障碍后的第5大常见病。
3.脊柱侧弯治疗方式分非手术治疗与手术治疗。非手术治疗通常是脊柱侧弯在早期时的治疗手段，目的是防止或纠正脊柱的侧弯程度。脊柱侧弯在治疗上应根据患者脊柱的畸形程度、年龄、躯干平衡程度等因素判断是否需要手术治疗。如患者为青少年，应选择非手术治疗。其中，脊柱侧弯cobb角20
°
到40
°
阶段，主要以支具佩戴为主。但是仍有其无法克服的问题：（1）当脊柱cobb角度在20-30度，佩戴传统硬性支具时，脊柱椎旁肌肉无法主动等张和等长收缩，会造成医源性的肌肉萎缩，促使侧弯cobb角度的恶性进展；（2）部分专家学者对特发性脊柱侧弯患儿研究了传统硬性支具治疗前后的心理变化，其结果发现传统支具治疗前认为人格正常的134例患儿中，有108例（80.6%）在支具治疗后1个月出现“人格异常”，19%的侧弯患者有真正的心理紊乱。心理疾病极大影响患儿治疗的依从性和治疗效果。
4.因此，如何通过有效的方法解决硬性支具的佩戴痛点进而改善患者心理状态是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统。
6.本发明提供了一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统，包括：支具主体、监测组件、控制子系统、自适应调节组件、滑动导轨以及背带；支具主体包括背板和固定带；背板贴于人体腰部，固定带沿腰围布置，固定带用于固定背板；监测组件贴于人体皮肤上，并与控制子系统电连接；监测组件用于对人体姿态进行检测，将检测信号传递至控制子系统；控制子系统设置于背板上；控制子系统的输出端与自适应调节组件的输出端电连接；控制子系统用于根据检测信号控制自适应调节组件工作；自适应调节组件设置于背板上，自适应调节组件的输出端与滑动导轨连接；自适应调节组件用于调节滑动导轨移动；背带一端端部与滑动导轨连接，另一端与位于胸前的固定带连接。
7.优选的，监测组件包括陀螺仪传感器、倾角传感器、分布式触觉传感器、姿态传感器；陀螺仪传感器用于检测脊柱cobb角度、侧肩峰的高度差、以及双侧髂前上棘的高度差；倾角传感器用于检测脊柱前凸、后凸以及侧凸的变化；分布式触觉传感器用于分析脊柱校正力的大小和变化；姿态传感器贴于腰部，用于检测人体加速度信号的变化。
8.优选的，控制子系统包括多电机控制系统广义逆模型以及模糊自适应pid控制器；多电机控制系统广义逆模型用于通过神经网络算法拟合得到伪线性复合控制系统；模糊自适应pid控制器用于整定伪线性复合控制系统的误差。
9.优选的，自适应调节组件包括电机、伞齿轮换向器以及绕线器；电机与控制子系统的输出端连接；电机的输出轴与伞齿轮换向器的输入端连接；伞齿轮换向器的输出端与绕线器连接；绕线器与滑动导轨连接。
10.优选的，伞齿轮换向器包括盒体、轴底座、连接轴、传动齿轮以及动力轴；盒体一面开设有孔；轴底座设置于盒体内；连接轴一端固定于轴底座上，其对端与绕线器连接；传动齿轮固定于连接轴外围；动力轴一端设有齿轮，齿轮与传动齿轮啮合，动力轴远离齿轮一端穿过孔与电机的输出轴连接。
11.优选的，自适应调节组件还包括联轴器；联轴器布置于盒体外，且联轴器一端与孔卡接；联轴器套接于动力轴外。
12.优选的，滑动导轨包括导轨底座和滑动块；导轨底座设置于背带端部，且导轨底座上开设有长凹槽；滑动块上开设有限位孔，滑动块布置于长凹槽内；滑动块一端端部通过线束与绕线器连接；限位孔包括多个，多个限位孔用于控制滑动块的滑动距离。
13.优选的，长凹槽两侧均设置有凸起，凸起沿长凹槽长轴方向延长，且与长凹槽长轴长度一致；滑动块两侧均设置有滑动槽，滑动槽沿滑动块长轴方向延长，且与滑动块长轴长度一致；滑动槽与凸起滑动配合；凸起与滑动槽用于实现滑动块在导轨底座上滑动。
14.优选的，背带为可调式背带；背板为轻巧硬质板。
15.优选的，固定带为软性固定带，固定带两端端部通过魔术贴固定。
16.本发明技术方案，具有如下优点：1.该系统通过自适应调节组件自动调节滑动导轨移动，进而调节背带的长度，提高了患者穿戴支具时的舒适感。
17.2.该支具系统相较于传统硬性支具，提升了隐蔽性和直接感观，进而降低佩戴者的心里压力，减少心里疾病的发生。
18.3.通过监测组件、控制子系统、自适应调节组件之间的配合，使得脊柱肌肉能在正确的位置，动态施加精准的矫形扭力，激发患者椎旁肌肉的主动收缩，增加肌肉强度，提高了支具的校正效果。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施中一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统的后视
图；图2为图1所示的支具系统的正视图；图3为本发明实施中得到伪线性复合控制系统的过程示意图；图4为本发明实施中构建控制子系统的过程示意图图5为本发明实施中自适应调节组件的内部结构示意图；图6为本发明实施中滑动导轨的结构示意图；图7为本发明实施中导轨底座的结构示意图；图8为本发明实施中滑动块的结构示意图。
21.附图标记说明：1-支具主体；11-背板；12-固定带；2-监测组件；3-控制子系统；4-自适应调节组件；41-电机；42-伞齿轮换向器；421-盒体；422-轴底座；423-连接轴；424-传动齿轮；425-动力轴；426-孔；427-齿轮；43-绕线器；44-联轴器；5-滑动导轨；51-导轨底座；511-长凹槽；512-凸起；52-滑动块；521-限位孔；；522-滑动槽；6-背带；7-魔术贴。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
26.如图1、图2所示，本实施例提供了一种基于模糊pid神经网络的软性脊柱侧弯支具系统，该支具系统包括：支具主体1、监测组件2、控制子系统3、自适应调节组件4、滑动导轨5以及背带6；支具主体1包括背板11和固定带12；背板11贴于人体腰部，固定带12沿腰围布置，固定带12用于固定背板11；监测组件2贴于人体皮肤上，并与控制子系统3电连接；监测组件2用于对人体姿态
进行检测，将检测信号传递至控制子系统3；控制子系统3设置于背板11上；控制子系统3的输出端与自适应调节组件4的输出端电连接；控制子系统3用于根据检测信号控制自适应调节组件4工作；自适应调节组件4设置于背板11上，自适应调节组件4的输出端与滑动导轨5连接；自适应调节组件4用于调节滑动导轨5移动；背带6一端端部与滑动导轨5连接，另一端与位于胸前的固定带12连接。
27.通过监测组件、控制子系统、自适应调节组件之间的配合，使得脊柱肌肉能在正确的位置，动态施加精准的矫形扭力，激发患者椎旁肌肉的主动收缩，增加肌肉强度，提高了支具的校正效果。
28.在本实施例中，背带6为可调式背带；背板11为轻巧硬质板；固定带12为软性固定带，固定带12两端端部通过魔术贴7固定。该支具系统相较于传统硬性支具，提升了隐蔽性和直接感观，进而降低佩戴者的心里压力，减少心里疾病的发生。
29.进一步的，监测组件2包括陀螺仪传感器、倾角传感器、分布式触觉传感器、姿态传感器；陀螺仪传感器用于检测脊柱cobb角度、侧肩峰的高度差、以及双侧髂前上棘的高度差；倾角传感器用于检测脊柱前凸、后凸以及侧凸的变化；分布式触觉传感器用于分析脊柱校正力的大小和变化；姿态传感器贴于腰部，用于检测人体加速度信号的变化。
30.根据hueter-volkmann定律，支具保守治疗提出生物力学三点或四点矫正规律来达到对侧凸矫正的目的。支具模型参数的确定拟利用多个传感器（胸部传感器、腰部传感器、肩胛骨传感器和肱骨传感器）直接贴在患者皮肤上收集各个骨骼的动态三维运动学数据。配合x光的暴露可以更加准确得到患者初始的脊柱信息，从而确定施力点位置（hueter-volkmann定律即骨骺压力法则指出，骨骼所受压力增加，骨的生长就会受到抑制；骨骺所受压力减小，骨的生长就会加速。过度施压可抑制骺板生长，跨骺板牵张力可加速其生长）。
31.通过多传感器融合技术快速获取患者脊柱的实时姿态数据，为医护人员按需调取和查看患者的数据提供有力支撑，减少患者进入医院和进入x光检查的次数。
32.更进一步的，控制子系统3包括多电机控制系统广义逆模型以及模糊自适应pid控制器；多电机控制系统广义逆模型用于通过神经网络算法拟合得到伪线性复合控制系统；模糊自适应pid控制器用于整定伪线性复合控制系统的误差。在本实施例中，控制子系统还配备有电池。
33.如图3所示，借助于神经网络实现拟合后的逆系统，再将该逆系统串接于原系统前，从而构成两电机神经网络逆伪线性控制系统。两电机神经网络逆控制构建的伪线性系统解耦为单输入单输出子系统的极点在复平面内通过合理配置，形成稳定子系统，得到较为理想的伪线性复合控制系统。
34.在本实施例中，合理配置包括：选定合适的网格结构，并确定所用神经网络的输入、输出节点数量；激励信号采样充分，选择包含整个实验范围的数据，确保训练采样准确；保证神经网络离线训练的准确度，进而实现两电机同步系统特性的逆系统。
35.如图4所示，将模糊控制与传统pid控制技术相结合可以构成多种模糊自适应pid控制器，其具备两种控制算法的特点，基于一系列模糊判定规则，系统自动调整pid参数，实现原系统智能化pid控制，两电机神经网络逆控制系统在运行过程中随输入条件变化以及
受干扰因素影响时，也将实现在线辨识系统特征参数，实时改变控制参数，从而使控制系统始终保持动态最优控制。两电机神经网络逆伪线性控制系统具有开环稳定的线性传递关系，但神经网络在拟合原系统时会存在些许误差，是不完全线性化的，因此需加上模糊自适应pid控制器（具有闭环控制作用），从而构成了控制子系统。
36.通过将神经网络、模糊控制器与传统pid控制箱结合，根据患者运动状态的变化，从而实时调整控制参数，使得支具系统能够在较短的响应时间内闭环动态调整校正施力，具有适应性强、控制精度高的优势。
37.在本实施例中，自适应调节组件4包括电机41、伞齿轮换向器42以及绕线器43；电机41与控制子系统3的输出端连接；电机41的输出轴与伞齿轮换向器42的输入端连接；伞齿轮换向器42的输出端与绕线器43连接；绕线器43与滑动导轨5连接。
38.进一步的，如图5所示，伞齿轮换向器42包括盒体421、轴底座422、连接轴423、传动齿轮424、动力轴425以及联轴器44；盒体421一面开设有孔426；轴底座422设置于盒体421内；连接轴423一端固定于轴底座422上，其对端与绕线器43连接；传动齿轮424固定于连接轴423外围；动力轴425一端设有齿轮427，齿轮427与传动齿轮424啮合，动力轴425远离齿轮427一端穿过孔426与电机41的输出轴连接；联轴器44布置于盒体421外，且联轴器44一端与孔426卡接；联轴器44套接于动力轴425外。
39.进一步的，如图6所示，滑动导轨5包括导轨底座51和滑动块52；导轨底座51背面与背带6端部固定，导轨底座51正面开设有长凹槽511；长凹槽511两侧设置有凸起512，凸起512沿长凹槽511长轴方向延长，并与长凹槽511长轴长度一致，如图7所示。滑动块52上开设有限位孔521，滑动块52布置于长凹槽内；滑动块52一端端部可通过线束与绕线器43连接；限位孔521包括三个，每个限位孔521均用于控制滑动块52的滑动距离。另外，滑动块52两侧设置有滑动槽522，滑动槽522沿滑动块52长轴方向延长，且与滑动块52长轴长度一致，如图8所示；滑动槽522与凸起512滑动配合；通过滑动槽522与凸起512的配合，实现滑动块52在导轨底座51上滑动。
40.在本实施例中，在限位孔521中插入限位柱，或者在长凹槽511径向两侧安装挡片以达到控制滑动块52的滑动距离的效果。
41.患者穿戴好该支具系统后，通过监测组件2对人体姿态进行实时检测，得到脊柱状态信息，脊柱状态信息经过控制子系统3的信号处理后，传输给电机41，当自适应调节组件4的电机41收到信号后进行工作，电机41转动经过联轴器44以及伞齿轮换向器42能够实现绕线器43的转动，绕线器43转动带动滑动导轨5移动，最终实现背带收放，实现动态调整脊柱姿态。
42.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。