【摘要】：近年來(lái),功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)在肢體康復(fù)治療中得到廣泛應(yīng)用,成為智能康復(fù)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。FES指通過(guò)電刺激刺激失去神經(jīng)控制的肌肉,使肌肉產(chǎn)生收縮,從而恢復(fù)人體特定部位功能的前沿技術(shù),其有效性取決于刺激時(shí)間、刺激強(qiáng)度的精確控制。隨著FES系統(tǒng)從開(kāi)環(huán)向閉環(huán)趨勢(shì)發(fā)展,建立電刺激下關(guān)節(jié)角度的模型是研究FES閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,本文利用FES與姿態(tài)傳感器搭建人體實(shí)驗(yàn)平臺(tái),探究FES調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)角度響應(yīng)特性。從現(xiàn)象學(xué)出發(fā),利用遺傳算法訓(xùn)練基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的H(Hammerstein)模型;從機(jī)理學(xué)出發(fā),推導(dǎo)FES至踝關(guān)節(jié)角度的機(jī)理模型,利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)算法辨識(shí)機(jī)理模型未知參數(shù):建立兩種FES下的踝關(guān)節(jié)角度模型后,對(duì)兩種模型進(jìn)行比較與討論。具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,以姿態(tài)傳感器與電刺激儀搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),基于不同的實(shí)驗(yàn)個(gè)體開(kāi)展FES調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)角度實(shí)驗(yàn)。將電刺激頻率25Hz、幅值25mA作為固定電刺激參數(shù),探究電刺激脈寬變化對(duì)踝關(guān)節(jié)角度的影響。結(jié)果表明,電刺激激勵(lì)下踝關(guān)節(jié)角度表現(xiàn)出滯后性、非線性、時(shí)變性,為后續(xù)建立踝關(guān)節(jié)模型提供理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從現(xiàn)象學(xué)出發(fā),建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的H模型。通過(guò)遺傳算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),將在體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用十折交叉法驗(yàn)證該模型。結(jié)果表明,H模型能夠有效預(yù)測(cè)電刺激下踝關(guān)節(jié)的角度變化。再次,從機(jī)理學(xué)方法出發(fā),分析踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、FES下肌肉收縮動(dòng)力學(xué)與拉格朗日逆動(dòng)力學(xué)過(guò)程,推導(dǎo)在電刺激下的踝關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型。機(jī)理模型雖具有更好的解釋性,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且參數(shù)較多難以辨識(shí),本文對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,應(yīng)用EKF算法對(duì)模型未知參數(shù)展開(kāi)辨識(shí)。結(jié)果表明,該模型能有效的預(yù)測(cè)電刺激參數(shù)下踝關(guān)節(jié)角度變化的響應(yīng)。最后,對(duì)比與分析兩種模型在不同個(gè)體,不同電刺激輸入序列下的模型誤差,結(jié)果表明基于機(jī)理學(xué)方法的踝關(guān)節(jié)肌肉骨骼模型的歸一化均方根誤差值(NRMSE)平均低于20%,基于現(xiàn)象學(xué)方法的H模型NRMSE平均低于30%。本文建立的兩種模型都能較好的預(yù)測(cè)踝關(guān)節(jié)角度變化,對(duì)比模型的準(zhǔn)確性,魯棒性,機(jī)理模型略優(yōu)。本文研究為電刺激參數(shù)配置的優(yōu)化調(diào)整、探索FES調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度特性、提高電刺激閉環(huán)治療系統(tǒng)的準(zhǔn)確性奠定研究基礎(chǔ)。
【圖文】：

本章將展開(kāi)ＦＥＳ調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)角度實(shí)驗(yàn)研究，首先總體介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、感器的基本信息、踝關(guān)節(jié)角度計(jì)算方法以及功能性電刺激設(shè)備的說(shuō)明。其了不同電刺激參數(shù)下采集踝關(guān)節(jié)角度實(shí)驗(yàn)，，從而確定不同個(gè)體適宜的電刺。以該電刺激參數(shù)作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，改變電刺激脈寬波形，開(kāi)展電刺激實(shí)驗(yàn)，探宄踝關(guān)節(jié)角度在電刺激下的響應(yīng)特性，為ＦＥＳ更加準(zhǔn)確的治療障礙提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)與理論基礎(chǔ)。逡逑基于姿態(tài)傳感器的ＦＥＳ實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)逡逑．１基于姿態(tài)傳感竊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)ｔ合建逡逑電刺激激勵(lì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由功能性電刺激器，姿態(tài)傳感器，逡逑組成，如圖２－１所示。其中姿態(tài)傳感器由主Ｔｒｉｇｏｎ邋Ｌａｂ無(wú)線基站、從姿態(tài)模塊組成。逡逑

（２）功能性電刺激儀逡逑研宄表明恒定電流刺激的效果優(yōu)于恒定電壓刺激的效果［３５］，本文采用的電刺逡逑激設(shè)備為恒流源，為德國(guó)的ＭｏｔｉｏｎＳｔｉｍ電刺激治療儀，如圖２－３邋（ａ）所示。實(shí)逡逑驗(yàn)采用４邋ｃｍｘ４邋ｃｍ的理療電極如圖２－３邋（ｂ）所示。逡逑（ａ）電刺激儀邐（ｂ）理療電極外觀逡逑圖２－３電刺激設(shè)備外觀圖逡逑電刺激儀輸出為恒流信號(hào)，有８?jìng)�(gè)通道，每個(gè)通道電刺激幅值可調(diào)范圍為１逡逑ｍＡ邋￣邋１２５邋ｍＡ，電刺激脈寬可調(diào)范圍為１０畔？５００畔。電刺激頻率可調(diào)范圍為１邋Ｈｚ逡逑￣邋９９邋Ｈｚ。負(fù)載阻抗為１邋ｋｎ。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置電刺激儀為科學(xué)模式檔，用于Ｍａｔｌａｂ、逡逑Ｃ＋＋等軟件自定義程序控制刺激電流、刺激脈寬的二次開(kāi)發(fā)。其Ｍａｔｌａｂ的上位機(jī)逡逑在線編程界面如圖２－４所示。逡逑１０逡逑
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R496;TP212

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本文編號(hào)：2613060