王 颖 张定国

(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

基于中枢模式发生器控制的电刺激步行康复系统设计与实验

王 颖 张定国*

(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

研发功能性电刺激(FES)康复系统来实现下肢瘫痪病人的行走运动。控制器采用基于中枢模式发生器(CPG)的仿生控制机理。针对基于递归神经振荡器的 CPG模型，研究关键参数(激励性输入、时间常数、感觉反馈、输出阈值)对CPG输出幅值、频率、相位以及占空比的影响。建立包含12个神经元的CPG网络，以控制双腿的4个关节(左/右髋关节和膝关节)和八组肌群(左/右髂腰肌、臀大肌、股直肌和腘绳肌)。所搭建的实验系统和平台，包括悬吊减重系统、助行系统、电刺激系统和运动检测系统。在正常受试者参与的实验中，受试者在CPG控制的电刺激作用下产生非自主行走运动。实验结果表明，受试者双腿的髋关节和膝关节角度与正常人自主行走时的数据达到定性吻合，验证所设计的CPG控制器在FES康复系统中的可行性与有效性。

中枢模式发生器;递归神经振荡器;双足步行;功能性电刺激;下肢康复

引言

脊椎动物广泛存在一种节律运动，它可以不需要意识的参与而自主进行，比如呼吸、游泳、行走、奔跑等。这些节律运动的控制基本是由脊髓的中枢模式发生器(central pattern generator，CPG)完成的。CPG是一种不依赖感觉反馈和上层控制就能自发产生节律性动作模式的生物神经网络［1］，能给生物体内负责运动的肌肉群提供节律性的生物电脉冲模式。……