由切换功能电刺激控制诱导的固定自行车运动

功能电刺激 (FES) 用于激活神经肌肉疾病患者功能障碍的下肢肌肉，以产生骑行运动作为锻炼和康复手段。然而，与健全人骑行相比，FES 骑行在代谢上仍然效率低下，且在自行车曲柄处产生的功率输出较低。先前的文献表明，这些问题是肌肉控制不佳和非生理性肌纤维募集的症状。后者是 FES 普遍存在的问题，而前者则激发了对 FES 骑行更好控制方法的研究。本文基于膝关节力矩产生向前踩踏的有效性，推导了一种仅针对股四头肌的 FES 骑行刺激模式。此外，针对具有自主状态依赖切换的不确定非线性自行车 - 骑手系统，设计了一种切换滑模控制器。在满足反向驻留时间条件（通过适当选择控制增益和足够的期望踏频）的前提下，该切换控制器能在存在未知、时变且有界扰动的情况下，实现对期望轨迹的最终有界跟踪。稳定性是通过针对切换系统的 Lyapunov 方法推导得出的，实验结果展示了该切换控制系统在典型骑行条件下的性能。