PID Controller Design for FES Applied to Ankle Muscles in Neuroprosthesis for Standing Balance
Notice bibliographique
Résumé
Closed-loop controlled functional electrical stimulation (FES) applied to the lower limb muscles can be used as a neuroprosthesis for standing balance in neurologically impaired individuals. The objective of this study was to propose a methodology for designing a proportional-integral-derivative (PID) controller for FES applied to the ankle muscles toward maintaining standing balance for several minutes and in the presence of perturbations. First, a model of the physiological control strategy for standing balance was developed. Second, the parameters of a PID controller that mimicked the physiological balance control strategy were determined to stabilize the human body when modeled as an inverted pendulum. Third, this PID controller was implemented using a custom-made Inverted Pendulum Standing Apparatus that eliminated the effect of visual and vestibular sensory information on voluntary balance control. Using this setup, the individual-specific FES controllers were tested in able-bodied individuals and compared with disrupted voluntary control conditions in four experimental paradigms: (i) quiet-standing; (ii) sudden change of targeted pendulum angle (step response); (iii) balance perturbations that simulate arm movements; and (iv) sudden change of targeted angle of a pendulum with individual-specific body-weight (step response). In paradigms (i) to (iii), a standard 39.5-kg pendulum was used, and 12 subjects were involved. In paradigm (iv) 9 subjects were involved. Across the different experimental paradigms and subjects, the FES-controlled and disrupted voluntarily-controlled pendulum angle showed root mean square errors of <1.2 and 2.3 deg, respectively. The root mean square error (all paradigms), rise time, settle time, and overshoot [paradigms (ii) and (iv)] in FES-controlled balance were significantly smaller or tended to be smaller than those observed with voluntarily-controlled balance, implying improved steady-state and transient responses of FES-controlled balance. At the same time, the FES-controlled balance required similar torque levels (no significant difference) as voluntarily-controlled balance. The implemented PID parameters were to some extent consistent among subjects for standard weight conditions and did not require prolonged individual-specific tuning. The proposed methodology can be used to design FES controllers for closed-loop controlled neuroprostheses for standing balance. Further investigation of the clinical implementation of this approach for neurologically impaired individuals is needed.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».