کنترل لغزشی ترمینال حرکت مفصل مچ پا با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی در افراد دچار ضایعه‌ی نخاعی

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی برق، آزمایشگاه کنترل سیستم‌های عصبی-عضلانی، مرکز فناوری عصبی ایران، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشیار، مرکز فناوری عصبی ایران، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: کنترل لغزشی از روش‌های مؤثر برای کنترل حرکت در سیستم‌های عصبی-عضلانی-اسکلتی است. از مشکلات مهم استفاده از کنترل لغزشی کلاسیک در این سیستم‌ها، همگرایی خطای ردیابی مسیر مطلوب مفصل‌ها به صورت نمایی است. یکی از روش‌های حل این مشکل استفاده از کنترل لغزشی ترمینال می‌باشد. نکته‌ی برجسته‌ی کنترل لغزشی ترمینال، مقاوم بودن آن در مواجه شدن با نامعینی در مدل و اغتشاشات خارجی است در حالی که هم‌زمان می‌تواند همگرایی خطای ردیابی به سمت صفر را در زمان محدود تضمین کند.روش‌ها: در این مطالعه یک روش کنترل غیرمتمرکز مبتنی بر کنترل لغزشی ترمینال به منظور کنترل حرکت مفصل مچ پا در افراد دچار ضایعه‌ی نخاعی با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی پیشنهاد ‌شد. روش ارائه شده برای کنترل حرکت مفصل مچ پای سه فرد دچار ضایعه‌ی نخاعی در شرایط معمولی و خستگی عضلانی به کار گرفته شد. در این روش، کنترل مفصل مچ پا با استفاده از فعال‌سازی گروه عضلات بازکننده و جمع‌کننده انجام شد. برای این منظور برای هر یک از گروه عضلات بازکننده و جمع کننده، یک کنترل کننده‌ی لغزشی ترمینال مستقل در نظر گرفته شد.یافته‌ها:. وظیفه‌ی کنترل کننده، تعیین الگوهای تحریک عضلات بود به نحوی که زاویه‌ی مچ پا مسیر معینی را دنبال کند. نتایج نشان داد که کنترل کننده قادر به کنترل دقیق حرکت مچ پا با دقت خوبی بود. همچنین کنترل کننده با تنظیم سریع الگوهای تحریک قادر به جبران خستگی عضلانی بود.نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان داد که کنترل کنننده‌ی پیشنهادی، یک روش مؤثر برای کنترل حرکت در بیماران ضایعه‌ی نخاعی با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Terminal Sliding Mode Control of Ankle Movement in Paraplegic Subjects using Functional Electrical Stimulation

نویسندگان [English]

  • Vahab Nekoukar 1
  • Abbas Erfanian 2
1 PhD Candidate of Electrical Engineering, Iran Neural Technology Center, Department of Biomedical Engineering, School of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Associate Professor of Biomedical Engineering, Iran Neural Technology Center, Department of Biomedical Engineering, School of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background: Sliding mode control is an effective method for controlling the neuromusculoskeletal systems. A major problem of conventional sliding mode control is exponential convergence of the tracking errors. To solve this problem, researchers proposed a robust control strategy called terminal sliding mode control. The main advantages of the terminal sliding mode control are not only robustness against uncertainties and external disturbances but also finite time convergence of tracking errors.Methods: In this paper, we propose a decentralized control strategy which is based on terminal sliding mode control, for control of the ankle joint in paraplegic subjects using functional electrical stimulation. Agonist-antagonist co-activation is used to control the ankle movement.Findings: The proposed control strategy was employed for control of ankle joint in three paraplegic subjects. The control task was to determine the stimulation pattern in order to converge the ankle movement trajectory to the desired trajectory. The experimental results on three paraplegic subjects showed that the proposed controller provided an excellent tracking control of reference trajectories. It could also generate control signals to compensate the effects of muscle fatigue. Conclusion: The results of this study showed the proposed control strategy as an effective approach for controlling movements in paraplegic subjects using functional electrical stimulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Functional electrical stimulation
  • Decentralized control
  • Terminal sliding mode control
  • Walking control

مراجع

  1. Abbas JJ, Chizeck HJ. Feedback control of coronal plane hip angle in paraplegic subjects using functional neuromuscular stimulation. IEEE Trans Biomed Eng 1991; 38(7): 687-98.
  2. Lan N, Crago PE, Chizeck HJ. Control of end-point forces of a multijoint limb by functional neuromuscular stimulation. IEEE Trans Biomed Eng 1991; 38(10): 953-65.
  3. Bernotas LA, Crago PE, Chizeck HJ. Adaptive control of electrically stimulated muscle. IEEE Trans Biomed Eng 1987; 34(2): 140-7.
  4. Hatwell MS, Oderkerk BJ, Sacher CA, Inbar GF. The development of a model reference adaptive controller to control the knee joint of paraplegics. IEEE Trans Automat Contr 1991; 36(6): 683-91.
  5. Lan N, Crago PE, Chizeck HJ. Feedback control methods for task regulation by electrical stimulation of muscles. IEEE Trans Biomed Eng 1991; 38(12): 1213-23.
  6. Popovic D, Stein RB, Oguztoreli N, Lebiedowska M, Jonic S. Optimal control of walking with functional electrical stimulation: a computer simulation study. IEEE Trans Rehabil Eng 1999; 7(1): 69-79.
  7. Abbas JJ, Chizeck HJ. Neural network control of functional neuromuscular stimulation systems: computer simulation studies. IEEE Trans Biomed Eng 1995; 42(11): 1117-27.
  8. Riess J, Abbas JJ. Adaptive control of cyclic movements as muscles fatigue using functional neuromuscular stimulation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2001; 9(3): 326-30.
  9. Dosen S, Popovic DB. Moving-window dynamic optimization: design of stimulation profiles for walking. IEEE Trans Biomed Eng 2009; 56(5): 1298-309.
  10. Ajoudani A, Erfanian A. A neuro-sliding-mode control with adaptive modeling of uncertainty for control of movement in paralyzed limbs using functional electrical stimulation. IEEE Trans Biomed Eng 2009; 56(7): 1771-80.
  11. Kobravi HR, Erfanian A. Decentralized adaptive robust control based on sliding mode and nonlinear compensator for the control of ankle movement using functional electrical stimulation of agonist-antagonist muscles. J Neural Eng 2009; 6(4)
  12. Slotine JJ, Li W. Applied Nonlinear Control. New Jeresy: Prentice Hall; 1991.
  13. Feng Y, Yu X, Man ZH. Non-singular terminal sliding mode control of rigid manipulators. Automatica 2002; 38(12): 2159-67.
  14. Yu SH, Yu X, Shirinzadeh B, Man ZH. Continuous finite-time control for robotic manipulators with terminal sliding mode. Automatica 2005; 41(11): 1957-64.
  15. Wang LX. Adaptive Fuzzy Systems and Control: Design and Stability Analysis. 1994.
  16. Zhou BH, Katz SR, Baratta RV, Solomonow M, D'Ambrosia RD. Evaluation of antagonist coactivation strategies elicited from electrically stimulated muscles under load-moving conditions. IEEE Trans Biomed Eng 1997; 44(7): 620-33.
  17. Gribble PL, Mullin LI, Cothros N, Mattar A. Role of cocontraction in arm movement accuracy. J Neurophysiol 2003; 89(5): 2396-405.
  18. Levenez M, Kotzamanidis C, Carpentier A, Duchateau J. Spinal reflexes and coactivation of ankle muscles during a submaximal fatiguing contraction. J Appl Physiol 2005; 99(3): 1182-8.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 مرداد 1390
  • تاریخ بازنگری: 01 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار