Algoritmo de Control por Retroalimentación de Modo Deslizante Adaptativo para un Modelo No Lineal de Extensión de Rodilla
Autores: Arof, Saharul; Noorsal, Emilia; Yahaya, Saiful Zaimy; Hussain, Zakaria; Mohd Ali, Yusnita; Abdullah, Mohd Hanapiah; Safie, Muhamad Khuzzairie
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Algoritmo de Control por Retroalimentación de Modo Deslizante Adaptativo para un Modelo No Lineal de Extensión de Rodilla
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Estimulación eléctrica funcional
Sistema FES de bucle cerrado
Efectos de no linealidad muscular
Algoritmos de control por retroalimentación
Modo deslizante adaptativo
Identificación del sistema
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 31
Citaciones: Sin citaciones
La estimulación eléctrica funcional (FES) se ha utilizado ampliamente para tratar a pacientes con lesiones de la médula espinal (SCI). Muchos estudios de investigación emplean un sistema FES de bucle cerrado para monitorear la respuesta del músculo estimulado y proporcionar una cantidad precisa de carga al músculo. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos FES de bucle cerrado funcionan mal y a veces fallan cuando ocurren efectos de no linealidad muscular, como la fatiga, el retraso en la respuesta, la rigidez, la espasticidad y el cambio en el sujeto. El mal rendimiento del dispositivo FES de bucle cerrado se debe principalmente a discrepancias en los algoritmos de control de retroalimentación. La mayoría de los algoritmos de control de retroalimentación existentes no fueron diseñados para adaptarse a nuevos cambios en pacientes con diferentes efectos de no linealidad, lo que resulta en una fatiga muscular temprana. Por lo tanto, esta investigación propone un algoritmo de control de retroalimentación adaptativo de modo deslizante (SM) que podría adaptarse y ajustar los parámetros de control interno en tiempo real de acuerdo con la respuesta muscular no lineal y variable en el tiempo del sujeto actual durante el ejercicio de rehabilitación (extensión de rodilla). El controlador de retroalimentación SM adaptativo consiste principalmente en identificación del sistema, control de par directo y configuraciones de control de retroalimentación ajustables. El uso de la unidad de identificación del sistema en el algoritmo de control de retroalimentación permite la autoajuste y ajuste en tiempo real de los parámetros de control interno SM de acuerdo con la condición actual del paciente. Inicialmente, se identificó la respuesta de la trayectoria de la rodilla del paciente extrayendo información significativa, que incluía el retraso en el tiempo, el tiempo de subida, el sobreimpulso y el error en estado estacionario. La información extraída se utilizó para ajustar y actualizar los parámetros de control interno SM. Finalmente, se analizó el rendimiento del algoritmo de control de retroalimentación SM adaptativo en términos de tiempo de respuesta del sistema, estabilidad y tiempo de rehabilitación utilizando un modelo de rodilla no lineal. Los hallazgos de los resultados de la simulación indican que el controlador de retroalimentación SM adaptativo demostró el mejor rendimiento de control al rastrear con precisión el movimiento del ángulo de la rodilla deseado, teniendo tiempos de respuesta más rápidos, menores sobreimpulsos y errores en estado estacionario más bajos en comparación con el SM convencional en cuatro configuraciones de ángulo de referencia (20 grados, 30 grados, 40 grados y 76 grados). También se observó que el controlador de retroalimentación SM adaptativo compensaba las no linealidades musculares, incluida la fatiga, la rigidez, la espasticidad, el retraso en el tiempo y otras perturbaciones.
Descripción
La estimulación eléctrica funcional (FES) se ha utilizado ampliamente para tratar a pacientes con lesiones de la médula espinal (SCI). Muchos estudios de investigación emplean un sistema FES de bucle cerrado para monitorear la respuesta del músculo estimulado y proporcionar una cantidad precisa de carga al músculo. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos FES de bucle cerrado funcionan mal y a veces fallan cuando ocurren efectos de no linealidad muscular, como la fatiga, el retraso en la respuesta, la rigidez, la espasticidad y el cambio en el sujeto. El mal rendimiento del dispositivo FES de bucle cerrado se debe principalmente a discrepancias en los algoritmos de control de retroalimentación. La mayoría de los algoritmos de control de retroalimentación existentes no fueron diseñados para adaptarse a nuevos cambios en pacientes con diferentes efectos de no linealidad, lo que resulta en una fatiga muscular temprana. Por lo tanto, esta investigación propone un algoritmo de control de retroalimentación adaptativo de modo deslizante (SM) que podría adaptarse y ajustar los parámetros de control interno en tiempo real de acuerdo con la respuesta muscular no lineal y variable en el tiempo del sujeto actual durante el ejercicio de rehabilitación (extensión de rodilla). El controlador de retroalimentación SM adaptativo consiste principalmente en identificación del sistema, control de par directo y configuraciones de control de retroalimentación ajustables. El uso de la unidad de identificación del sistema en el algoritmo de control de retroalimentación permite la autoajuste y ajuste en tiempo real de los parámetros de control interno SM de acuerdo con la condición actual del paciente. Inicialmente, se identificó la respuesta de la trayectoria de la rodilla del paciente extrayendo información significativa, que incluía el retraso en el tiempo, el tiempo de subida, el sobreimpulso y el error en estado estacionario. La información extraída se utilizó para ajustar y actualizar los parámetros de control interno SM. Finalmente, se analizó el rendimiento del algoritmo de control de retroalimentación SM adaptativo en términos de tiempo de respuesta del sistema, estabilidad y tiempo de rehabilitación utilizando un modelo de rodilla no lineal. Los hallazgos de los resultados de la simulación indican que el controlador de retroalimentación SM adaptativo demostró el mejor rendimiento de control al rastrear con precisión el movimiento del ángulo de la rodilla deseado, teniendo tiempos de respuesta más rápidos, menores sobreimpulsos y errores en estado estacionario más bajos en comparación con el SM convencional en cuatro configuraciones de ángulo de referencia (20 grados, 30 grados, 40 grados y 76 grados). También se observó que el controlador de retroalimentación SM adaptativo compensaba las no linealidades musculares, incluida la fatiga, la rigidez, la espasticidad, el retraso en el tiempo y otras perturbaciones.