исследование и разработка методов управления

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ
АНТРОПОМОРФНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ
АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ МОЗГОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Р.В. Олейник, И.И. Борисов, С.С. Резников
СПб НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
[email protected]
УДК 62-503.55
Аннотация. Доклад посвящен биомеханическим исследованиям, в частности описанию движения
верхних конечностей человека с точки зрения биомеханики,
и достижениям в области
протезирования верхних конечностей. В докладе рассмотрены основные преимущества и недостатки
существующих бионических протезов. В связи, с чем были выведены основные требования к
проектируемой системе. На основе сформулированных требований была разработана и
спроектирована антропоморфная система с целью описания движения кисти человека. В докладе
подробно изложены принципы управления системой и дальнейшие пути развития.
Объектом исследований в данной работе является кисть человека. До сих пор считается, что человеческая
кисть является самым лучшим "биоманипулятором" среди аналогичных приспособлений позвоночных
животных. Причем она одновременно и самый универсальный манипулятор — мы можем совершать с ее
помощью множество разнообразных и одновременно высокоточных движений. Эволюция потратила
тысячелетия на то, чтобы довести это весьма полезное устройство до совершенства, хотя, без сомнения,
люди и сами ей в этом помогали. Традиционная точка зрения по поводу формирования этой части тела
выглядит так: унаследовав от древесных предков гибкую и приспособленную к хватательным движениям
кисть, древние люди начали использовать ее для манипуляций с предметами в процессе изготовления
орудий труда. Это способствовало развитию гибкости пальцев и ладони, а также противопоставлению
большого пальца всем остальным. В какой-то момент естественный отбор стал благоприятствовать особям с
именно такой кистью, и, обеспечивающие подобное строение данной части тела, гены стали
доминирующими в человеческой популяции. Проще говоря, еще со времен Фридриха Энгельса ученые
считали, что развитие кисти шло по пути повышения ее способности к манипуляции с предметами.
Непосредственно, задачей, которая была поставлена, является проектирование антропоморфного
механического манипулятора на основе встроенного микроконтроллера и системы управлении им с целью
описания движения кисти человека. Суть исследования состоит в изучении процесса управления движением
сервоприводов манипулятора, по средствам удаленной передачи данных, фиксируемых с помощью
электроэнцефаллографа и дальнейшей их обработке.
В работе были рассмотрены методы и способы биомеханических исследований, существующие
проблемы в области протезирования, а также механизм движений верхних конечностей. Исходя из
полученных сведений, можно подвести итог: большинство бионических протезов на сегодняшний день
имеет существенно высокую стоимость, а также недостатки в виде отсутствия или неполноценности
обратной связи между протезом и человеком.
В качестве метода описания движения верхней конечности человека в данной работе решено
использовать анализ с помощью механической модели кисти, портативного электроэнцефаллографа с двумя
контактами в качестве чувствительных элементов и необходимых программных пакетов.
В ходе работ был спроектирован и испытана рука-манипулятор, в основе управляющей схемы которой
находится микроконтроллер Arduino. На рисунке 1 представлена спроектированная рука-манипулятор.
Рис 1.
«Рука» представляет собой пятипалую «кисть» с подвижными «пальцами», «ладонь», «запястье»
являющееся кронштейном из двух соединённых сервоприводов, а также «предплечье», выполненное в с
использованием технологий 3D-печати, как и все прочие детали, кроме «запястья». Каждый «палец»
привязан натянутым тросиком к отдельному сервоприводу, в свою очередь, сервоприводы закреплены в
«предплечье» и подключены к управляющей плате (Arduino). Управляющий сигнал, поступающий на плату,
генерируется портативным электроэнцефаллогафом, собранным в домашних условиях. На данном этапе
исследование принципиальная схема электроэнцефаллографа находится в стадии тестирования и доработки.
Целью доработки является обеспечение четкого отслеживания альфа- и бета-ритмов. Альфа-ритм (α-ритм)
— ритм ЭЭГ в полосе частот от 8 до 14 Гц, средняя амплитуда 30—70 мкВ, могут однако наблюдаться
высоко- и низкоамплитудные α-волны. Регистрируется у 85—95% здоровых взрослых. Лучше всего
выражен в затылочных отделах. Наибольшую амплитуду α-ритм имеет в состоянии спокойного
бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемнённом помещении. Блокируется или ослабляется при
повышении внимания (в особенности зрительного) или мыслительной активности.
Для этого ритма характерно возникновение спонтанных изменений амплитуды (модуляции α-ритма),
выражающихся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием так называемых
«веретён», длительность которых чаще всего колеблется от 2 до 8 с. Различают α-активность (состоит из αволн с длительностью от 80 до 125 мс и регистрируется в любых мозговых структурах) и α-ритм (регулярная
волновая активность с частотой порядка 10 Гц, регистрируемая в затылочных областях). Согласно
некоторым исследованиям, ритмичность и чёткая периодичность α-ритма определяют его возможную роль в
сканировании и квантовании поступающей информации.
Бета-ритм (β-ритм) — ритм ЭЭГ в диапазоне от 14 до 30 Гц с напряжением 5—30 мкВ, присущий
состоянию активного бодрствования. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при
различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга.
Так, выраженность β-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации
внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении. Бета-волны по форме близки к
треугольным вследствие заострённости вершин. Относятся к быстрым волнам. Их амплитуда в 4—5 раз
меньше, чем амплитуда α-волн. β-ритм характерен для стадии быстрого сна или при решении сложных
вербальных задач.[5]
В итоге, в данной работе был исследован механизм движений верхней конечности человека на основе
методов биомеханики. Также был сделан подробный обзор существующих на данный момент бионических
протезов и рассмотрены наиболее современные системы со своими преимуществами и недостатками, в
результате чего сформулированы требования к разрабатываемой системе и выбраны необходимые
устройства.
Благодаря полученным сведениям была спроектирована конструкция, создан макет механической
модели руки человека, а также разработана система управления созданной моделью. В основе управляющей
системы находятся микроконтроллеры, для которых был разработан алгоритм, написана и испытана
программа в среде программирования Arduino.
В качестве дальнейших путей развития системы можно указать разработку способов передачи
обратного сигнала человеку, с целью повышения управляемости механической модели, то есть оснащение
системы функциями обратной связи, а также улучшение конструкции и дизайна для обеспечения большего
подобия руке человека и обеспечение компактности устройства.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
2.
3.
4.
5.
Зацисорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. //Биомеханика двигательного аппарата
человека//– М,: Физкультура и спорт. 1981. - 143 с., ил. – ( Наука - спорту).
Бранков Г.:[Пер. с болгарского] Джупанова В., [Под редакцией] Кнетса И.В. //Основы
биомеханики//– М,: Издательство "Мир" Москва 1981 – 256 с.: ил.
BugaBooks [Электронный ресурс]: Учебник для ВУЗов. В.И. Дубровский, В.Н. Федорова//
Биомеханика// – Режим доступа: – http://bugabooks.com/book/22-biomexanika/2annotaciya.html – Загл. с экрана. – Яз. рус.
Соммер У. //Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino//— Спб.:
БХВ-Петербург, 2012. 256 c. ил — (Электроника) ISBN 978-5-9775-0727-1
Jensen O., Goel P., Kopell N., Pohja M., Hari R., Ermentroutf B. //On the human sensorimotorcortex beta rhythm: Sources and modeling // NeuroImage. — 2005. — Т. 26. — С. 347 –
355. — DOI:10.1016/j.neuroimage.2005.02.008
А.К.Платонов [и др.] //Методы биомехатроники тренажёра руки человека // Препринты
ИПМ им. М.В.Келдыша. 2012. № 82. 40 с.
URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2012-82
6.