利用功能性电刺激技术康复截瘫患者肢体运动功能是机械、控制及临床康复交叉领域的前沿课题,功能性电刺激脚踏车训练(FES Cycling)系统作为近年新兴起的一种康复技术,不仅有利于改善患者的心肺功能、增强肌肉强度、恢复部分运动机能,而且有利于帮助患者建立自信,重返社会,其良好的康复效果已为大量实验所证明。本文以前期研究成果为基础,对构建功能性电刺激恒功率刺激环相关技术进行了深入研究,研究结果表明,电刺激恒功率刺激环控制系统与速度控制为目标的系统相比,具有更高的稳定性,使患者训练量更易于调节,有更广泛的适应人群。本文详细的综述了功能性电刺激脚踏车系统研究领域的国内外研究状况,以实验室已有研究成果为基础,开展了FES脚踏车刺激环的设计及研究。首先,结合FES脚踏车系统机械运动装置的特点,用杆件运动分析方法,建立了蹬踏运动的运动学和动力学模型。同时结合人体的生理特征,使用肌肉动力学模型和能量消耗模型,以运动平均效率最高为目标函数进行优化设计,实现刺激模式不仅能协调蹬踏运动中肌肉的收缩,而且能够确保训练的高效率的良好效果。其次,分析被控对象特性,进行辨识实验设计,并用Simulink编写出了相关控制模块。采集实验数据,以ARMAX为模型类进行辨识,获取了蹬踏运动时,以脉冲宽度为输入、曲柄处功率为输出的人机模型。最后,用极点配置方法完成了控制器的设计工作,并进行了控制系统的仿真及实验研究。结果表明所设计控制系统阶跃响应性能良好,并有较好的跟踪性能,能够满足训练者运动定量控制的要求。本课题实现了对患者腿部输出恒功率的控制。以运动效率最大为目标的刺激模式,能延长患者训练时间,增强康复训练效果;与已有系统比较,本文所设计的系统适应人群更广,易于检验康复训练效果。课题中对刺激模式、人机对象模型及控制器的相关研究为后续FES脚踏车系统进一步深入研究奠定了基础。本论文的研究内容是国家自然科学基金资助项目“功能性电刺激(FES)康复截瘫患者肢体运动功能基础理论及实现技术的研究”(项目号:50575053)的一部分。