مقاله کامل در مورد شبيه سازي حركات انسان

پيشگفتار :
يكي از معلوليتهاي مادرزادي و اكتسابي (مانند جنگ و حوادث كارخانجات) قطع عضو اندام فوقاني و تحتاني مي باشد ، هر سطح قطع عضو از ناحيه انگشتان تا مقاطع مختلف آن عضو اتفاق مي افتد . از زمانهاي بسيار دور به هر علت زير بشر به فكر جاگزيني اندام فوقاني و تحتاني صدمه اين بوده است :
الف : از نظر رواني و زيبايي
ب: از نظر كاربرد عملي و رفع وابستگي به غير
وسايل كمكي اندام تحتاني جهت راه رفتن ، نشستن و غيره از اهميت خاصي برخوردار است ، در صورتيكه اعضاء مصنوعي اندام فوقاني در انجام كار و فعاليت اقتصادي و اجتماعي و استقلال شخصي حائز اهميت بسيار است .
جايگزيني اندام فوقاني را بصورت زير ناتوان طبقه بندي كرده :
1ـ قطع يك يا چند انگشت 2ـ قطع از ناحيه مچ دست
3ـ قطع از نواحي مختلف ساعد 4ـ قطع از ناحيه آرنج
5ـ قطع از نواحي مختلف بازو 6ـ قطع كامل بازو
7ـ قطع از ناحيه كمر بندي كتفي
نظر به اينكه آمار و اطلاعات ميزان شايعات دست (چپ و راست) هيچگونه دلالتي بر غالب بودن تعداد برخي از اين ضايعات بر برخيديگر ندارد ، همواره مراكز درماني و مؤسسات توليدي پيش بني لازم جهت يكدست كامل را مينمايند (پنجه ، آرنج ، شانه) تا بتوانند جهت الگوي معلولين باشند .
الف: ارزشيابي باقي مانده از لحاظ طول ، قطر و غيره
ب: مشخص كردن نوع و تعداد مفاصل و دامنه حركتي آنها
ج: تهيه ثابت كننده (ساكت) جهت اتصال عضو مصنوعي به عضو باقيمانده .
د: با در نظر گرفتن دست مصنوعي عامل حركتي انتخاب و در عضو باقيمانده بقيه مي شود .
مقدمه :
هدف از كاربرد دست و پاي مصنوعي چاره جوئي اشكالات حركتي است ، در اثر نقص عضو يا قطع دست و پاي طبيعي در شخص بوجود مي آيد ، ساده ترين صورت اين وسيله دست و پاي چوبين بدون مفصل و چنگك است . كاملترين صورت آن دست و پايي است كه تا حد امكان تا در به حركت مشابه حركات طبيعي وده و كاربرد آن بوسيله شخص معلول محتاج به تمرين ، دقت و تمركز خاصي نباشد .
از نظر تكاملي ما بين دست چوبن و دست سيبرنيتكي مي توان دستهاي مصنوعي ديگري ذكر كرده از قبيل : الف) دست مكانيكي چنگك دار با استفاده از تسمه فنر و فرمان حركت را از جابجائي عضلات شانه و گردن ميگيرد .
ب) دست الكترومكانيكي كه فرمان حركت را از جابجائي عضلات يا انقباض مكانيكي آنان و يا از علائم آنان (EMG) اخذ مي كند و عنصر قدرت يا حركت آن يك جزء الكترومكانيكي از قبيل موتور يا غيره مي باشد .
در اين دو نوع دست مصنوعي حلقه كنترل از طريق مسير پس خور (فيزيكي) مشاهداتي بسته مي شود . بعبارت ديگر شخص معلول براي انجام حركت مطلوب به بهترين حالت ، تنها ميتواند با مشاهده نتيجه حركت آنرا تصحيح يا بصورت مطلوب تغيير دهد . اين حلقه پس خور(فيزيكي) با حلقه پس خوري كه حركت يك دست سالم موجود است كه نتيجه آن آگاه بودن تقريباً آني شخص از وضعيت مكاني
دست نيروي وارد به آن مي باشد . كه تفاوت زيادداشته و كاربرد آن غالباً مستلزم كوشش زياد ازجانب شخص معلول است .
در دست سيبر نيتكي كه به شرح آن خواهد آمد كه لازم است حلقه هاي پس خوري كه به حركت يك دست سالم موجوداست بقيه شده و سيستم كنترل آنچنان طرح گردد كه به وجه ايده آل كاربرد آن بوسيلة شخص معلول بطور ناخودآگاه امكان پذير باشد .
به عبارت ديگر به همانگونه كه به يك شخص سالم حركت دست بطور طبيعي و بدون احتياج به تمركز خاص و ايجاد خستگي فكري انجام گيرد ، دست سيبرنيتكي نيز بتواند حركات سادهرا با همان سهولت و در سطح ناخودآگاه انجام دهد .
به نام خدا
مقدمه :
خلاصه اي از مدل كردن ، كنترل ، شبيه سازي حركات انسان :
بشر مدتهاست كه مجذوب عملكرد بدن بوده است . حركت در ميان تجليات و اعمال بدن از چنان عموميت و ويژگي برخوردار است كه انسان را به طريق فيزيولوژي به محيط و ديگران مرتبط مي كند . اين صحبت مختصر در زمينه بحث و تحقيق كارهاي جديد مدلسازي : كنترل و شبيه سازي حركت انسان مي باشد .
سيستم عضلاني ـ استخواني : سيستم متشكل از دو عضله مي تواند بصورت محرك نيرو عمل كند . مدلهاي گوناگوني براي عضله پيشنهاد شده است . اين مدلها غير دقيق بوده و تفاوتي ميان عملكرد خود عضله و گروهي از تارها قافل نيست . تفاوت مقدماتي بين اين مدلها ، درجه معادلات ديفرانسيل بكار گرفته شده و ورودي هاي آنها مي باشد . ورودي هاي عضله عبارتند از سيستمهاي موتور باوران (efferent) آلفا (α) و
گاما و خروجي هاي آن عبارتند از سيگنال آوران (afferent) كه به CNs مي روند .
(نوع Ia و Ib و سيستمهاي فيبري نوع Il) ونيرو مي روي استخوان و اندازه گيرهاي نيرو اثر مي كند . دياگرام جعبه اي عضله شكل زير نشان داده شده است :
از اين دياگرام جعبه اي پيداست كه خروجي عضله بستگي به طول ، سرعت انقباض وروديهاي عصبي دارد .
مطالعات كنترل : مطالعات اساسي كنترل شامل مباحث ، وضعيت و پايداري عضو ، حركت نقطه به نقطه ، فشردن در مقابل سطح ، گرفتن اشياء ،‌اجراي حركات موزون و پريدن در هواست .
مباحث مورد استفاده كه كنترل عبارتند از برنامه ريزي و كنترل بهينه ،‌فيدبك غير خطي ، فيدبك حالت ، پايداري لياپانف ، فيدبك نيرو ، كنترل سيستم هاي ـ ديناميكي مقيد ، انتقال از سيستم مقيد به سيستم غير مقيد و بالعكس و سيستم هاي كنترل يادگير .
شبيه سازي : نظر به پيچيدگي ارتباطات فيزيولوژيكي و ابعاد زياد مسائل حتي در ساده ترين حركات انسان تحليل اينگونه سيستمها با ابزار رياضي متداول معادلات ديفرانسيل و انتگرالي حركت تحللي پايداري و سيستمهاي معادلات جبري ، غير ممكن مي نمايد . به ناچار به موارد زير متوسل شده اند :
مدلسازي مكانيكي ، شبيه سازي آنالوگ ، شبيه سازي كامپيوتر رقمي و اخيرا شبيه سازي مدوي توزيع شده . شبيه سازيهايي كه مي بريد اگر چه در حركات انساني زياد بكار نرفته اند ولي در آينده مورد آزمايش و طراحي پروتزها و ارتزها كه ميكروپراسورها با سيستم فيزيولوژيكي موقعي توام مي شوند كاربرد پيدا خواهند كرد . بشر راه بسيار طولاني كه مسير تكاملي پيموده است
اما زمان بسياري طول خواهد كشيد كه حقايق طبيعت پيچيده حركت را دريابد .
وجود مشترك و تفاوتهاي دست سيبرنيتكي و دست روباتيك :
خصوصياتي كه در قبل براي دست سبرنيتكي ذكر شد در برخي موارد مشابه به خصوصيات دست روباتيك است . اينگونه دست مصنوعي داراي وجود مشترك و تفاوتهايي هستند .
الف ـ دست روباتيكي : دست روباتيكي وسيله اي است كه با داشتن چندين درجه آزادي ، با بازويي متشكل از چندين مفصل دستي مشتمل بر چندين حركت كند و در انجام حركت به فيدبك عواملي مانند : نيروي بار ، تغيير مكان ، سرعت ، فشار نگهداري اجسام و غيره متكي باشد . اين دست فرمان خود را از يك واحد پردازش مركزي كه شامل حافظه و دستورالعملهاي خاص براي استفاده از اطلاعات فيدبكي است ميگيرد . در حالت ايده آل ، اين دست گاهي قادر خواهد بود حركاتي پيچيده تر از دست سيبرنيتكي و شايد پيچيده تر از دست سالم ، انجام دهد .
دست روباتيكي جزئي از يك سيستم است كه بستگي به ساده يا پيچيده بودن آن الگاريتم هاي مختلف كنترل همراه با كامپيوترهاي خاصي كه آن بكار رفته اند ، بطوريكه مي توان آنها را به نسلهاي مختلف تقسيم كرد . مثلاً دست مصنوعي را كه براي رنگ آميزي قطعات در اطاق رنگ يك كارخانه تعبيه شده است را مي توان از نسل اول دانست و دست مصنوعي را به چشم تلويزيوني و نفر الكترونيكي با قابليت يادگيري و تصميم گيريهاي پيچيده وصل شده است را ميتوان نسل جديد دانست .
فيما بين اين دو نسل و همانگونه كه دوباره دست مصنوعي انسان اشاره شد ، انواع ديگري با قابليت هاي متفاوت وجود دارد (مثلاً روباتهاي
جوشكاري ، تراش كار ، روباتهائيكه قادر به تصميم هاي ساده گرفته ، صحنه هايي كه قبلاً يادگرفته اند را تشخيص دهند وظايف محوله را سپس انجام دهند .)
بطورخلاصه دردست روباتيك الزامي به تقليد و شبيه سازي از دست انسان وجود نداشته فرمانهاي حركت آن يك سيستم الكترونيكي صادر مي شود . اين فرمان محصول تركيب اطلاعات فيدبكي روبات از محيط و دستورالعملها و اطلاعات حافظه اش مي باشد .
ب: دست سيبرنيتكي : دست سيبرنيتكي به دستي گفته مي شود به بتواند عمل دست سالم را در شخص معلول انجام دهد ، براي انكه اين نقش واضع تربيان گردد بطور مختصر به مكانيزمهاي محتمل كه كنترل ،‌حركت دست به شرح زير اشاره مي گردد :
دست را مي توان يك سيستم مكانيكي مشتمل بر جرم ـ فنر ـ اصطكاك دانست كه در اثر نيروي حاصله از انقباض عضلات تغيير مكان مي دهد . در هر حركت دست عضلات متعددي شركت دارند ، و براي آنكه حركت با نرمش و سرعت لازم برون نوسانات و خطا انجام گيرد لازم است لولا فعاليتهاي انقباضي هر عضله به سبك خاصي برنامه ريزي شود ، ثانيا فعاليت انقباضي عضلات دست اندركار آن حركت با هم هماهنگ باشند . خواص فيزيك اصطكاكي عضلات فقط محصول خواص مكانيكي آنان نبوده بلكه بطور فعالانه بوسيله ايستگاههاي حركتي (مانند تحتاني يا بالاتر تا كورتكس حركتي ، كنتل مي شود . نقش اين دستگاههاي حركتي ايجاد فرمان مناسبي در عصب ورود به عضله است . اين فرمان از تركيبي اطلاعات مربوط به حركت مورد نظر و اطلاعات فيدبكي مربوط به وضعيت مكاني دست و نيرو و غيره بدست مي آيد .
فيدبكهاي مهم به دست سالم كه در انجام حركت تاير حكي دارند عباتند از :
الف: فيدبك وضعيت طول عضله و سرعت تغييرات آن
ب: فيدبك نيروي كششي عضله
ج: فيدبك اطلاعات مربوط به زاويه هاي مفاصل
موضح است كه فيدبك هاي ديگر مانند لامسه يا بينائي نيز در ايجاد فرمان حركت و ايجاد هماهنگي فعاليت عضلات مؤثرند .
اگر دست سيبرنيتكي بخواهد كار دست طبيعي را بنحو احسن در سطح ناخود آگاه شخص معمول انجام دهد لازم است فيدبك هاي قطع شده فوق جبران گردند . يعني بنحو مناسبي اطلاعات مذكور در بندهاي الف ، ب ، ج با همان سرعت دست دست طبيعي به مراكز حركتي دست سيبرنيتكي برسد .
بعلاوه در دست سيبرنيتكي فرمانهاي حركت بايد يا از عضو يا از عصب يا از نخاع و يا در عاليترين حد از مراكز بالاي حركتي مانند مخچه و كورتكس حركتي اخذ شوند ، اين فرمانها پس از پردازش و تركيب با اطلاعات فيدبكي به سر موتورهائي كه نقش عضله را دارند . ايجاد حركت ميكنند .
ملاحظه مي شود وجود مشترك دست سيبرنيتكي بادست روباتيكي در مكانيزهاي ايجاد حركت ، اندازه گيري خصوصيات حركت براي فيدبك و تا حدي نيز الگوريتم هاي كنترل است كه بوسيله واحد پردازش مركزي بكار گرفته مي شوند ، مدعين حال وجود دو قيد است سيبرنيتكي را از دست روباتيكي متمايز مي كند .
الف: اطلاعات فيدبكي بايد از مسيري سريعتر از مسير بينائي به مغز برسد .
ب: چون بايد كاربرد دست سيبرنيتكي بوسيله مغز شخص معلول مستلزم كوشش خاصي نباشد و به سطح ناخود آگاه عمل كند ، لازم است فرمانهايي حركت

فایل : 48 صفحه

فرمت : Word