Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Когда люди перемещаются по окружающей среде, они должны изменять жесткость своих суставов, чтобы эффективно взаимодействовать с окружающей средой. Жесткость - это степень сопротивления объекта деформации при воздействии известной силы. Эта идея также называется импедансом, однако иногда идея деформации под данной нагрузкой обсуждается под термином «податливость», который является противоположностью жесткости (определяемой как величина деформации объекта под определенной известной нагрузкой). Чтобы эффективно взаимодействовать с окружающей средой, люди должны регулировать жесткость своих конечностей. Это достигается за счет совместного сокращения антагонистических групп мышц. [1] [2]

Люди используют нейронный контроль наряду с механическими ограничениями тела, чтобы регулировать эту жесткость, когда тело выполняет различные задачи. Было показано, что люди изменяют жесткость своих конечностей при выполнении таких задач, как прыжки [3], выполнение задач с точным достижением [4] или бег по разным поверхностям. [5]

Хотя точный метод, с помощью которого происходит эта нейронная модуляция жесткости конечностей, неизвестен, было предложено множество различных гипотез. Тщательное понимание того, как и почему мозг контролирует жесткость конечностей, может привести к усовершенствованию многих роботизированных технологий, которые пытаются имитировать движения человека. [2]

Скованность [ править ]

Жесткость обычно рассматривается как свойство материала, описывающее степень деформации материала под действием заданной силы в соответствии с законом Гука . Это означает, что объекты с более высокой жесткостью сложнее изгибать или деформировать, чем объекты с более низкой жесткостью. Эту концепцию можно распространить на конечности и суставы биологических организмов, в которых жесткость описывает степень отклонения (или изгиба) конечности или сустава под действием данной нагрузки. Жесткость конечностей также можно описать как статический компонент импеданса . [1] [6] Люди изменяют жесткость своих конечностей и суставов, чтобы адаптироваться к окружающей среде. [5] Жесткость конечностей и суставов изучалась ранее и может быть оценена различными способами. Основной принцип расчета жесткости - это разделение деформации конечности на силу, приложенную к конечности, однако существует несколько методов количественной оценки жесткости конечности и суставов с различными плюсами и минусами. При количественной оценке жесткости конечностей нельзя просто суммировать жесткости отдельных суставов из-за нелинейностей многосуставной системы.

Некоторые из конкретных методов расчета жесткости конечностей можно увидеть ниже: [7]

Вертикальная жесткость ( k vert ) - это количественная мера жесткости ног, которую можно определить с помощью следующих уравнений: [7] 

Где F max - максимальная вертикальная сила, а дельта y - максимальное вертикальное смещение центра масс.  

Где m - масса тела, а P - период вертикальной вибрации.

Где m - масса тела, а ω 0 - собственная частота колебаний. 

Жесткость конечности (K_limb) - это жесткость всей конечности, которая может быть определена следующими уравнениями:

Где F max - максимальная приложенная сила, а ΔL - изменение длины конечности. 

Торсионная Жесткость (K_joint) является жесткость вращения сустава и может быть определено с помощью следующих уравнений:

Где ΔM - это изменение шарнирного момента, а Δθ - изменение шарнирного угла.

Где W - отрицательная механическая работа в соединении, а Δθ - изменение угла соединения.

Эти различные математические определения жесткости конечностей помогают описать жесткость конечностей и показывают методы, с помощью которых такая характеристика конечности может быть определена количественно.

Модуляция жесткости [ править ]

Человеческое тело способно регулировать жесткость конечностей с помощью различных механизмов с целью более эффективного взаимодействия с окружающей средой. Тело изменяет жесткость своих конечностей с помощью трех основных механизмов: сократения мышц, [1] [8] [9] выбора позы [6] и посредством рефлексов растяжения. [1] [10] [11] [12]

Сокращение мышц (подобное мышечному тонусу ) может изменять жесткость сустава за счет действия антагонистических мышц, действующих на сустав. Чем сильнее сила мышц-антагонистов сустава, тем жестче становится сустав. [2] [8] Выбор позы также влияет на жесткость конечности. Регулируя ориентацию конечности, можно управлять внутренней жесткостью конечности. [6] Кроме того, рефлексы растяжения в конечности могут влиять на жесткость конечности, однако эти команды не отправляются из мозга. [10] [11]

Передвижение и прыжки [ править ]

Когда люди ходят или бегают по разным поверхностям, они регулируют жесткость своих конечностей, чтобы поддерживать сходные двигательные механизмы независимо от поверхности. По мере изменения жесткости поверхности люди адаптируются, изменяя жесткость конечностей. Эта модуляция жесткости позволяет бегать и ходить с одинаковой механикой независимо от поверхности, что позволяет людям лучше взаимодействовать и адаптироваться к окружающей среде. [3] [5] Таким образом, модуляция жесткости имеет применение в областях управления моторикой и других областях, относящихся к нейронному управлению движением.

Исследования также показывают, что изменение жесткости конечностей важно при прыжках, и что разные люди могут контролировать это изменение жесткости по-разному. Одно исследование показало, что у взрослых при выполнении подпрыгивающего задания у взрослых было больше упреждающего нервного контроля, мышечных рефлексов и относительная жесткость ног, чем у их молодых сверстников. Это указывает на то, что контроль жесткости может варьироваться от человека к человеку. [3]

Точность движения [ править ]

Нервная система также контролирует жесткость конечностей , чтобы модулировать степень точности, которая требуется для данной задачи. Например, точность, необходимая для того, чтобы схватить чашку со стола, сильно отличается от точности хирурга, выполняющего точную задачу со скальпелем . Для выполнения этих задач с различной степенью требуемой точности нервная система регулирует жесткость конечностей. [4] [6] Для выполнения очень точных задач требуется более высокая жесткость, однако при выполнении задач, где точность не столь важна, требуется жесткость нижних конечностей. [4] [6] В случае точных движений центральная нервная система способна точно контролировать жесткость конечностей, чтобы ограничить изменчивость движений. мозжечоктакже играет большую роль в контроле точности движений. [13]

Это важное понятие для повседневных задач, таких как использование инструмента. [6] [14] Например, при использовании отвертки, если жесткость конечностей слишком мала, у пользователя не будет достаточного контроля над отверткой, чтобы вкрутить винт. Из-за этого центральная нервная система увеличивает жесткость конечностей, позволяя пользователю точно маневрировать инструментом и выполнять задачу.

Нейронный контроль [ править ]

Точный механизм нейронного контроля жесткости неизвестен, но в этой области был достигнут прогресс с множеством предложенных моделей того, как модуляция жесткости может осуществляться нервной системой. У жесткости конечностей есть несколько компонентов, которые необходимо контролировать, чтобы обеспечить соответствующую жесткость конечностей.

Сочетание механики и нейронного управления [ править ]

И нервный контроль, и механика конечности влияют на ее общую жесткость. Сокращение антагонистических мышц, положение конечности и рефлексы растяжения внутри конечности - все это способствует скованности и зависит от нервной системы. [1] [6]

Жесткость конечности зависит от ее конфигурации или расположения суставов. [1] [6] Например, слегка согнутая рука будет легче деформироваться под действием силы, направленной от руки к плечу, чем прямая рука. Таким образом, жесткость конечности частично определяется положением конечности. Этот компонент жесткости конечности обусловлен механикой конечности и контролируется произвольно.

Произвольная и непроизвольная модуляция жесткости [ править ]

Некоторые компоненты жесткости конечностей находятся под произвольным контролем, а другие - непроизвольными. [6] Определяющим фактором относительно того, контролируется ли компонент жесткости добровольно или непроизвольно, является временная шкала метода действия этого конкретного компонента. Например, корректировки жесткости, которые происходят очень быстро (80–100 миллисекунд), являются непроизвольными, тогда как более медленные корректировки и корректировки жесткости находятся под произвольным контролем. Многие из произвольных регулировок жесткости контролируются моторной корой, в то время как непроизвольные корректировки могут контролироваться рефлекторными петлями в спинном мозге или других частях мозга. [8] [10] [13]

Регулировка жесткости из-за рефлексов является непроизвольной и контролируется спинным мозгом, в то время как выбор позы контролируется произвольно. [6] Однако не каждый компонент жесткости является строго добровольным или непроизвольным. [8] Например, антагонистическое сокращение мышц может быть произвольным или непроизвольным. Кроме того, поскольку большая часть движений ног контролируется спинным мозгом и из-за большей нервной задержки, связанной с посылкой сигналов мышцам ног, жесткость ног контролируется более непроизвольно, чем жесткость рук.

Возможные модели нейронного управления [ править ]

Исследователи начали внедрять контроллеры в роботов для контроля их жесткости. Одна из таких моделей регулирует жесткость во время передвижения робота, фактически сокрывая антагонистические мышцы вокруг суставов робота, чтобы модулировать жесткость, в то время как центральный генератор паттернов (CPG) управляет движением робота. [15]

Другие модели нейронной модуляции жесткости включают в прямой связи модель жесткости регулирования. Эти модели нейронного управления поддерживают идею о том, что люди используют механизм прямого выбора жесткости в ожидании необходимой жесткости, необходимой для выполнения данной задачи. [16]

Большинство моделей нейронного контроля жесткости продвигают идею о том, что люди выбирают оптимальную жесткость конечностей в зависимости от окружающей среды или поставленной задачи. Исследования постулируют, что люди делают это, чтобы стабилизировать нестабильную динамику окружающей среды, а также максимизировать энергоэффективность данного движения. [6] [14] Точный метод, с помощью которого люди достигают этого, неизвестен, но контроль импеданса использовался, чтобы дать представление о том, как люди могут выбирать подходящую жесткость в различных средах и как они выполняют разные задачи. [1]Контроль импеданса послужил основой для большей части работы, проделанной в области определения того, как люди взаимодействуют с окружающей средой. Работа Невилла Хогана была особенно полезной в этой области, так как большая часть работы, проводимой сегодня в этой области, основана на его предыдущей работе. [1]

Приложения в робототехнике [ править ]

Нейропротезирование и экзоскелеты [ править ]

Роботизированная нога с приводом от пневматических мышц

Знания об изменении жесткости человека и выборе жесткости повлияли на конструкцию роботов, поскольку исследователи пытаются создать роботов, которые действуют больше как биологические системы. Чтобы роботы действовали больше как биологические системы, предпринимаются попытки реализовать модуляцию жесткости в роботах, чтобы они могли более эффективно взаимодействовать со своей средой.

Современные нейропротезы попытались реализовать контроль жесткости в своих роботизированных устройствах. Цель этих устройств - заменить конечности людей с ампутированными конечностями и позволить новым конечностям регулировать свою жесткость, чтобы эффективно взаимодействовать с окружающей средой. [17]

Кроме того, роботизированные экзоскелеты пытались реализовать аналогичную регулируемую жесткость в своих устройствах. [18] Эти роботы реализуют контроль жесткости по нескольким причинам. Роботы должны иметь возможность эффективно взаимодействовать с внешней средой, но они также должны иметь возможность безопасно взаимодействовать со своим пользователем-человеком. [19] Модуляция жесткости и контроль импеданса могут использоваться для достижения обеих этих целей.

Эти устройства достигают переменной жесткости различными способами. В некоторых устройствах используются контроллеры и жесткие серводвигатели для имитации переменной жесткости. В других устройствах используются специальные гибкие приводы для достижения различных уровней жесткости конечностей.

Техники срабатывания [ править ]

Эти роботизированные устройства могут достигать переменной жесткости с помощью различных механизмов, таких как моделирование изменения жесткости путем управления жесткими приводами или с помощью приводов с переменной жесткостью. Приводы переменной жесткости имитируют биологические организмы, изменяя присущую им жесткость. [2] Эти акутаторы переменной жесткости могут контролировать присущую им жесткость множеством способов. Некоторые изменяют свою жесткость так же, как это делают люди, за счет изменения силового вклада антагонистических механических мышц. Другие исполнительные механизмы могут регулировать свою жесткость, используя свойства деформируемых элементов, размещенных внутри исполнительных механизмов.

Используя эти технологии срабатывания с изменяемой жесткостью, новые роботы смогли более точно воспроизводить движения биологических организмов и имитировать их энергетическую эффективность.

См. Также [ править ]

  • Активный экзоскелет
  • Нейропротезирование
  • Робототехника
  • Жесткость
  • Блок управления двигателем
  • Неврология
  • Моторная координация

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Хоган, Невилл (1985). «Механика многосуставной позы и управления движениями». Биологическая кибернетика . 52 (5): 315–331. DOI : 10.1007 / bf00355754 . PMID  4052499 . S2CID  25966675 .
  2. ^ a b c d Van Ham, R .; Сахар, ТГ; Vanderborght, B .; Холландер, кВт; Лефебер, Д. (2009). «Соответствующие конструкции приводов». Журнал IEEE Robotics & Automation Magazine . 16 (3): 81–94. DOI : 10.1109 / mra.2009.933629 . S2CID 50682770 . 
  3. ^ а б в Оливер, JL; Смит, PM (2010). «Нейронный контроль жесткости ног во время прыжков у мальчиков и мужчин». Журнал электромиографии и кинезиологии . 20 (5): 973–979. DOI : 10.1016 / j.jelekin.2010.03.011 . PMID 20409733 . 
  4. ^ a b c Lametti, Daniel R .; Уль, Гийом; Остри, Дэвид Дж. (2007). «Контроль вариативности движений и регулирование импеданса конечностей». Журнал нейрофизиологии . 98 (6): 3516–3524. DOI : 10,1152 / jn.00970.2007 . PMID 17913978 . 
  5. ^ a b c Феррис, Дэниел П .; Луи, Микки; Фарли, Клэр Т. (1998). «Бег в реальном мире: регулировка жесткости ног для разных поверхностей» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 265 (1400): 989–994. DOI : 10,1098 / rspb.1998.0388 . PMC 1689165 . PMID 9675909 .  
  6. ^ a b c d e f g h i j k Trumbower, Randy D; Крутки, Массачусетс; Ян, Б .; Перро, EJ (2009). «Использование самостоятельно выбранных поз для регулирования жесткости нескольких суставов при выполнении неограниченных задач» . PLOS ONE . 4 (5): e5411. Bibcode : 2009PLoSO ... 4.5411T . DOI : 10.1371 / journal.pone.0005411 . PMC 2671603 . PMID 19412540 .  
  7. ^ a b Батлер, RJ; Кроуэлл, HP; Дэвис, И.М. (2003). «Скованность нижних конечностей: последствия для работоспособности и травмы». Клиническая биомеханика . 18 (6): 511–517. DOI : 10.1016 / s0268-0033 (03) 00071-8 . PMID 12828900 . 
  8. ^ a b c d Людвиг, Дэниел П.; Кирни, RE (2007). «Оценка в реальном времени внутренней и рефлекторной жесткости». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . 54 (10): 1875–1884. DOI : 10.1109 / tbme.2007.894737 . PMID 17926686 . S2CID 17908248 .  
  9. ^ Хайтманн S, папоротники N, Breakspear М (2012). «Совместное сокращение мышц регулирует амортизацию и стабильность суставов в трехзвенной биомеханической конечности» . Границы нейроробототехники . 5 (5): 1. DOI : 10,3389 / fnbot.2011.00005 . PMC 3257849 . PMID 22275897 .  
  10. ^ a b c Николс, TR; Houk, JC (1976). «Улучшение линейности и регулирование жесткости в результате действия рефлекса растяжения». J. Neurophysiol . 39 (1): 119–142. DOI : 10,1152 / jn.1976.39.1.119 . PMID 1249597 . 
  11. ^ a b Шеммелл, Джонатан; Крутки, Массачусетс; Перро, Э.Дж. (2010). «Чувствительные к растяжению рефлексы как адаптивный механизм для поддержания устойчивости конечностей» . Клиническая нейрофизиология . 121 (10): 1680–1689. DOI : 10.1016 / j.clinph.2010.02.166 . PMC 2932821 . PMID 20434396 .  
  12. ^ Trumbower, RD; Финли, JM; Shemmell, JB; Ханикатт, CF; Перро, Э.Дж. (2013). «Двусторонние нарушения в зависимой от задачи модуляции длинно-латентного рефлекса растяжения после инсульта» . Клиническая нейрофизиология . 124 (7): 1373–1380. DOI : 10.1016 / j.clinph.2013.01.013 . PMC 3674210 . PMID 23453250 .  
  13. ^ a b Дейл Пёрвс; и др., ред. (2007). Неврология (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0878936977.
  14. ^ a b Burdet, E .; Osu, R .; Франклин, DW; Milner, TE; Кавато, М. (2001). «Центральная нервная система стабилизирует нестабильную динамику, обучаясь оптимальному сопротивлению». Природа . 414 (6862): 446–449. Bibcode : 2001Natur.414..446B . DOI : 10.1038 / 35106566 . PMID 11719805 . S2CID 559162 .  
  15. ^ Сюн, Сяофэн; Worgotter, F .; Манунпонг, П. «Адаптивная нейромеханическая модель для модуляции импеданса мышц у роботов на ногах». Cite journal requires |journal= (help)
  16. ^ Ху, Сяо; Мюррей, ВМ; Перро, Э.Дж. (2012). «Биомеханические ограничения прямого регулирования жесткости конечной точки» . Журнал нейрофизиологии . 108 (8): 2083–2091. DOI : 10,1152 / jn.00330.2012 . PMC 3545028 . PMID 22832565 .  
  17. ^ Файт, Кевин; Mitchell, J .; Sup, F .; Гольдфарб, М. (2007). «Разработка и контроль коленного протеза с электрическим приводом». Конференция по реабилитационной робототехнике .
  18. ^ Ван Дер Коой, H .; Veneman, J .; Эккеленкамп Р. (2006). Конструкция экзоскелета с управляемым импедансом для робота-тренажера ходьбы . Конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . 1 . С. 189–93. DOI : 10.1109 / IEMBS.2006.259397 . ISBN 978-1-4244-0032-4. PMID  17946801 . S2CID  6555957 .
  19. ^ Казеруни, Homayoon (1996). «Технология усилителя мощности человека в Калифорнийском университете в Беркли». Журнал робототехники и автономных систем . 19 (2): 179–187. DOI : 10.1016 / S0921-8890 (96) 00045-0 . PMID 11540395 .