人工与自主控制融合的功能性电刺激运动康复系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种康复系统，具体地，涉及一种人工控制与自主控制融合的功能性 电刺激运动康复系统。
【背景技术】
[0002] 上世纪60年代末，功能性电刺激作为一种新兴的康复技术，广泛地应用于医疗及 康复领域。目前，成熟的商业化功能性电刺激器有很多，著名的有德国的MotionStim，以及 西班牙的Compex等。功能性电刺激通过电脉冲刺激肌肉收缩，帮助运动功能丧失者产生预 先设定的运动功能。但由于肌骨系统的非线性及时变，使得控制算法非常复杂，加上肌肉的 易疲劳性，大大限制了功能性电刺激的应用。
[0003] 目前，电刺激疗法忽略了病人残余的自主运动能力。在接受电刺激理疗时，患者完 全处于被动模式下，病人的自主运动能力被抑制，这不利于增强大脑可塑性以及康复效果。
[0004] 经文献检索发现，中国专利公开号CN101846977A，专利名称为：功能性电刺激关 节角度遗传模糊控制方法，申请日为2010年05月26日。该发明综合模糊控制与遗传算 法，实现电刺激运动的精密控制。该专利存在以下技术问题：1、没有加入肌肉前馈控制器； 2、无法融合受试者的自主运动意识。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种人工控制与自主控制融合的功 能性电刺激运动康复系统及方法，试图将病人的自主运动意识融合到电刺激理疗中，通过 这种控制模式，可将受试者的自主运动意识融合到康复训练中，实现精密的运动训练，提高 现有功能性电刺激的康复效果。
[0006] 本发明以肘关节为实例，是通过以下技术方案实现的。
[0007] -种人工控制与自主控制融合的功能性电刺激运动康复系统，建立了包含三个模 块的闭环控制系统：前馈控制器、PID反馈控制器及阻抗控制器；
[0008] 其中，前馈控制器采用神经网络模型，它根据关节角度及时生成一个功能性电刺 激强度，保证控制系统的响应速度；PID反馈控制器保证系统的抗干扰能力；阻抗控制器根 据自主力得到角度，附加到原先设定的关节角度，实现自主力与功能性电刺激的协同工作。
[0009] 优选地，所述前馈控制器采用3层反向传播网络的BP神经网络，
[0010] 其中，网络模型的输入是关节角度、速度、加速度及过去的功能性电刺激强度，输 出是当前功能性电刺激的电流强度；神经网络训练通过梯度下降法训练；为了提高网络的 稳定性，网络的初值通过遗传算法确定。
[0011] 优选地，PID反馈控制器是为了提高系统的抗干扰能力；
[0012] 其中，PID反馈控制器参数通过Ziegler-Nichols方法整定，反馈角度通过商用仪 器 Biometrics 得到。
[0013] 优选地，所述PiD控制器与前馈控制器的连接，通过引入一个延时环节r1实现。
[0014] 其中，延时环节r1的n与控制系统的采样周期有关，实际中可通过穷举试探获得 一个合适的值；
[0015] 优选地，所述阻抗控制器通过二阶微分方程实现；
[0016] 其中，阻抗控制器的输入是自主力，输出是附加角度。
[0017] 优选地，所述自主力是通过测量与此关节运动相关肌肉的肌电信号获得的；
[0018] 其中，肌肉选取为肱二头肌，肌电信号是通过商用仪器Biometrics测量的；肌电 信号与自主力的关系认为是比例线性关系。
[0019] 优选地，所述肌电信号需要通过两次滤波处理；
[0020] 其中，第一次滤波是屏蔽处理，去除电刺激尾迹；第二次是梳状滤波，去除M波尾 迹。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0022] 本发明通过三个模块的协调控制，能融合病人的自主运动意识于康复训练中，为 患者提供更有效的康复治疗，具有以下优点：
[0023] 1.融合患者的自主运动意图
[0024] 患者在进行康复训练时，可通过残留自主力去改变预先设定的运动轨迹，将自主 运动意图融入到新的轨迹中。。
[0025] 2.增强了系统的柔顺性，降低系统复杂度
[0026] 由于引入了阻抗控制模型，增强了系统的柔顺性，使得自主力与功能性电刺激协 同工作；而阻抗模型需要确定的参数很少，降低了由自主力到关节角度的复杂度。
【附图说明】
[0027] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0028] 图1为本发明的具体实施控制框图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0030] 本发明提供的人工控制与自主控制融合的功能性电刺激运动康复系统，图1所示 整体实施框图，包括：前馈控制器UPID反馈控制器2、肌电信号去尾迹滤波模块3、阻抗控 制器4、延时模块5、功能性电刺激模块6和自主控制模块7,其中的CPd表示预先设定的运动 角度曲线，(Pm表示实际运动角度，^Pa表示由阻抗模型生成的附加关节角度。
[0031] 前馈控制器1包括：基于遗传算法的3层反向传播神经网络。其中，网络模型的输 入是关节角度、速度、加速度及过去的功能性电刺激强度，输出是当前功能性电刺激的电流 强度；神经网络训练通过梯度下降法训练；网络的初值通过遗传算法确定。
[0032] PID反馈控制器2包括：PID控制器。其中PID控制器有三个参数：比例增益KP、 积分增益KI和微分增益KD ;三个参数通过Ziegler-Nichols方法确定。