【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子学、运动学和康复医学交叉，尤其涉及一种基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统及方法。
技术介绍
1、脑卒中患者中的一部分在发病后表现为一侧肢体瘫痪，具体表现为瘫痪一侧肢体肌肉的肌力减退、肌张力异常以及运动功能障碍。针对这种情况，工程学领域采用功能性电刺激作为康复训练的常见方法，以促进受影响肌肉的康复和功能改善。通过持续使用功能性电刺激系统，患者逐渐获得额外的肌肉功能，从而有望恢复执行功能性运动的能力。
2、一般而言，当前商用或科学研发的功能性电刺激系统大都采用开环控制策略，其特点是采用一组电刺激参数，包括电流强度、频率和脉冲宽度，以及相应的刺激策略，这些参数和策略在康复过程中能够诱发瘫痪肢体产生功能性运动，促进瘫痪肌肉功能恢复，但不能确保瘫痪肢体执行功能性动作的质量，难以充分满足患者回归社会和家庭的康复需求。现有技术的主要关注点在于通过电刺激诱发产生特定或多自由度的目标动作，几乎没有关注被控肢体相对于健康肢体的动作完成度、准确性和一致性，因此，现有技术的方法难以最大程度上充分有效地促进患者的瘫痪肢体功能康复。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供一种基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统及方法，将实时的健康肢体或健康人同侧肢体姿态角作为参考数据，采用基于2型模糊pid闭环反馈的对侧控制动态调节输出脉冲技术，确保被控瘫痪肢体相对于健康肢体获得相似的动作完成度，适用于脑卒中患者偏瘫肢体复健，也适用于暂时或永久丧失自主运动能力的
2、本专利技术实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统，包括：上位机、电刺激器子系统，以及与所述电刺激子系统电性连接的运动学数据采集模块、通信模块、供电模块，其中：
4、所述运动学数据采集模块包括两个陀螺仪惯性传感器，以穿戴的形式分别安装于健康与瘫痪肢体，用于获取肢体提供的运动学数据，所述运动学数据包括健康肢体的期望姿态角与被控瘫痪肢体实际动作姿态角；
5、所述电刺激器子系统，用于根据所述运动学数据采集模块采集的所述期望姿态角和所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，利用二型模糊pid控制得到用于调节刺激脉冲的参数，并驱动功能性刺激电路生成双向恒流刺激脉冲，作用于瘫痪肢体的功能性动作刺激位点，诱发瘫痪肢体运动，达到影响所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角的效果；
6、所述通信模块与所述上位机在同一局域网内保持无线通信连接状态，用于将所述电刺激器子系统执行康复训练时产生的运动学数据无线传输至所述上位机；
7、所述上位机，用于接收所述运动学数据、并进行可视化展示；
8、所述供电模块，用于为系统中各器件供电。
9、较优地，所述电刺激器子系统包括主控处理器、功能性刺激电路和刺激电极：
10、所述主控处理器，用于接收所述运动学数据采集模块采集到的所述健康肢体期望姿态角与所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，根据姿态角误差，利用二型模糊pid控制得出用于调节刺激脉冲的参数并传输至所述功能性刺激电路；
11、所述功能性刺激电路，与所述主控处理器相连接，用于接收所述主控处理器传输的驱动信号，根据所述用于调节刺激脉冲的参数生成所述双向恒流刺激脉冲；
12、所述刺激电极，与所述功能性刺激电路的输出端相连接，本体安装在瘫痪肢体的功能性动作刺激位点皮肤表面，用于将刺激脉冲作用于瘫痪肢体，所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角在刺激脉冲的间接影响下产生变化。
13、较优地，所述二型模糊pid控制包括区间二型模糊推理和pid控制，其中：
14、所述二型模糊pid控制的输入为所述期望姿态角和所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，在进入区间二型模糊推理及pid控制之前，首先进行姿态角误差e和误差变化率de/dt的计算；
15、区间二型模糊推理过程包括输入区间映射、输入隶属度计算、输出隶属度计算、输出论域值计算和输出反区间映射，用于调节pid控制学习率增益kp、ki、kd；
16、区间二型模糊推理的输入为姿态角误差e和误差变化率de/dt，e为期望姿态角和被控瘫痪肢体实际动作姿态角的误差实际值映射值，区间二型模糊推理的输出包括比例增益kp、积分增益ki、微分增益kd；
17、pid控制的输入包括e和de/dt，pid控制的输出u用于调节脉冲宽度width，u表示为：
18、u(t)＝u(t-1)+δu(t)
19、δu(t)＝kp·(e(t)-e(t-1))+ki·e(t)+kd·(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))
20、width表示为：
21、width＝u
22、所述主控处理器驱动所述功能性刺激电路生成脉冲宽度width对应的刺激脉冲。
23、较优地，区间二型模糊推理过程中：
24、健康肢体执行自主动作过程中姿态角的取值范围在[0°,80°]，故误差实际值的取值范围在[-80°,80°]，目标映射范围为[-3,3]，令函数f表示映射[-80°,80°]→[-3,3]，e的表达式为：
25、e＝f(target-actual)
26、其中，target为所述期望姿态角，actual为所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角；
27、输入隶属度计算过程根据区间二型隶属度函数，计算输入e和de/dt对应的各个模糊集的隶属度，其中区间二型隶属度函数为不确定性轨迹fou，包含类型为三角形的上下隶属度函数；
28、输出隶属度计算过程根据模糊推理表，计算输出kp，ki和kd对应各个模糊集的隶属度；
29、输出论域值计算过程，kp、ki、kd的论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊集均为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}；输出论域值计算过程计算输出kp，ki和kd在-3～3范围内对应的值；
30、输出反区间映射过程，按照比例将输出kp，ki和kd在-3～3范围内对应的值转换为对应的实际值作为pid控制的学习率增益，其中kp实际值范围为-0.5～0.5，ki实际值范围为-0.5～0.5，kd实际值范围为-0.01～0.01。
31、较优地，所述功能性刺激电路包括依次连接的压控恒流源电路、互补型电流源电路、模拟开关电路，所述互补型电流源电路的输入端与所述压控恒流源电路电气连接、输出端与所述模拟开关电路电气连接；其中：
32、所述压控恒流源电路与所述主控处理器内部的dac转换器连接，通过运算放大器、晶体管和电位器re将dac电压值转换为恒定电流，输出的恒定电流iref为：
33、
34、其中，va、vb为电位器re两端电压，vdac为所述dac转换器的输出电压；
35、所述互补型电流源电路包括镜像电流源和镜本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，包括：上位机、电刺激器子系统，以及与所述电刺激子系统电气连接的运动学数据采集模块、通信模块、供电模块，其中：
2.如权利要求1所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，所述电刺激器子系统包括主控处理器、功能性刺激电路和刺激电极：所述主控处理器，用于接收所述运动学数据采集模块采集到的所述健康肢体期望姿态角与所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，根据姿态角误差，利用二型模糊PID控制得出用于调节刺激脉冲的参数并传输至所述功能性刺激电路；
3.如权利要求2所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，所述二型模糊PID控制包括区间二型模糊推理和PID控制，其中：所述二型模糊PID控制的输入为所述期望姿态角和所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，在进入区间二型模糊推理及PID控制之前，首先进行姿态角误差e和误差变化率de/dt的计算；
4.如权利要求3所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，区间二型模糊推理过程中
5.如权利要求4所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，所述功能性刺激电路包括依次连接的压控恒流源电路、互补型电流源电路、模拟开关电路，所述互补型电流源电路的输入端与所述压控恒流源电路电气连接、输出端与所述模拟开关电路电气连接；其中：
6.如权利要求5所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，刺激脉冲参数包括：系统输出的刺激频率固定为50Hz，脉冲宽度由二型模糊PID控制在限定范围50us～400us调节，脉冲电流强度通过改变DAC和电位器Re阻值调节。
7.如权利要求6所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于：
8.一种基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统的使用方法，其特征在于，实施主体为权利要求1-7任一所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统，步骤包括：
9.如权利要求8所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统的使用方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
10.如权利要求9所述的基于模糊PID调控的体表FES瘫痪肢体康复训练系统的使用方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，包括：上位机、电刺激器子系统，以及与所述电刺激子系统电气连接的运动学数据采集模块、通信模块、供电模块，其中：
2.如权利要求1所述的基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，所述电刺激器子系统包括主控处理器、功能性刺激电路和刺激电极：所述主控处理器，用于接收所述运动学数据采集模块采集到的所述健康肢体期望姿态角与所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，根据姿态角误差，利用二型模糊pid控制得出用于调节刺激脉冲的参数并传输至所述功能性刺激电路；
3.如权利要求2所述的基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，所述二型模糊pid控制包括区间二型模糊推理和pid控制，其中：所述二型模糊pid控制的输入为所述期望姿态角和所述被控瘫痪肢体实际动作姿态角，在进入区间二型模糊推理及pid控制之前，首先进行姿态角误差e和误差变化率de/dt的计算；
4.如权利要求3所述的基于模糊pid调控的体表fes瘫痪肢体康复训练系统，其特征在于，区间二型模糊推理过程中：
5.如权利要求4所述的基于模糊pi...
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