基于功能性电刺激的腕部震颤抑制系统自抗扰控制研究

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病理性震颤多发于老年人群体,发病机制较为复杂,表现为身体部位非主观意识的节律运动,常见于腕部。虽然不会危害患者生命,但会使他们的日常生活受到极大的影响。由于常规的诊疗手段都存在各自的问题,疗效不佳,难以满足患者的需求。本研究为了给患者提供一种能够满足其需求、有效的震颤抑制方案,基于功能性电刺激技术设计了用于腕部震颤抑制的辅助式抑震控制系统。针对腕部肌骨系统复杂的生理结构特点,为了保证震颤抑制控制的效果,本文将自抗扰控制应用到基于功能性电刺激的腕部震颤抑制系统的设计中,保证该系统能够在有效抑制腕部震颤的同时输出更安全、舒适的电刺激脉冲信号,其中主要的研究内容如下:(1)采用Hammerstein模型结构对腕部桡侧肌肉及桡骨进行建模,根据实际实验环节中肌肉刺激特性,对肌骨模型进行了简化,设计了参数辨识实验,并通过验证发现所建模型能够较好地反应电刺激条件下腕部肌骨系统的输出响应特性。(2)考虑腕部肌骨系统模型存在建模误差,且实际肌骨系统具有不确定性,本研究将自抗扰控制应用到腕部震颤抑制控制系统的设计中,并结合使用模型线性化控制实现了对该系统包含非线性及建模不确定性为内扰、震颤信号等为外扰在内的总扰动的估计和消除,保证系统的控制精度。(3)本研究考虑了实际应用过程中输出端口存在的测量噪声对于震颤抑制控制系统的影响,设计了基于级联控制策略的自抗扰控制方案,并从频域角度分析了噪声对于自抗扰控制器性能的影响,进而提出了一种改进的控制方案,将模型辅助型自抗扰控制器作为级联结构的内环,设计出了改进型级联自抗扰控制器。(4)对设计的不同控制器进行了数值仿真及比较分析,参照仿真的数据依托于本研究搭建的腕部震颤抑制系统开展了实验验证,制定了人体诱发性震颤抑制实验的相应方案,并设置了不同控制器的对比实验,实验结果表明本文提出的改进型级联自抗扰控制器其震颤抑制能力更高、控制性能更优异。
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