Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование процессов управления движением конечности к цели
ВАК РФ 03.00.13, Физиология
Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов управления движением конечности к цели"
иг>
СП СП
0 КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ
ТВ УНИЗЕРСИТЕТ ю _
и- ^ О- 1
//я правах рукоппся
УЖ 612.821.35—612.833.96
СКОРИИтт АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОНЕЧНОСТИ ГС ЦЕЛИ
03- 09. ЕЗ — фнзнологкя человека к жиеогкыг
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата био.ъогичеасих наук
НА ЗА И Ь 1.99.5
Работа выполнена а тучно-псследователъской лаборатории бионики Казанского государственного университета.
Научный руководитель: кандидат биологических наук,
доцент Котов Н. В.
Официальные оппоненты: доктор биологических наук,
профессор Алатырев В. И., доктор медицинских наук, профессор Полетаев Г. И.
Ведущее учреждение: Институт проблем передача информации РАН.
Защита состоится . ЪО «_-^-¿г я_¡995 г.
часоз на заседании диссертационного Совета К 113.19.02 при Казанском государственном педагогическом университете но адресу: 420021, Казань, ул. М. Мезхлаука, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного педагогического университета по адресу: 426021, Казань, ул. М. Межлаука, д. 1.
Автореферат разослан "_Р-^ул л в 1995 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета, доцент
Макалеев И. 111.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одной из важных задач современной физиологии является выяснение механизмов управления движением живого организма. Это направление физиологических исследований выделено в настоящее время в особый раздел физиологии - физиология движений (Гурфинкель B.C. 1976). Актуальность этих исследований связана с тем, что более глубокое понимание механизмов управления движением позволило бы продвинуться и в вопросах диагностики двигательных расстройств, и в проблеме совершенствования методик тренировки спортсменов.
Хотя как самостоятельная ветвь физиологии физиология движений возникла только в 70-е годы, её основы были заложены уже в 40-е годы Бернштейном (Бгрнштейн H.A. 1947), пытавшимся связать биомеханические свойства движений с нервными механизмами управления ими. Тогда же он выделил ряд общих свойств биологических управляющих систем, среди которых ключевыми для данного исследования являются следующие: а) иерархическая структура системы управления движением, 6) относительная автономность управляющих подсистем, что позволяет разбить сложную двигательную задачу на ряд простых подзадач, в) формирование врёменных объединений элементов двигательного аппарата (автономно выполняемые ими действия были названы функциональными синергиями).
Особый интерес представляет исследование медленных произвольных движений конечности (Эвартс Э. 1984); здесь наиболее важно выяснить роль и взаимодействие простых рефлекторных актов и центральных моторных программ. Однако вскрытие механизмов управления движениями на уровне работы отдельных нейронов удалось лишь в некоторых случаях для беспозвоночных, для позвоночных это оказалось возможным только для простейших спинномозговых рефлексов. Фиксация же интегральной активности различных отделов и ядер мозга позволяет судить в основном о степени их участия в тех или иных типах движений, но оставляет открытым вопрос о конкретных межнейронных взаимодействиях, поэтому ещё И.П. Павлов и H.A. Бернштейн начали применять функциональные схемы систем управления движением как средство, позволяющее связать определённые особенности движений с характером взаимодействия и активности нейронных структур. Причём, по мнению Анохина (Анохин П.К. 1970), функциональная система не может быть охарактеризована по преимущественной представленности некоторого анатомического уровня, это есть всегда врёменное объединение самых разных анатомических элементов, необходимых для достижения поставленной цели (а. т.ч. для выполнения движения). Поэтому в современной физиологии движений построение функциональных
- г -
схем систем управления - один из важных этапов работы при изучении механизмов управления движением в биосистемах. Этот этап а настоящее врьмя неразрывно связан с математическим моделированием из-учаэмых объектов. .
Данная работа посвящена изучению функциональной структуры бисмо! ических систем управления движением, но здесь, в отличие от работ обобщающего и концептуального характера, делается попытка выде/тть один из частных механизмов управления, изучить его в условиях, когда он работает в основном самостоятельно, изолированно от. других механизмов, и проследить пути его взаимодействия с другими аналогичными механизмами. Для конкретного исследования было вобрано движение конечности к целевой точке; это движение встречается у многих животных и как самостоятельное движение касания, и как часть более сложных двигательных актов.
. Вернштейк определил в свое время управление движением как преодоление избыгочьып степеней свободы (Бернштейн H.A. 1947); позднее Смолянкнов (Смолянинов B.Bj 1984) задал классификацию уровней избыточности при управлении движением. В соответствии, с этой классификацией можно утгерждать, что для вышеуказанного движения довольно подробно обсуждено преодоление избыточных степеней свободы, связанных с избыточностью динамики, менее подробно -связанных с многозвенностью и множественностью тактик движения. Наиболее неясным остается вопрос о соотношении этих уровней управления в рамках единого механизма, хотя существуют некоторые теоретические проработки этого направления). Высказанные гипотезы требуют конкретизации и модельного согласования с известными экспериментальными фактами, что делает исследования в этой области актуальными как в теоретическом, так и в практическом плане.
Цель и задачи исследования. Целью работы явилось исследование принципов работы механизмов, управляющих движением конечностей живсгс организма к цели. В соответствии с этим были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Реконструкция алгоритма управления движением конечности к цели и построение функциональной схемы взаимодействия элементов, реализующих этот алгоритм.
2. Исследование с помощью модели движений конечности к цели а) при разных начальных положениях, б) при толчках внешних сил в) при флуктуация* активных моментов, г) при отклонениях во время движения д) при закреплении отдельных суставов.
Научная новизна. Впервые разработана функциональная схема трехуровневой системы управления движением конечности к цели, в рамках которой взаимодействуют центральная программа движения и два вида сигналов обратной связи. Установлено, что работа каждого уровня управляющего механизма связана с преодолением одного из типов избыточных степеней свободы. Определено взаимодействие этих уровней в рамках процесса построения движения. Составлены программы, позволяющие модег.ировать работу управляющего механизма и движение объекта управления. Смоделированы целенаправленные движения конечности при наличии нагрузок, помех, насильственных отклонений и кинематических ограничений. /
Положения, выносимые на защиту.
1. Каждый из трёх типов избыточных степеней свободы - избыточность траектории дистальной точки конечности, избыточность кинематики (многозвенность), избыточность динамики (большое число мышц -антагонистов) - преодолевается отдельным уровнем механизма управления движением конечности к цели, взаимодействующим с остальными уровнями этого механизма. .
2. Многие фактические особенности процесса построения движений конечности к цели объясняются тем, что в системе управления строится движущийся внутрицентральный образ конечности и его движение "отслеживается" реальной конечностью.
Научно - практическая ценность. Полученные на модели результаты позволяют приблизиться к пониманию функциональных механизмов построения движений в живых организмах и наметить подходы к интерпретации экспериментальных данных о работе входящих в состаз двигательных генераторов интернейронов спинного мозга и о характере влияния высших двигательных центров на их активность. В перспективе это может помочь при разработке методов тонкой диагностики некоторых двигательных заболеваний, в частности, сделать более тонкие различения двигательных нарушений при паркинсонизме. Результаты этой работы могут быть применены также при разработке методик тренировок в тех видах спорта, которые требуют высокой точности целенаправленных движений конечности (например, в фехтовании). Кроме того, понимание функциональных механизмов управления движением в* биологических системах позволяет ставить вопрос о построении их искусственных аналогов для управления сложными техническими устройствами. * - '
АвВобй1Шя_работы. Основные результат?! диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конфереч-
ц',,и "Повышение безопасности оборудования и технологических процессов на основе применения средств автоматической защиты и промышленных роботов" (Казань, 1981), на Всесоюзной научно-технической конференции "Адаптивные роботы -82" (Нальчик, 1982), V Всесоюзной конференции по управлению в механических системах (Казань, 1988), на итоговых научных конференциях КГУ (Казань, 1989, 1990, 1Э91, 1992, 1993), на научных семинарах лаборатории бионики КГУ.
Реализация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Данные исследования включены в лекционный курс по "Биотехническим системам" для студентов Казанского государственного университета.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания функциональной схемы нижних уровней системы управления движением, описания модели, результатов модельного исследования и их обсуждения, заключения, выводов и указателя литературы. Работа изложена на 131 странице, иллюстрирована 41 рисунком. Указатель литературы включает 161 работу, из них 77 -иностранных авторов.
Объект и методы исследования.
Предмегом исследования в данной работе была функциональная структура системы, управляющей движениями конечностей человека и животных к цели. Разработка, верификация и уточнение схемы функционирования изучаемого объекта - важный этап работы в любом разделе физиологии; для физиологии . движений это этап принципиальный,.без которого невозможно дальнейшее продвижение. Дело в том, что только прямое экспериментальное исследование материала управляющей системы не позволяет понять способы её функционирования. - Можно исследовать морфологию, т.е. структурированность этого материала, свойства отдельных конструктивных элементов - для дальнейшего сравнения и сопоставления функциональной и морфологической схем. Но в любом случае необходимо исследовать также функциональную структуру системы управления, что невозможно сделать в прямом эксперименте с биологическими объектами. Методическая особенность данной работы в том, что мы вначале построили чисто функциональную схему, изучили её особенности, а уже потом пытались дать некое морфологическое наполнение функциональным блокам. Традиционно в физиологии функциональные схемы строятся сразу на морфологии материала, что
повышает их достоверность, но затрудняет продвижение в неисследованные области.
Чтобы не оторваться от реальности, при построении функциональной схемы необходимо соблюдать некоторые правила. Во-первых, функциональная схема должна строиться с опорой на базовую теорию данного раздела физиологии. Для физиологии движений это прежде всего работы Бернштейна, поэтому мы исходили из следующих ключевых положений: а) структура системы управления движением является иерархической, б) управляющие подсистемы относительно автономны, что Позволяет разбить сложную двигательную задачу на ряд простых подзадач, в) при построении движения происходит формирование временных объединений элементов двигательного аппарата (автономно выполняемые ими действия были названы функциональными синергиями). Во-вторых, мы должны учитывать возможность реализации предлагаемых функций на реальных элементах ЦНС. , В-третьих, при организации медленного целенаправленного движения система управления должна преодолеть три типа избыточных степеней свободы двигательного органа - выбрать одну из возможных траекторий дистапьной точки конечности и характер движения по Ней, выбрать определённую кинематическую реализацию (многозвенность), реализовать выбранную кинематику динамически (большое число мышц - антагонистов). В-четвёртых, функциональная схема, предназначенная для дальнейшего использования в физиологии, обязательно должна сгроиться на основе анализа конкретного экспериментального биологического материала. Анализ описанных в литературе экспериментальных исследований движения перевода дистальной точки конечности в целевую (рассмотрены исследования потирательного рефлекса у спинальной лягушки и целенаправленных движений руки человека, рис. 1А, Б) позволил выяснить основные особенности этого типа движений:
- Независимое от амплитуды задание, времени движения (постоянное время в норме, произвольная регуляция в эксперименте);
- осуществление движения достижения точки по стратегии "минимума рывков", точно описанной математически на основе экспериментального материала, причём этот характера движения независим от начальной точки, наличия отклонений, толчков внешних сил, колебаний параметров мышц и даже блокировок отдельных суставов;
- наличие в движении "уставки" или "виртуальной траектории'', т.е. некоторого мысленного образа перемещения, к которому
аозвращается дистальная точка конечности при кратковременных отклонениях в любую сторону;
- осуществление движения в реальном времени, что, учитывая механические свойства суставов и мышц и вычислительные сложности, исключает возможность расчета кинематики и динамики движения при управлении.
Учитывая описанные экспериментальные особенности движения и упомянутые теоретические предпосылки, нам удалось реконструировать возможную функциональную структуру биологической системы управления медленными целенаправленными движениями. Дальнейшее исследование предполагает два шага верификации этой структуры: во-первых, проверку на математической молем возможности такой ороиизации медленных целенаправленных движений (это мы проделали в данной работе); во-вторых, поиск в ЦНС реальных морфологических структур, реализующих такое функционирование. Это очеиь сложная задача, пока эксперименты на спинальной лягушке говорят лишь о вероятной, спинномозговой локализации двигательного генера'ира.
Следующим этапом работы стала проверка гипотезы о том( что управление движениями типа достижения точки в биологических системах действительно может быть организовано вышеуказанным способом; для этого пришлось смоделировать на ЭВМ как работу управляющей системы, так и динамику исполнительного, органа. Затем имитировалось - при разных условиях - совершение медленных целенаправленных движений и модельные результаты сравнивались с известными экспериментами. Качественное сходство модельных и экспериментальных результатов в этом случае свидетельствует о применимости моделируемой функциональной схемы для описания и понимания работы реальной биологической системы управления.
Модель исполнительного органа представляла собой либо 5-звенник на плоскости (аналог задней конечности лягушки; рис. 1. В), либо 2-звенник в пространстве (аналог руки человека без кисти - 3 степени в "плече", 1 в "локте", рис. 1. Г)- "Движение" модели конечности реализовалось либо работой лары мышцеподобных тянущих движителей в каждой степени подвижности, либо путем генерирования активных управляющих моментов в шарнирных соединениях; способ реализации движения не влиял на его характер. Вращение ¡-го звена (относительно оси, проходящей через начало этого звена) описывалось уравнением: "Г = М», +М»„, Мнго ~М<И1.|)< ' (1>
где .)( - момент инерции дистальной части исполнительного органа от носительно начала ¡-го звена, а" - вторая производная по времени углл в 1М шарнире, Ма - активный момент, М8м - момент внешних сил, Мв,с -момент силы тяжести. При вычислении моментовЧил тяжести предполагалось, что центры масс звеньев находятся в их центрах. Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (1) использовался стандартный метод Рунге - Кутта четвёртого порядка.
А Ь
N
-->Х
Рис. 1. Экспериментальные и модельные объекты при изучении медленного целенаправленного движения, А - задняя конечность сминаль-ной лягушки (при осуществлении потирательного рефлекса), Б - рука человека, В, Г - их упрощенные модели.
Функциональная схема системы управления движением конечности к цели.
Функциональная схема трехуровневой системы управления движением конечности к цели изображена на-рис. 2. На схеме представлены объект управления (конечность) и три функ-
циональных уровня системы управления. По классификации Бернштейна - это подуровни С2 и С1 уровня пространства и
Рис. 2. Функциональная схема трёхуровневой системы управления движением
Задача подуровня С2 - формирование кинематического образа движения с учётом положения цели. Здесь выделяются ведущие кинематические параметры (может быть один параметр) движения и генератор задает требуемое для достижения цели изменение этих параметров. Речь здесь идет не о прямой генерации суставных углов конечности (это задача следующего уровня), а о генераций общих целевых параметров движения. Например, для движения конечности может генерироваться необходимое изменение расстояния от дистальной точки конечности до цели; в данной работе, в соответствии с методом
"минимума рьшков" (Нодлп N. 1984), было принято, что генератор задаёт изменение расстояния до цели по следующему закону: gg{t) =» гво' (1-10 т3+15 т4-6 т5), где ( - текущее время, г0о -начальное расстояние от дисглльной точки внутрицентрального образа конечности до цели, т = t/T, Т - полное время движения.
Вопрос о возможном существовании и локализации двигательных* генераторов в нервной системе обсуждается в физиологической литература давно. Для некоторых беспозвоночных существование таких генераторов показано в прямом эксперименте (Бурданов B.C. 1977, Клипе л Э. 1980, Соидерский В.Л. 1980); имеются убедительные данные и о возможной реализации двигательных генераторов на интернейронах сЛннного мозга позвоночных (Баев К В. 1984, 1991; Гурфинкель B.C., Гурфинкель Е.В., Казёнников О.В., Сеяионов В.А. и др. 1985).
Большинство привычных движений можно описать подобным образом через требования к изменению целевых параметров. Таким образом, генератор определяет специфику частного движения, через него осуществляется и связь данного частного движения с общей двигательной активностью организма. Эта связь реализуется поступающими на генератор сигналами разного типа от высших по иерархии уровней управления (уровень действий по Бернштейму). По крайней мере необходимы сигналы о моменте начала движения ("включение") и о длительности движения (о "темпе"), могут использоваться также информационные входы, необходимые для модуляции движения в зависимости от конкретной начальной ситуации (например, информация о начальном расстоянии до целевой точки).
Сигнал начала движения может поступать не только от уровня действий, который есть только у человека и высших позвоночных, но н прямо от афферентных нейронов, например, когда надо убрать с кожи некий раздражитель. В этом случае движение целиком выполняется на уровне спинного мозга, что подтверждают эксперименты по изучению потирательного рефлекса у спинальной лягушки (Беркинблит М.Б., Жаркова И.С., Фельдман А.Г., Фуксон О.И. 1984).
Генератор, в зависимости от типа организуемого движения, может быть устроен различно. В случае линейного изменения параметра, когда форма изменения не важна и движение можно прекратить в любой момент, генератору должны быть заданы момент начала движения и скорость изменения параметра (темп движения), а момент окончания может определяться по наступанию некоторого целевого события. Но возможны случаи, когда принципиально'важна сама форма изменения параметра; тогда можно представить генератор состоящим из трех
функциональных блоков (рис. 3). Первый блок - генератор линейного нормированного выхода. По сигналу начала движения выходной сигнал этого блока поступает на вход функционального преобразователя, который преобразует линейно нарастающий входной сигнал в выходном определенной формы, задающей специфику данного частного движения. Так как входной сигнал функционального преобразователя нормирован, выходной также оказывается нормированным. Учет конкретной текущей ситуации при необходимости осуществляется в блоке модуляции, где информация о начальном состоянии меняет, например, амплитуду сигнала. Сигнал с выхода блока модуляции задает уже тре буемое изменение целевого параметра движения и поступает на подуровень С1.
Вкл. Темп Начальное расстояние до цели
у1
Ггшрлч)] .тюшпт Футдана-ишн Мщумюр
Я1|'*>!ЦЧМ)Ш>Ги 1:;и/>1чииитп
—> /1
/ \ ч
1
Рис. 3. Функциональная схема генератора требуемого расстояния до цели.
Задача подуровня С1 - превращение общего целевого задания в задачи отдельных степеней подвижности. Здесь сравнивается задаваемое генератором расстояние до цели с тем же расстоянием на выходе подуровня С Я; вычисленное рассогласование подается на вычислители отдельных степеней подвижности, где с учетом кинематического положения данной степени подвижности в данный момент (поперечные связи блоков) относительно внутрицентрального образа цеди вычисляется требуемое изменение угла, причем все вычисления осуществляются непрерывно и в аналоговом режиме. То есть вычислители рассогласований являются функциональными преобразователями и осуществляют необходимое преобразование входных сигналов в выходные; алгоритм "вычисления" зафиксирован в структуре этих блоков. Непрерывное вычисление требуемых углов в степенях подвижности можно интерпреги-ровать как возникновение внутрицентрального образа конечности со своим движением и кинематическое положение данной степени подвижности учитывается не на реальной конечности, а именно на эгом внутрицентральном образе. Внутрицентральный образ цели формиру-
ется и* базе начальной информации в виде, позволяющем определить по крайней мере направление движения в данной степени подвижности, необходимое для уменьшения общего рассогласования. В нашей модели пычислители отдельных степеней подвижности определяли текущие значения своих углов по формуле:
«;:, - Cj ■(№(!)-г„)-у,/ Т-D, «'„,/(1 d(rj), (2) где С, н D, - константы; гв - расстояние от дистдльной точки внутри-центрального образа конечности до цели; у, - угол между направлением на цель и на дистальную точку (из данного сустава); d(rB) - функция, учитывающая стратегию усиления торможения при подходе к цели.
Все использованные а модели операции - сложение, вычитание, умножение, аналоговое интегрирование сигналов - в реальных условиях в ЦНС могут выполняться интернейронами спинною мозга (Адамович С.В., Беркинблит М.Б., Фельдман А.Г. 1990; Поэин Н.В. 1970).
Движение онутрицентрального образа конечности запускается по сигналу начала движения работой подуровней С1 и С2 и только отслеживается уровнем мышечно-суставных увязок, что позволяет просто игнорировать механические отклонения и помехи, пока они находятся в определенных рамках и позволяют в принципе выполнить движение. В случае невозможности продолжать движение от высших уровней поступает, видимо, сигнал экстренного окончания движения. Вычисленные на подуровне С1 требуемые значения углов для отдельных степеней подвижности поступают на. уровень мышечно-суставных увязок, главная задача которого - реализация внутрицентрально заданного движения конечности. В соответствии с описанным способом управления активные управляющие моменты в системе уравнений (1) определялись по формуле:
.М.„ = Л: • <и„, - и,) - В, («¡ - «;„) + f,(t) + 1>Ксе,) - Ш(и,), (3) где А, - наклон инвариантной характеристики сустава (Беркинблж М.Б., Гельфанд И.М., Фельдман А.Г. 1986); а,, «; - угол и скорость изменения угла в ¡-м суставе; аВ1, a¡„ - угол и скорость изменения угла в ¡-м суставе внутрицентрального образа конечности; В, - коэффициент демпфирования колебаний. Функция f¡(t) моделирует систему компенсации постоянных нагрузок (Hannaford В., Kim W.S., Lee S.H., Stark L. 1986), функции D1(u¡) и D2(u¡) имитируют упругие ограничители, не позволяющие суставным углам выходить за некоторые пределы значений. На функциональной схеме (рис. 2) этот уровень изображен как набор обычных следящих систем. Такое представление сустава с группами мышц антагонистов и иннервирующими их мотонейронами достаточно традиционно для физиологии движения (Гранит Р. 1973, Merton P.A.
1953), полную и законченную форму оно обрело о работах Фельдмана (Фельдман А.Г. 1979), причем для нашей схемы требуемое значение угла задает текущее положение равновесной точки. Реализация следящей системы на а- и у-мотонейронах спинного мозга подробно описана в (Дудел Дж., Циммерман М., Шмидт Р., Грюссер О. и др. 1985).
Обсуждение результатов моделирован мл.
Некоторые наиболее наглядные результаты моделирования приведены на рисунках 4 - б. На всех рисунках на А изображён график трех Функций примени: задаваемое генератором требуемое изменение расстояния от дистальной точки до цели (мелкий пунктир), расстояние от /легальной точки внутрицентрального образа конечности до цели (крупный пунктир), расстояние от дистальной точки модели реальной конечности до цели (сплошная линия); на Б - движение внутрицентрального образа конечности к цели; на В - движение модели реальной конечности.
Прежде всею, на модели была проверена принципиальная возможность выполнения целенаправленного движения по предложенному алгоритм у (Рис. 4). Из графиков на рисунках 4 - б видно, что тактика "минимума" рызкос" реализуется во всех смоделированных ситуациях за счёт работы двигательного генератора.
А Б В
[МГСТ
/
М 01 1.0 1.5 5» 1------------------------* «-.....—............
Рис. 4. Движение без помех (контроль), отклонения - только за счет метода управления.
Исследования на модели показали также, что механизм автономной работы каждого сустава на общую цель действительно делает управление медленным целенаправленным движением абсолютно нечувствительным к изменению начального положения; за счёт работы того же механизма закрепление одного из суставов также не влияет на характер движения, о чём свидетельствует график на рис. 5.
Работа механизма независимого вычисления требуемых углов в суставах с последующим их отслеживанием мышечно-суставной системой приводит к тому, что ни наличие груза до 5 кг в дистальной точке конечности, ни наличие толчков внешних сил в.пределах ± 15% не влия-
ют существенно на процесс достижения цели; графини для этих случаев почти неотличимы от графика на рис. 4. А. Этот же механизм определяет движение модели, в ходе которого происходит неожиданный кратковременный сдвиг дистальной точки конечности к цели (Рис. 6). В этом случае изменение расстояния до цели для модели соответствует известным экспериментальным данным для одкозвенной конечности (Bizzi Е., Ассогпего N.. Chappie W., Hogan N. 1934, 1982; Hogan N. 1982).
раит.
В
Рис. 5. Движение при закреплении третьего сустава; отклонение компенсируется системой управления автоматически за счёт независимой работы остальных суставов.
А Б В
Рис. 6. Движение, в ходе которого происходит резкий кратковременный сдвиг конечности от исходной точки к цели.'
Проведенные расчеты показали, что цель уверенно достигается во всех смоделированных ситуациях, что говорит о высокой надежности и помехоустойчивости предложенного алгоритма. Именно эти' его Свойства позволяют высшим уровням управляющей системы не вмешиваться в процесс достижения цели в очень широком диапазоне неожиданных изменений двигательной ситуации. Реализуется это за счёт описанных механизмов работы системы управления; наша исследование позволило вскрыть эти механизмы и задать направления поиска обеспечивающих их функционирование конкретных структур ЦНС. .
- 14 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Одна из особенностей описанной схемы системы управления движениями - разбиение сложной задачи построения движения, понимаемой как "преодоление избыточных степеней свободы двигательного органа" (Бернштейн H.A. 1966), на ряд более простых подзадач. На подуровне С2 уровня пространства осуществляется преодоление кинематических избыточных степеней свободы. Именно этот уровень задает специфику каждого частного движения, причем эта специфика определяется главным образом функциональным преобразователем (рис. 3). Некоторый набор нелинейных функциональных преобразователей (с соответствующими модуляторами) может задавать как раз базовый словарь движений, из которого путем координации и взаимовлияния генераторов может строиться вся двигательная активность организма. На подуровне С1 уровня пространства осуществляется преодоление избыточных степеней свободы, обусловленных многозвенностью обьекта управления. Здесь общая двигательная задача превращается в подзадачи для отдельных степеней подвижности, причем эти подзадачи могут решаться относительно независимо и координироваться лишь по результатам общего действия и кинематическому положению звеньев. Если двигательный генератор определяет специфику движения, то вычислители требуемых углов в суставах определяют кинематическую специфику объекта управления, а уровень мышечно-суставных увязок -его динамическую специфику. На последнем уровне редуцируется динамическая избыточность, обусловленная неоднозначностью динамической реализации движения; механизм работы этого уровня и все его преимущества подробно описаны Фельдманом (Фельдман А.Г. 1979).
Таким образом, вычислители требуемых углов в суставах подуровня С1 и весь уровень мышечно-суставных увязок связаны с конкретным объектом управления и к ним могут "подключаться" двигательные генераторы, задающие различные движения. С другой стороны, некоторый двигательный генератор может "подключаться" к различным наборам нижележащих блоков схемы и таким образом реализовать одно'движение на разных объектах управления (например, на разных конечностях). Разумеется, каждое такое "подключение" требует соответствующей перестройки информационных связей.
Предложенная функциональная структура системы управления была проверена на модели; для этого пришлось смоделировать на ЭВМ как работу управляющей системы, так и динамику исполнительного органа. Структура системы управления оказалась такова, что полное время движения задается произвольно и независимо от других параметров;
ни динамика, ни кинематика движения системой управления не вычисляются, поскольку движение осуществляется за счет простых независимых алгоритмов работы отдельных степеней подвижности; характер движения дистальной точки конечности к цели прямо задается системой управления. Организованное таким образом движение оказалось нечувствительным к изменению начального положения, толчкам внешних сил, флуктуациям параметров приводов, отклонениям, задержкам и закреплению отдельных степеней подвижности, т.е. проявило все свойства, выявленные в экспериментальных исследованиях аналогичных - движений у человека и животных.
Интересно также сопоставить наши данные с данными спортивной медицины. Есть виды спорта, в которых спортсмен должен производить точные целенаправленные движения конечности (фехтование, спортивное каратэ, бокс и т.д.). Предложенная схема управления подсказывает, что можно фиксировать - и, соответственно, раздельно исправлять - три типа неточностей: неточность траектории движения кисти; неточность задания формы конечности (углов в суставах); неточность отслеживания парой мышц-антагонистов заданного суставного угла.
И, наконец, поскольку функциональная схема управления воспроизводит все экспериментально выявленные свойства медленных целенаправленных движений в норме, можно попытаться применить её и к уточнению причин и характера некоторых двигательных заболеваний. Известно, что при болезни Паркинсона наблюдается симптом акинезии, когда при сохранении возможности выполнения целенаправленного движения возникают трудности с его запуском. Это хорошо согласуется с нашей схемой, поскольку означает, что нарушений на спинальном уровне нет, неадекватно работает или уровень действий (базальные ганглии), или нисходящие тракты, по которым к генератору поступает сигнал начала движения. В этом случае болевое раздражающее воздействие по-прежнему может запустить нормальное целенаправленное ' движение. Но иногда при паркинсонизме меняется сам характер движения руки к цели, движение теряет плавность разгона и торможения -это означает, что нарушена уже работа спйнальных интернейронов двигательного генератора. В некоторых случаях при паркинсонизме наблюдается невозможность согласованного изменения углов в суставах конечности, движение выполняется только путём серии последовательных сгибаний и разгибаний конечности - это должно означать органические нарушения в слиналЬных интернейронах, на которых построена работа вычислителя рассогласований или вычислителей требуемых углов в суставах. Такой подход позволяет построить методику
тонкого тестирования и задать направления поиска морфологических проявлений болезни при паркинсонизме.
ВЫВОДЫ
1. Управление движением типа достижения точки представляет собой преодоление трех типов избыточных степеней свободы:
- множественности возможных траекторий и способов перемещения конечное ги к цели,
- множественности возможных изменений углов в отдельных суставной степенях подвижности для каждой траектории перемещения диет альной точки; ■ ' •,..'..
- множественности возможных динамических реализаций кинематики изменения угла в каждом суставе.
При этом каждый тип избыточности может преодолеваться отдельным функциональным блоком биологической системы управления движениями, работа блоков согласуется иерархически. .
2. Неопределенность целевой траектории и способа ее прохождения может преодолеваться зн счет прямой генерации желаемого изменения расстояния до цели на персом уровне биологической системы управления движением.
3. На втором уровне система управления вычисляет непрерывно тре--буемые значения углов в степенях подвижности суставов, что можно интепцретирозать как возникновение движущегося енутрицентрального образа реальной конечности, его движение организуется работой простых независимых алгоритмов управления каждой степени подвижности, ориентированных на достижение 'одной цели, что позволяет снять неопределенность, связанную с многозвенностью конечности.
4. Управляющий блек, каждой степени подвижности стремится уменьшить отклонение расстояния До цели, вычисленного на внутри-центральном образе конечности, от заданного с .верхнего уровня требуемого значения этого расстояния. Такой алгоритм делает управление нечувствительным к закреплению или повреждению отдельного с устава и к смене начальной и конечной точек движения.
5. Вычисленные на втором уровне текущие требуемые значения суставных углов поступают на третий урозень, биологической системы управления движением и отслеживаются на реальной конечности механизмом равновесной точки. Такой способ реализации движения делает управление нечувствительным к динамическим помехам и колебаниям параметров мышц. , ,
Работы, опубликованные по теме диссертации.
1. Карсаков Е.А., Скоринкин А.И., Бахтин А.Ю. Бионические аспекты робототехники.// Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение безопасности оборудования и технологических процессов на основе применения средств автоматической защиты и промышленных роботов", 18-20 ноября 1981 года: Тезисы докладов - Казань, 1981.-С. 75 - 76.
2. Карсаков Е.А., Килеев И.И., Скоринкин А.И, Модель адаптивного привода.// Всесоюзная научно-техническая конференция "Адаптивные роботы -82", г. Нальчик, 14-16 сентября 1982 года: Тезисы докладов.-Москва, 1982.- С. 100 - 101.
3. Скоринкин А.И. бионический подход к управлению движением роботов.// Пятая Всесоюзная конференция по управлению в механических системах, 12-14 июня 1985 года: Тезисы докладов.- Казань, 1985.- С. 145.
4. Скоринкин А.И. Управление движением в биосистемах' (обзор).-Казань, 1988.- 30 е.- Деп. в ВИНИТИ 11.02.88, N 1168 - В88.
5. Скоринкин А.И. Функциональная схема трехуровневой системы управления движениями.- Казань, 1991.- 11 е.- Деп в ВИНИТИ 18.01.91, N317-B91.
6. Скоринкин А.И. Управление движением многосуставной конечности при достижении целевой точки.- Казань, 1990.- Деп. в ВИНИТИ 18.01.91, N 318 - В91. . ;
7. Скоринкин А.И. Модель реализации движения в суставе при помехах и отклонениях.- Казань, 1990.-Деп. в ВИНИТИ 18.01.91, N 319 -В91.
8. Скоринкин А.И. Моделирование целенаправленного движения пя тизвеиной конечности при помехах и отклонениях.- Казань, 1991.- 38 е.- Деп в ВИНИТИ 30.09.91, М 3825 - В91.
9. Скоринкин А.И. Моделирование целенаправленного движения пя-тизвенной конечности с мышцеподобными приводами.- Казань, 1992.14 с,- Деп. в ВИНИТИ 03.06.92, N 1830 - В92.
10. Скоринкин А.И. Моделирование пространственных целенаправленных движений конечности.- Казань, 1993.- 23 е.- Деп. в ВИНИТИ 21.09.93, N 2443-В93.
- Скоринкин, Андрей Иванович
- кандидата биологич. наук
- Казань, 1995
- ВАК 03.00.13
- Состояние межконечностных связей при циклических движениях рук и ног в норме и при церебральных нарушениях
- Обобщенная система походок и некоторые вопросы локомоторных адаптаций парнокопытных
- Моделирования координации движений при локомоции на основе синхронизации осцилляторов
- Биоинформационный анализ параметров организма больных облитерирующим атеросклерозом артерий нижних конечностей с синдромом критической ишемии
- Соматосенсорное обеспечение механизмов реализации центральных моторных программ простых двигательных актов