[发明专利]手腕震颤抑制的鲁棒H∞重复控制方法

说明书

本发明公开了一种手腕震颤抑制的鲁棒Hsubgt;∞/subgt;重复控制方法，该方法将鲁棒Hsubgt;∞/subgt;控制和重复控制结合起来，重复控制采用内模结构可以实现对周期性震颤信号的抑制。而利用Hsubgt;∞/subgt;控制不仅可以改善由于手腕肌骨模型的不确定性和时变性引起的控制精度不高的问题，也可以抑制操作过程中的扰动作用，提升系统的鲁棒性。本发明可以对患者腕部单峰频率震颤进行良好抑制，且大大降低电刺激强度，延缓患者的肌肉疲劳，在保证系统鲁棒性的同时提高震颤抑制的效果。

技术领域

本发明涉及辅助医疗康复技术领域，特别涉及一种手腕震颤抑制的鲁棒H_∞重复控制方法。

背景技术

震颤是一种常见的运动功能障碍，多表现为患者上肢，尤其是腕部非自主、有节奏、近似正弦曲线的运动，是帕金森、多发性硬化和脑卒中等疾病的并发症，且发病率以老年人居多。根据《世界人口展望2019》(World Population Prospects 2019:Highlights)统计，至2019年全球65岁以上的老年人口占全部人口比例的1/10，预计到2050年，这一比例将达到1/6。其中，我国人口的老龄化问题更为严重，据相关数据显示，全国60周岁以上人口的比例已达18.1％。因此，我国乃至全球震颤患者的数量会逐年大幅度增加。虽然这一疾病并不危及生命，但有效地抑制震颤可以克服患者的社交障碍、排解患者的负面情绪、提高患者的生活质量。而目前就治疗方法而言，传统的药物治疗虽对震颤起到一定的缓解作用，但是效果因人而异，且长期服用药物会增加人体对其的耐受性，同时也会产生副作用。而手术治疗方案，如立体定向丘脑切开术和深脑部电刺激等，部分患者术后效果明显，但手术费用高、风险大，并存在术后并发症的可能性。因此，生机电辅助技术在震颤抑制领域的应用为治疗震颤提供了一种有效的解决途径。

功能性电刺激(Function electrical stimulation，简称FES)因其副作用小、成本低、便携性强、软体结构等优点被广泛应用于康复治疗领域。它是一种人工电刺激，可以直接激活运动神经元促使肌肉收缩，达到恢复和重建运动功能的目的。将FES应用于震颤抑制是通过微弱电流刺激引起震颤运动的反向相关肌群，使其达到机械式和可控式收缩，从而减小患者的震颤幅度。为了有效抑制震颤，需要闭环反馈控制器来调整施加在相应肌肉上的电刺激时间和强度。

相关技术中，利用FES进行震颤抑制的系统多采用基于滤波的反馈控制器，一定程度上可以实现震颤幅度的减小，但是，相关技术存在的问题在于，这种传统的反馈控制系统会引起高频瞬时强刺激，造成患者的强烈不适。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种手腕震颤抑制的鲁棒H_∞重复控制方法，以实现在不影响患者自主运动的同时，抑制震颤并实现对指定轨迹的完全跟踪。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种手腕震颤抑制的鲁棒H_∞重复控制方法，包括以下步骤：建立手腕非线性肌骨模型，其中，所述手腕非线性肌骨模型包括非线性肌肉模型和线性肌骨模型；对所述手腕非线性肌骨模型进行参数辨识，其中，所述参数包括静态非线性参数和线性肌骨动态特性参数；设计前馈线性化控制器以对所述手腕非线性肌骨模型进行线性化操作；设计重复控制器G_RC(z)，以消除单峰频率震颤扰动，提高系统对输入信号的跟踪能力，其中，所述重复控制器G_RC(z)设计为：G_RC(z)＝G_IMK(z)，其中，K(z)是用于改善闭环系统稳定性和动态性能的补偿器，即鲁棒控制器，G_IM为所述重复控制器的内模，可表示为：其中，T_d和T_s分别是震颤信号和所述重复控制器的采样周期，为单位增益的鲁棒低通滤波器；设计基于H_∞的鲁棒控制器K(z)，以实现在抑制腕部震颤的同时，腕关节可以对指定位置进行高精度跟踪。