P型迭代学习控制法在上肢FNS反馈控制中的应用
作者：毕胜 嫣达来 王福根 窦惠芳 周兆英
单位：毕胜(解放军总医院康复医学科，北京复兴路28号，100853)；王福根(解放军总医院康复医学科，北京复兴路28号，100853)；嫣达来(北京清华大学精密仪器与机械学系)；窦惠芳(北京清华大学精密仪器与机械学系)；周兆英(北京清华大学精密仪器与机械学系)
关键词：功能性电刺激；P型迭代学习控制；偏瘫
中国康复医学杂志000113 摘要 目的：探讨闭环控制在功能性电刺激中的应用，根据反馈信号来实时调节控制刺激的输出强度。方法：利用P型迭代学习控制方法，对正常人和偏瘫患者上肢肘关节运动角度分别进行了运动反馈控制研究。结果及结论：迭代学习控制，算法简单，参数易调整，控制量变化平缓，轨迹跟踪精度高。在对正常人和瘫痪患者上肢肘关节的运动控制中，基本能达到预期效果。
Application of P-type iterative learning control in functional neuromuscular stimulation feedback control for upper limbs
, 百拇医药
BI Sheng,YAN Dalai,WANG Fugen,et al
Dept. of Rehabilitation, The Genenal Hosptital of PLA, Beijing,100853
Abstract Objective:To study closed-loop control in use of functional neuromuscular stimulation. Stimulation output strength can be real-time regulated according to feedback signals.Method:To use P-type iterative learning control (ILC) on normal person and hemiplegic patient by upper extremity elbow joint movement angle feedback control.Result & Conclusion:P-type ILC is a simple algorithm, and the parameter is easy adjusted, variable change controlled smothly, and trace tracking accruacy is high. Inmovement control of normal person and hemiplegic patient, it primarily reaches the expected effects.
, 百拇医药
Key words Functional neuromuscular stimulation;P-type iterative learning control;Hemiplegia
自1961年Liberson利用腓神经刺激矫正偏瘫患者足下垂成功后，功能性电刺激已广泛应用于临床，用于偏瘫和截瘫患者肢体的功能重建〔1〕。其中闭环控制是功能性电刺激的重要方面，刺激的输出强度可根据反馈信号来实时调节。
本研究利用P型迭代学习控制方法，对正常人和偏瘫患者上肢肘关节运动角度分别进行了运动反馈控制研究。
1 实验方法
1.1 仪器
功能性神经肌肉信号识别和电刺激系统：该系统由清华大学与解放军总医院联合研制，该系统可以进行肌电信号、关节运动角度、肌肉收缩力量的测量，并能够反馈输出电刺激。角位移传感器：由上海新跃仪表厂制造，型号WDD35D。
, 百拇医药
1.2 方法
受试者坐位，右上肢及腕部固定，肘关节可进行屈伸活动，其运动角度通过角度传感器输入；右上肢肱二头肌运动点放置两块刺激电极，面积70mm×20mm。 通过计算机设置：刺激输出为20Hz,输出的预期角度，及迭代学习的参数，以刺激脉宽作为刺激变量。
2 结果
见图1～3。
图1 刺激控制测试1
图2 刺激控制测试2 主动收缩
, 百拇医药
图3 刺激控制测试2 刺激控制下收缩
刺激控制测试1：受试者28岁，男性，正常人。刺激电压为40V，最大刺激脉宽35μs，期望变化角度为25°，迭代学习控制(iterative learning control,ILC)的迭代增益为0.01，ILC比例系数为0.013，ILC微分系数为0.008。
刺激控制测试2：受试者60岁，女性，内囊梗塞，右侧肢体运动障碍1个月。刺激电压为60V，最大刺激脉宽80μs，期望变化角度为30°，ILC迭代增益为0.015，ILC比例系数为0.015，ILC微分系数为0.015。
3 讨论
在功能性电刺激(functional neuromuscular stimulation,FNS)闭环控制系统中，电刺激模式是根据系统的实际输出与系统的期望输出之差，再通过控制算法得到的。闭环系统的类型以被检测量〔2〕的类型可分为：① 以肌肉收缩力作为反馈量的力闭环系统；②以关节运动角度为反馈量的位置或运动轨迹闭环控制系统；③以能够综合反应肌肉收缩大小的肌电信号为反馈量的闭环系统；④以上2～3被测量构成的闭环反馈系统。
, 百拇医药
目前已在实验室进行了大量的动物和人体实验的控制方法有比例积分〔3〕控制，比例微分〔4〕控制和比例积分微分〔5〕控制。采用固定参数控制方法(比例积分、比例微分和比例积分微分的算法)已在肘关节位置控制、踝关节力矩控制，以及站立和行走时膝关节和髋关节轨迹控制方面取得了较好的效果。实验表明闭环控制方法可提高肌肉的收缩反应速度，在一定程度上可以有效地抑制干扰。但是由于FNS系统本身的非线性、时滞和时变性，采用固定参数的控制方法，在控制精度上很难达到理想的效果。学习迭代控制器最早由Arimoto〔6〕提出，他设计的是针对线性时变系统的D型迭代学习控制器，形式为：
ui+1(t)是第i+1次控制器的输出，L是学习因子，yd(t), yi(t)分别是系统的期望输出和第i次输出。ILC已用于机器人重复操作控制，如喷漆、抓持；电机控制以及硬盘、光盘驱动系统控制，特别是在具有重复运动轨迹跟踪控制方面取得了明显控制效果。但本系统将其用于人类肢体运动控制尚属首次。
, 百拇医药
系统采用的比例微分+ILC的算法如下：
其中Z(t)为控制器输出，i为迭代次数，
p是学习增益，kp, kd是比例微分控制器的系数，
θ(t)是实测角度，θd(t)是期望角度。当p为0，上式即退化为比例微分控制。结果表明：采用迭代学习控制，算法简单，参数易调整，控制量变化平缓，刺激时受试者感觉舒服，轨迹跟踪精度高。在对正常人和瘫痪患者上肢肘关节的运动控制中，基本能达到预期效果，为FNS在临床上的应用提供了一个新的控制方法。
, 百拇医药
4 参考文献
1，Liberson,W.T. Holmquest,H.I. and Scott,D.Functional electrotherapy in stimulation of the personal nerve synchronized with the swing phase of the gait of hemiplegic patients.Arch Phys Med Rehab, 1962， 42：101-107
2，Popovic,R.D.Stein,R.B.and Jovanovic,K.L.et al.Sensory nerve recording for closed-loop control to restore motor functions.IEEE Trans Biomed Eng,1993,40：1024-1031.
3，Crago,P.E.,Mortimer,J.T.and Peckham,P.H.Closed-loop control of force during electrical stimulation of muscle.IEEE Trans Biomed Eng,1980,27:306-312.
, http://www.100md.com
4，Abbas,J.J.and Chizeck,H.J.Neural network control of functional neuromuscular stimulation systems:computer stimulation studies. IEEE Trans Biomed Eng,1995,42： 1117-1127.
5，Jaeger,R.J.Design and stimulation of closed-loop electrical stimulation orthoses for restoration of quiet standing in paraplegic. J Biomechan,1986,19：825-835.
6，Arimoto,S.Kawamura,S.and Miyazaki,F.Bttering operation of robots by learning.J Robotics Systems，1984,1：123-140.
致谢：解放军总医院神经内科主治医师刘军在本实验中大力协助，特致谢!
收稿日期：1999-05-09, 百拇医药
单位：毕胜(解放军总医院康复医学科，北京复兴路28号，100853)；王福根(解放军总医院康复医学科，北京复兴路28号，100853)；嫣达来(北京清华大学精密仪器与机械学系)；窦惠芳(北京清华大学精密仪器与机械学系)；周兆英(北京清华大学精密仪器与机械学系)
关键词：功能性电刺激；P型迭代学习控制；偏瘫
中国康复医学杂志000113 摘要 目的：探讨闭环控制在功能性电刺激中的应用，根据反馈信号来实时调节控制刺激的输出强度。方法：利用P型迭代学习控制方法，对正常人和偏瘫患者上肢肘关节运动角度分别进行了运动反馈控制研究。结果及结论：迭代学习控制，算法简单，参数易调整，控制量变化平缓，轨迹跟踪精度高。在对正常人和瘫痪患者上肢肘关节的运动控制中，基本能达到预期效果。
Application of P-type iterative learning control in functional neuromuscular stimulation feedback control for upper limbs
, 百拇医药
BI Sheng,YAN Dalai,WANG Fugen,et al
Dept. of Rehabilitation, The Genenal Hosptital of PLA, Beijing,100853
Abstract Objective:To study closed-loop control in use of functional neuromuscular stimulation. Stimulation output strength can be real-time regulated according to feedback signals.Method:To use P-type iterative learning control (ILC) on normal person and hemiplegic patient by upper extremity elbow joint movement angle feedback control.Result & Conclusion:P-type ILC is a simple algorithm, and the parameter is easy adjusted, variable change controlled smothly, and trace tracking accruacy is high. Inmovement control of normal person and hemiplegic patient, it primarily reaches the expected effects.
, 百拇医药
Key words Functional neuromuscular stimulation;P-type iterative learning control;Hemiplegia
自1961年Liberson利用腓神经刺激矫正偏瘫患者足下垂成功后，功能性电刺激已广泛应用于临床，用于偏瘫和截瘫患者肢体的功能重建〔1〕。其中闭环控制是功能性电刺激的重要方面，刺激的输出强度可根据反馈信号来实时调节。
本研究利用P型迭代学习控制方法，对正常人和偏瘫患者上肢肘关节运动角度分别进行了运动反馈控制研究。
1 实验方法
1.1 仪器
功能性神经肌肉信号识别和电刺激系统：该系统由清华大学与解放军总医院联合研制，该系统可以进行肌电信号、关节运动角度、肌肉收缩力量的测量，并能够反馈输出电刺激。角位移传感器：由上海新跃仪表厂制造，型号WDD35D。
, 百拇医药
1.2 方法
受试者坐位，右上肢及腕部固定，肘关节可进行屈伸活动，其运动角度通过角度传感器输入；右上肢肱二头肌运动点放置两块刺激电极，面积70mm×20mm。 通过计算机设置：刺激输出为20Hz,输出的预期角度，及迭代学习的参数，以刺激脉宽作为刺激变量。
2 结果
见图1～3。
图1 刺激控制测试1
图2 刺激控制测试2 主动收缩
, 百拇医药
图3 刺激控制测试2 刺激控制下收缩
刺激控制测试1：受试者28岁，男性，正常人。刺激电压为40V，最大刺激脉宽35μs，期望变化角度为25°，迭代学习控制(iterative learning control,ILC)的迭代增益为0.01，ILC比例系数为0.013，ILC微分系数为0.008。
刺激控制测试2：受试者60岁，女性，内囊梗塞，右侧肢体运动障碍1个月。刺激电压为60V，最大刺激脉宽80μs，期望变化角度为30°，ILC迭代增益为0.015，ILC比例系数为0.015，ILC微分系数为0.015。
3 讨论
在功能性电刺激(functional neuromuscular stimulation,FNS)闭环控制系统中，电刺激模式是根据系统的实际输出与系统的期望输出之差，再通过控制算法得到的。闭环系统的类型以被检测量〔2〕的类型可分为：① 以肌肉收缩力作为反馈量的力闭环系统；②以关节运动角度为反馈量的位置或运动轨迹闭环控制系统；③以能够综合反应肌肉收缩大小的肌电信号为反馈量的闭环系统；④以上2～3被测量构成的闭环反馈系统。
, 百拇医药
目前已在实验室进行了大量的动物和人体实验的控制方法有比例积分〔3〕控制，比例微分〔4〕控制和比例积分微分〔5〕控制。采用固定参数控制方法(比例积分、比例微分和比例积分微分的算法)已在肘关节位置控制、踝关节力矩控制，以及站立和行走时膝关节和髋关节轨迹控制方面取得了较好的效果。实验表明闭环控制方法可提高肌肉的收缩反应速度，在一定程度上可以有效地抑制干扰。但是由于FNS系统本身的非线性、时滞和时变性，采用固定参数的控制方法，在控制精度上很难达到理想的效果。学习迭代控制器最早由Arimoto〔6〕提出，他设计的是针对线性时变系统的D型迭代学习控制器，形式为：
ui+1(t)是第i+1次控制器的输出，L是学习因子，yd(t), yi(t)分别是系统的期望输出和第i次输出。ILC已用于机器人重复操作控制，如喷漆、抓持；电机控制以及硬盘、光盘驱动系统控制，特别是在具有重复运动轨迹跟踪控制方面取得了明显控制效果。但本系统将其用于人类肢体运动控制尚属首次。
, 百拇医药
系统采用的比例微分+ILC的算法如下：
其中Z(t)为控制器输出，i为迭代次数，
p是学习增益，kp, kd是比例微分控制器的系数，θ(t)是实测角度，θd(t)是期望角度。当
p为0，上式即退化为比例微分控制。结果表明：采用迭代学习控制，算法简单，参数易调整，控制量变化平缓，刺激时受试者感觉舒服，轨迹跟踪精度高。在对正常人和瘫痪患者上肢肘关节的运动控制中，基本能达到预期效果，为FNS在临床上的应用提供了一个新的控制方法。, 百拇医药
4 参考文献
1，Liberson,W.T. Holmquest,H.I. and Scott,D.Functional electrotherapy in stimulation of the personal nerve synchronized with the swing phase of the gait of hemiplegic patients.Arch Phys Med Rehab, 1962， 42：101-107
2，Popovic,R.D.Stein,R.B.and Jovanovic,K.L.et al.Sensory nerve recording for closed-loop control to restore motor functions.IEEE Trans Biomed Eng,1993,40：1024-1031.
3，Crago,P.E.,Mortimer,J.T.and Peckham,P.H.Closed-loop control of force during electrical stimulation of muscle.IEEE Trans Biomed Eng,1980,27:306-312.
, http://www.100md.com
4，Abbas,J.J.and Chizeck,H.J.Neural network control of functional neuromuscular stimulation systems:computer stimulation studies. IEEE Trans Biomed Eng,1995,42： 1117-1127.
5，Jaeger,R.J.Design and stimulation of closed-loop electrical stimulation orthoses for restoration of quiet standing in paraplegic. J Biomechan,1986,19：825-835.
6，Arimoto,S.Kawamura,S.and Miyazaki,F.Bttering operation of robots by learning.J Robotics Systems，1984,1：123-140.
致谢：解放军总医院神经内科主治医师刘军在本实验中大力协助，特致谢!
收稿日期：1999-05-09, 百拇医药