02 Управление движением человека (2 ч). Тема Бионические основы информационных устройств и систем
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
Информационные технологии в робототехнике Тема 2. Бионические основы информационных устройств и систем. Управление движением человека. Движение человека 2 Манипуляция (от латинского слова manus, рука) — это движение рук Локомоция (от латинских слов locо, место, и motus, движение) — движение всего тела для осуществления перемещения во внешней среде Общая схема управления движением человека 3 Нейроны 4 Схема нейронной системы управления движениями 1 — дендриты; 2 — аксон; 3 — синапсы; 4 — сома (тело клетки) Мышцы 5 1 — мышца-сгибатель; 2 — мышца-разгибатель Управление мышцей осуществляется двигательными нейронами — мотонейронами Управление мышцей осуществляется сериями импульсов, поступающих от мотонейронов и следующих с частотой 50–200 импульсов в секунду В зависимости от количественного соотношения входящих в мышцу волокон разных типов образуются соответственно мышцы различного типа — от быстродействующих до медленнодействующих, но более выносливых Рецепторы 6 Внешние рецепторы человека — это, прежде всего, пять основных органов чувств: зрение, слух, осязание, обоняние, вкус, затем вестибулярный аппарат (в височной кости), а также множество рецепторов, расположенных в коже, — температурные, давления, болевые Внутренние рецепторы (интеррецепторы) связаны с управлением движениями, выдают информацию о состоянии двигательного аппарата; делятся на мышечные рецепторы растяжения, сухожильные и механорецепторы суставов и кожи Центральная нервная система 7 Потребности, направленные на выживание Эмоциональное и мотивационное поведение, контроль биохимических процессов Управление зрительными, слуховыми, двигательными рефлексами Отвечает за выбор поведения, регулирует чередование сна и бодрствования, обеспечивает устойчивость позы в поле силы тяжести Проходят информационные пути вверх и вниз Расположен в позвоночнике, разделен на сегменты, которые управляют отдельными частями тела Центральная нервная система 8 Обработка информации от всех органов чувств завершается в соответствующей области (центре) нейронами-детекторами, распознающими отдельные конкретные объекты Затем осуществляется объединение информации от этих нейронов разных органов чувств в объединенные нейроны-детекторы разных объектов с учетом всей сенсорной информации о них Слуховая рецепция 9 Слуховая ориентация в пространстве определяется бинауральным эффектом, основанным на том, что расстояния от каждого источника звука различны, а следовательно, различны уровни звуковых давлений в барабанных перепонках Вычисленная временная задержка составит около 3·10 –5 с, что соответствует смещению источника относительно центральной линии на 3 град (т.е. это соответствует точности ориентации в пространстве) Слуховая рецепция обеспечивает восприятие и анализ звука, который характеризуется четырьмя измерениями: объем, громкость, плотность и высота Свойства звука определяются двумя физическими переменными сигнала: его амплитудой и частотой Зрительная рецепция 10 Схема бинокулярного зрения: 1 – объект; 2 – гороптерный круг; 3 – центральная ямка; 4 – «циклопический» глаз; 5 – точка фиксации Зрительная рецепция – это визуальные анализаторные системы человека, составляющие сложные многоуровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов Мозг создает целостную картину из последовательности дискретных изображений, смещаемых каждые 200– 600 мс, воспринимаемых зрением путем взаимодействия сенсорных и двигательных механизмов глаз и центральной нервной системы Тактильная рецепция 11 1) колбочки Краузе, формирующие ощущение холода 2) цилиндрические рецепторы Руффини, раздражение которых дает тепловые ощущения 3) корзинчатые сплетения и тельца Меснера, ответственные за возникновение ощущений прикосновения и давления; 4) свободные нервные окончания, связанные с болевыми функциями Многоконтурная структура системы управления движениями человека 12 Уровни управления движением 13 Динамические уровни управления движением 14 Рефлекторное управление одним суставом Динамические уровни управления движением 15 Рефлекторное управление одним суставом Нижний уровень динамического управления включает подуровни управления отдельными мышцами и с их помощью суставами. Совокупность двух систем управления мышцами-антагонистами обеспечивает управление отдельным суставом. Контуры управления мышцами перекрестно связаны друг с другом сигналами позиционной обратной связи по длине мышцы — сигналы от рецепторов сокращаемой мышцы, помимо воздействия по цепи обратной связи на мотонейроны своей мышцы, одновременно воздействуют с обратным знаком на мотонейроны мышцы-антагониста, снижая ее возбуждение и тем самым уменьшая противодействие сокращающейся мышце. При подходе к заданному положению сустава, когда необходимо осуществить торможение, мышцы меняются ролями, и на мышцу-антагонист подается сигнал, вызывающий ее сокращение Динамические уровни управления движением 16 Рефлекторное управление одним суставом Схема системы управления суставом: УС 0 , УС 1 , УС 2 — устройства сравнения; ПД 0 , ПД1 — пропорционально- дифференцирующие звенья; Д — дифференцирующее звено Динамические уровни управления движением 17 Рефлекторное связанное управление несколькими звеньями конечностей тела Второй динамический уровень управления, который обеспечивает совместное целенаправленное движение суставов одной или нескольких конечностей без использования сенсорной информации о внешней среде Связанное управление двумя конечностями осуществляется путем управления определенными суставами этих конечностей одним сегментом спинного мозга (внутрисегментарный рефлекс). Помимо сегментов спинного мозга, на этом уровне в управлении участвуют наиболее древние области переднего мозга, в которых на основании информации, получаемой от внутренних рецепторов, формируется общая картина положения всех частей тела и вырабатывается двигательная реакция, которая передается в спинной мозг. Этот уровень управления, в основном исполнительный, отрабатывает команды вышестоящих уровней. Однако имеются определенные типы движений, для которых этот уровень является самым верхним (различные ритмичные движения, не требующие оперативной информации о внешней среде, а также поддержание позы и обеспечение мышечного тонуса) Динамические уровни управления движением 18 Управление с использованием внешней информации Уровень реализует адаптивное управление с использованием информации от внешних рецепторов. В этом уровне участвуют все отделы головного мозга. Реализуется третий уровень двумя параллельными путями: через второй уровень управления и непосредственным воздействием со стороны коры больших полушарий (ее двигательной зоны) на сегменты спинного мозга. Третий уровень управления ответствен за ориентацию во внешнем пространстве тела и органов чувств, локомоции и манипуляции, а также за выполнение таких сложных движений, как, например, упражнения на гимнас- тических снарядах, метание предметов, жонглирование ими, копирующие движения. Динамические уровни управления движением 19 Динамические уровни управления движением действуя совместно, реализуют требуемые движения в виде комбинации следующих трех составляющих: грубые и быстрые рефлекторные (программные) движения без обратной связи и без использования внешней информации (первый и второй уровни) такие же стереотипные движения, но корректируемые с помощью внешней информации (экстрапирамидный путь третьего уровня) наиболее тонкие и точные движения, выполняемые с учетом текущей внешней информации (пирамидный путь третьего уровня) Тактический уровень управления движением 20 На этом уровне составляется план достижения той очередной цели, которая задается вышестоящим стратегическим уровнем управления Далее план в виде конкретного алгоритма движений с выделением подцелей и последовательности их достижения спускается для реализации на динамические уровни Со стороны тактического уровня осуществляются непрерывный контроль и в случае необходимости оперативная корректировка заданных алгоритмов при изменении реальной ситуации Уровень тактического управления ответствен за целенаправленные осмысленные движения Стратегический уровень управления движением 21 Определяются цели и осуществляется контроль за их реализацией, включая оперативную корректировку этих действий и самих целей в зависимости от эффективности процесса их достижения После завершения действий здесь же оцениваются достигнутые результаты Уровень и сам непосредственно участвует в реализации наиболее сложных и новых движений Рекомендации по применению информационных устройств и систем 22 Элементарные сочленения 23 Размещение датчиков в манипуляторе 24 Звенья и сочленения манипулятора Пума Вопросы для повторения 25 1. Назовите и дайте определение уровням движения человека. 2. Что входит в общую схему управления движением человека? 3. Какие рецепторы называют внешними, а какие внутренними? 4. Поясните схему бинокулярного зрения. 5. Какие виды тактильных рецепций различают? 6. Какие уровни управления движений различают? За что ответственен каждый уровень? 7. Перечислите рекомендации по размещению датчиков в манипуляторе робота. |