小脑在人体协调运动中扮演着重要的角色,人在小脑受损后会出现共济失调症状。目前尚无有效改善共济失调的药物,康复训练是主要的干预措施。康复训练的效果取决于训练方法是否有很好的针对性,而更好的针对性来源于建立合理的仿生小脑模型及其共济失调表达。针对目前大部分小脑建模方法仅集中在对完整小脑的功能进行描述,虽然可以很好的实现控制但却难以适用于模拟受损小脑的问题,本论文依据人工神经网络理论和控制方法,提出并建立了新型的仿生小脑模型,并基于仿生小脑模型研究了共济失调表征与补偿控制方法,主要内容包括:(1)借鉴小脑解剖学结构和小脑皮层内部浦肯野细胞、颗粒细胞、攀爬纤维等多种神经元的连接方式和作用机理等生理学特性,并根据小脑独立的匀质结构,基于控制学相关原理和人工神经网络理论建立了小脑基本单元阵列模块,模拟小脑微区结构和生理学特性。然后在此基础上,分析在运动控制中小脑命令产生到相应的脊髓肌肉系统激活过程和小脑学习机制,建立了基于小脑关联控制器模型的状态编码器模块、脊髓肌肉系统模块、下橄榄反馈模块,将这些模块组合在一起,构建了一种新型的仿生小脑模型。(2)通过手臂运动控制实验对仿生小脑模型进行验证。首先是计算机仿真实验,建立二连杆三角度仿真手臂模块。在仿生小脑模型控制下,不断改变仿真手臂的方向,使其朝着目标位置移动,仿真手臂的运行轨迹较为平滑,最终到达了预定的目标位置,证明了仿生小脑模型在运动控制中的有效性。然后是力反馈器物理实验,利用与人的手臂关节比较类似的Geomagic Touch力反馈器建立了仿真手臂控制平台,直观地看到了在仿生小脑模型控制下手臂运动的真实情形。(3)针对小脑网络水平的改变和小脑功能障碍之间的关系尚不明确的问题,分析和总结了几种小脑共济失调的可能发病机制,并模拟到仿生小脑模型的参数改变当中。在仿生小脑模型与手臂模块的闭环运动控制系统中,通过适当地调整仿生小脑模型的部分参数来产生小脑共济失调辨距障碍的现象,分析仿真输出结果,推测小脑病变引起的小脑回路改变的潜在神经机理,建立共济失调表征。(4)分析和总结了治疗小脑共济失调方法的效果,据此提出了外部刺激方法和机器人康复补偿控制方法两种治疗策略。对模拟的辨距障碍症状进行了外部刺激和机器人康复补偿控制仿真实验,结果表明了两种补偿策略对小脑共济失调辨距障碍情况均有明显的改善效果。本论文针对小脑共济失调研究存在的主要问题,以手臂运动控制为研究对象,从小脑解剖学和生理学角度出发,基于控制理论和人工神经网络建立能够表达其自身特性的完整/受损的小脑模型,并在此基础上研究小脑共济失调表征和补偿控制方法,为小脑共济失调患者可以通过人机交互系统实现期望控制和康复训练奠定基础。