توصيفگر ها :
تحريك الكتريكي عملكردي , مدل عصبي-عضلاني اسكلتي , توانبخشي سالمند، مدل راه رفتن سالمند , بهينهسازي پارامترها , الگوريتم استراتژي تكاملي تطبيق ماتريس كواريانس
چكيده فارسي :
افراد در سالمندي نسبت به دوره جواني خود دچار تغييرات بزرگي ميشوند كه زندگي اين افراد را تحت تأثير قرار ميدهد. تغييراتي كه در سيستم اسكلتي، عصبي و عضلاني فرد سالمند رخ ميدهد كه يكي از آثار اين تغيير در كاهش سرعت راه رفتن نمود پيدا ميكند. بنابراين جدا از روشهاي مرسوم، نياز به روشها و ديدگاههاي مهندسي در طراحي توانبخشي سالمند است كه تا حد امكان زندگي بر اثر سالمندي محدود نشود. يكي از روشهايي كه مزاياي بهتري نسبت ديگر روشها دارد، روش تحريك الكتريكي عملكردي است. قبل از طراحي و به كارگيري سيستم تحريك بر روي افراد لازم است به صورت شبيهسازي بر روي يك مدل عصبي-عضلاني اسكلتي كه راه رفتن را بيان ميكند، پياده شود. مدل انتخابي بايستي با دادههاي انسان همبستگي مناسبي داشته باشد همچنين ساختار اسكلتي، ماهيچه و عصبي باشد در مدل لحاظ گرديده باشد تا سيستم تحريك الكتريكي بر روي مدل ارزيابي شود. با توجه به اين نكته، با بررسي و ارزيابي مدلهاي مختلف مشاهده شد كه مدل گِيِر عملكردي بهتري دارد و مطابقت آن با دادههاي انسان بيشتر است. از آنجا كه مدل گِيِر يك مدل جوان است بنابراين تغييراتي كه در سيستم حركتي فرد در سالمندي رخ ميدهد با توجه به ويژگيهاي مدل اعمال ميشود. براي كاهش سرعت حركت مدل سالمند از الگوريتم بهينهسازي استراتژي تكاملي تطبيق ماتريس كواريانس جهت تنطيم پارامترهاي قسمت عصبي مدل استفاده شد كه تابع هزينه آن بر اساس سرعت حركت مطلوب مدل سالمند و خستگي كمتر در حين راه رفتن است. همچنين استفاده از الگوريتم موجب ميشود كه نامعيني حاصل از ويژيگيهاي فيزيولوژيكي هر فرد سالمند لحاظ شود. پس از ايجاد يك مدل سالمند، چالشهايي بر سر طراحي كنترل تحريك الكتريكي عملكردي بر روي اين مدل پيچيده وجود دارد تا بتوان كنترلكنندهاي طراحي كرد كه سرعت حركت فرد سالمند بهبود پيدا كند. ابتدا ماهيچههايي كه كاركرد و عملكرد آنها موجب بهبود سرعت راه رفتن ميشوند با نظر متخصص جهت اعمال تحريك الكتريكي عملكردي انتخاب شدند. براي طراحي كنترلكننده از ساختار كنترل حلقه باز استفاده گرديد در اين روش سيگنال تحريك الكتريكي با استفاده از سيگنال تحريك عصبي مدل به صورت كنترل تناسبي ايجاد ميشود. ضرايب تناسبي كنترلكننده نيازمند به تنظيم در جهت افزايش سرعت حركت مدل سالمند است كه براي اين كار از الگوريتم بهينهسازي استفاده شد تا تابع هزينه موجب بهبود سرعت حركت شود و چالش خستگي بر اثر تحريك الكتريكي به حداقل برسد. نتايج حاصل از تنظيم پارامترهاي كنترل حلقه باز تحريك الكتريكي عملكردي نشان داد سرعت حركت مدل سالمند افزايش پيدا كرد ولي موجب تغيير ناگهاني سرعت ميشود كه با مشخصههاي فيزيولوژيكي فرد سالمند در تناقض است. بنابراين جهت اين كه جلوي اين تغيير ناكگهاني سرعت گرفته شود، تابع هزينه تغيير داده ميشود تا تغييرات طول قدمهاي مدل سالمند در حين حركت به حداقل برسد و مدل سالمند طول قدمهايش برابر شود.
چكيده انگليسي :
Individuals undergo significant changes in old age compared to their youth, which affects their lives. These changes occur in the skeletal, nervous, and muscular systems of the elderly, resulting in a decrease in walking speed. Therefore, in addition to conventional methods, there is a need for engineering approaches and perspectives in designing elderly rehabilitation to minimize the impact of aging on their lives. One of the methods that has better advantages compared to other methods is functional electrical stimulation. Before designing and implementing the stimulation system on individuals, it is necessary to simulate it on a neuromuscular skeletal model that represents walking. The selected model should have a suitable correlation with human data and consider skeletal, muscular, and nervous structures for evaluation of the electrical stimulation system. Based on this, by examining and evaluating different models, it was observed that the gear model has better performance and better conformity with human data. Since the gear model represents a young individual, the changes that occur in the elderly’s motor system are applied considering the characteristics of the model. To reduce the speed of the elderly model, an evolutionary adaptation strategy optimization algorithm was used to adjust the parameters of the neural part of the model, with its cost function based on the desired walking speed of the elderly model and less fatigue during walking. Additionally, the use of the algorithm ensures the consideration of uncertainty resulting from the physiological characteristics of each elderly individual. After creating an elderly model, there are complex challenges in designing functional electrical stimulation control for this model to improve the walking speed of the elderly individual. Initially, muscles that contribute to improving walking speed were selected based on expert opinions for functional electrical stimulation. A closed-loop control structure was used to design the controller, where the electrical stimulation signal is created based on the neural stimulation signal of the model in a proportional control manner. The proportional control coefficients of the controller need to be adjusted to increase the walking speed of the elderly model. For this purpose, an optimization algorithm was used to improve the speed through the cost function and minimize fatigue challenges due to electrical stimulation. The results of adjusting the control coefficients of the functional electrical stimulation control loop showed an increase in the walking speed of the elderly model, but it also resulted in sudden speed changes, which contradict the physiological characteristics of elderly individuals. Therefore, to prevent these sudden changes in speed, the cost function was modified to minimize the changes in the step length of the elderly model during movement and achieve consistency in the step length of the elderly model.