功能性電刺激下肌肉疲勞自適應的關節運動控制

《功能性電刺激下肌肉疲勞自適應的關節運動控制》是依託華中科技大學，由張琴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：功能性電刺激下肌肉疲勞自適應的關節運動控制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張琴
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

恢復和代償因神經系統損傷而導致的運動功能缺失是康復醫療工程的重要目標。功能性電刺激技術不僅可提高患者的運動功能，還在預防肌肉萎縮等方面具有重要的臨床意義。然而，電刺激下肌肉快速疲勞會導致肌力下降，且疲勞本身具有複雜、時變的動態特性，增加了準確控制關節運動的難度，限制了其套用範圍。針對目前尚待解決的肌肉疲勞補償問題，本項目擬基於肌電信號開展肌肉疲勞自適應的關節運動控制研究。首先，基於肌肉協同機制，對協同肌群多通道非平穩的表面肌電信號進行分析處理，利用主元分析的方法提取疲勞肌電特徵量，並建立基於肌電特徵量的關節運動預測模型；然後，根據肌電特徵的動態特性，監測及評估肌肉疲勞的動態特性，利用卡爾曼濾波進行關節運動預測模型的參數辨識；受中樞神經控制系統啟發，採用具有前饋和反饋環節的預測控制方法，實現基於肌電信號的疲勞自適應關節運動控制。最後，以維持膝關節的姿態為例對所提出的研究方法進行實驗驗證。

結題摘要

恢復和代償因神經系統損傷而導致的運動功能缺失是康復醫療工程的重要目標。功能性電刺激技術不僅可提高患者的運動功能，還在預防肌肉萎縮等方面具有重要的臨床意義。然而，電刺激下肌肉快速疲勞會導致肌力下降，且疲勞本身具有複雜、時變的動態特性，增加了準確控制關節運動的難度，限制了其套用範圍。針對目前尚待解決的肌肉疲勞補償問題，本項目開展電刺激下肌肉疲勞及外部干擾自適應的關節運動控制研究。首先，基於肌肉活動和肌肉協同機制，對協同肌群多通道非平穩的表面肌電信號進行分析處理，利用主元分析、獨立成分分析等方法對肌電信號進行預處理，提取肌電特徵量，基於模式識別與機器學習技術實現了關節運動模式的識別與連續運動的估計；其次，根據基於生理學研究成果建立了肌骨骼系統模型，利用最小二乘等方法對模型參數進行了辨識，並通過了實驗驗證；最後，提出了基於神經網路滑模控制算法的電刺激控制方法，並以電刺激誘發膝關節運動為例，並對控制方法在肌肉疲勞和外部干擾自適應方面的性能進行了仿真和實驗驗證。