近年来,脑卒中患者和脊髓损伤患者数量逐年递增,下肢运动障碍患者也随之增多,迫切需要辅助恢复步行的装置。功能性电刺激是一种利用低频的电脉冲序列人工激活瘫痪肌肉的疗法,由于具有操作简单、便携等优点,在肢体功能康复中得到了日益广泛的应用。但是,基于电刺激的运动康复易受肌肉疲劳和外部干扰等因素影响,很难产生定量的关节运动输出,因此限制了其在步态康复中的应用。本文通过研究肌肉刺激下的关节运动输出规律以及刺激参数变化对肌肉输出的影响,提出了一种基于Hill-Huxley逆模型的前馈控制和PID反馈控制相结合的前馈反馈闭环控制方法,实现下肢膝关节的运动控制,实验证明此方法可减少肌肉疲劳和外部干扰对控制效果的影响,证明了其在步态控制中的可行性。本文具体研究内容如下:(1)基于阵列电极的电刺激系统改进设计。首先,基于电刺激的生理学基础对电刺激的基本原理进行了分析,阐述了肌肉动作电位产生过程和肌肉收缩力产生的机制;其次,针对现有电刺激系统存在的刺激输出角度低的问题,采用阵列电极改进了电刺激系统的设计;最后,利用改进后的电刺激系统进行了电刺激实验,实验结果显示,相比于改进前的单电极刺激系统,采用阵列电极的多电极组合刺激模式改善了实验者的刺激舒适度,并提高了刺激输出角度。(2)电刺激下的肌肉疲劳分析。首先,分析了电刺激过程中肌肉出现疲劳现象的机理;其次,采用肌电信号分析了肌肉的疲劳程度;最后,进行了刺激参数对肌肉疲劳的影响分析,结果显示刺激脉宽对肌肉疲劳的影响最小,刺激幅值对肌肉疲劳的影响最大。此结果为后续的膝关节电刺激控制方法研究提供了基础。(3)基于电刺激的膝关节运动控制方法研究。首先,设计了被动摆实验和电刺激实验,基于Hill-Huxley模型获得了刺激脉宽参数和膝关节运动角度的关系;然后,对该模型求逆,进而得到了膝关节运动角度与刺激脉宽参数的关系,为膝关节的角度控制提供了理论基础;最后,为了减小人体下肢肌肉系统的非线性特性的影响,基于Hill-Huxley逆模型建立了膝关节运动控制的前馈控制系统,并与PID反馈控制相结合,组合成前馈反馈控制器,提高了电刺激下的膝关节运动控制的精度。(4)基于电刺激的膝关节运动控制实验研究。建立了基于电刺激的膝关节运动控制实验系统,进行了控制方法对比实验、外部干扰实验和肌肉疲劳实验。结果表明,相对于单独使用Hill-Huxley逆模型的前馈控制或PID反馈控制,提出的前馈反馈控制方法时滞现象更弱(10名受试者的平均时滞误差为1.59s),关节运动控制更加精确(10名受试者的膝关节角度的平均均方根误差为4.457°),同时在外部干扰和肌肉疲劳时能自动调节刺激脉宽以改善膝关节角度的跟踪精度。本文的研究实现了基于电刺激的膝关节运动控制,同时也为电刺激下的下肢步态控制等下肢康复训练提供了研究基础。