基于机理-数据混合模型的FES手功能康复系统迭代学习控制
批准号:
62103376
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
霍本岩
依托单位:
学科分类:
机器人学与智能系统
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
霍本岩
中文摘要
功能性电刺激(FES)手部康复系统能够尽早介入康复治疗、缓解手功能障碍、恢复手部自主运动能力。但FES手功能康复系统存在模型不精确、控制精度低的瓶颈,无法满足手功能康复的需求。本项目针对FES手功能康复系统的瓶颈问题开展研究,具体研究内容为:融合机理和数据模型建立手功能康复系统串级混合模型,研究模型动态更新方法;建立混合模型的卷积矩阵表达,构建基于模型的非线性范数最优迭代学习控制(NOILC),融合NOILC和模型预测控制建立变权重迭代学习算法,提出动态轨迹生成和基于策略的遗忘机制,解决康复运动迭代学习控制的初始位置不确定和非周期性主观运动干扰的问题;考虑输入梯度约束,建立柔性康复运动控制方法,提高康复运动控制精度和舒适度。最后,开发FES手功能康复平台,测试和完善所提出的控制策略。本项目研究将突破FES手功能辅助康复的瓶颈,为手功能康复提供理论支撑和解决方案。
英文摘要
Functional electrical stimulation (FES) based hand rehabilitation system could be involved in the rehabilitation as earlier as possible to relieve hand dysfunction and recover the voluntary movement ability. However, due to the shortcomings in FES-based hand rehabilitation system, such as inaccurate modeling and low control accuracy, the requirements of hand rehabilitation are not met. Aiming at the bottlenecks of FES hand rehabilitation system, a hybrid model of hand rehabilitation system is established by fusing mechanism and data model, and the model updating method is studied. The convolution matrix of the hybrid model is set up, based on which a model-based nonlinear norm optimal iterative learning control method (NOILC) is founded. Then, a variable weight iterative learning control algorithm is proposed by fusing NOILC and model predictive control. To deal with initial value uncertainty and aperiodic voluntary movements, a trajectory dynamic generating method and a forgetting mechanism are proposed. To improve the control precision and comfort level of rehabilitation movements, a flexible rehabilitation movement control method is presented based on the constraint of input gradient. In the end, a FES-based hand rehabilitation platform is built and the proposed methods are verified. The research will break through the bottlenecks in FES-based hand rehabilitation system, provide theoretical and technical support for FES-based hand rehabilitation.
功能性电刺激(FES)康复系统能够尽早介入康复治疗、缓解功能障碍、恢复自主运动能力。但FES康复系统存在模型不精确、个体适应性差、控制精度低的瓶颈,本项围绕FES康复系统中存在的精确建模和控制问题,采用理论分析、仿真优化和实验验证相结合的研究方法,开展肌骨系统建模、康复运动控制、电极阵列优化等研究,主要研究成果如下:.首先,提出了一种机理-数据混合建模方法,构建了预训练数据集,实现模型的预训练,提高了模型的在线收敛速度;其次,基于该混合模型,融合迭代学习控制方法,提出了神经网络参数最优迭代学习控制方法;之后,针对肌力跟踪控制问题开展研究,构建带有时滞的Hammerstein模型和混合自抗扰控制方法,实现肌力的精确跟踪;然后,针对高龄人群高发的意向性震颤,开展震颤抑制方法研究,提出融合H∞控制和高阶重复控制的方法,经临床实验验证,该方法的震颤抑制率达到84.97%,高于低阶重复控制和传统基于滤波的抑制方法分别为11%和31%;针对肌肉疲劳等导致的肌骨系统参数时变问题,提出了自抗扰控制与高阶重复控制融合的震颤抑制算法,该算法将震颤抑制率进一步提高到87.76%;针对手部康复运动控制问题,本项目通过建立手指关节运动与电极阵列之间的映射矩阵,对手部肌骨动力学模型进行简化。提出变遗忘因子的迭代学习控制方法,实现给定手势的手部康复运动控制,并开发了手部康复系统原理样机对所提出方法进行验证;最后,针对肌肉收缩时形态变化导致最佳功能性电刺激点变化的问题,本项目提出了基于电极阵列的刺激电极优化方法。通过将电极阵列的电极分组,构建等效电极,提高了功能性电刺激位置的精细度。建立电极优化策略,实现电极的动态切换控制,提高了控制效果,降低了肌肉疲劳度。.本项目针对FES康复系统中的关键问题开展研究,提出了多种建模和控制方法,为康复理论的发展提出了理论支撑,在研究的过程中开发了多套原理样机,对所提出方法进行了验证,相关技术将助力康复设备和系统的发展。
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