بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی سیستم عصبی‐عضلانی ساعد برای ارائه ساختاری جدید در کنترل پروتزهای سایبرنتیکی
چکیده: یکی از مشکلات عمده پروتزهای ساعد سایبرنتیکی فعلی، سیستمهای کنترلی بهکار رفته در آنها میباشد که به حرکاتی روباتیکی و غیرطبیعی در پروتز منجر میگردند. این مشکل عمدتاﹰ از نوع نگرش روباتیکی و الکترومکانیکی به مسأله طراحی کنترل کننده برای پروتز ناشی می گردد. درصورتیکه بخواهیم حرکات پروتز مشابه حرکات طبیعی ساعد باشد لازم است کنترلکننده بهکار رفته برای پروتز از ایدههای کنترلی بهکار رفته در سیستم طبیعی استفاده نماید. دراین مقاله و با این دیدگاه به مدل سازی و مشابه سازی سیستم کنترلی مغز_عضله_ساعد میپردازیم. نتایج حاصل به ارائه توپولوﮊی کنترلی جدیدی برای کنترل همزمان موقعیت و سرعت پروتز منجر خواهد شد. مشابهت حرکات پروتز با حرکات طبیعی ساعد درصورت استفاده از توپولوﮊی پیشنهادی طی شبیه سازی هایی نشان داده شده است.
۱‐ مقدمه
ساعد سایبرنتیکی، پروتزی مصنوعی دارای عملگرهـای الکترومکـانیکی است که فرمان حرکتی در آن توسط ارتباط بیولـوﮊیکی بـا فـرد معلـول حاصل میگردد. با وجود قطع ساعد، عضلات حرکتدهنـده آن کـه در قسمت بازو قرار دارند، سالم بوده و میتوانند بهطور ارادی توسـط فـرد منقبض یا رها شوند. با انقباض عضلات، سـیگنالی موسـوم بـه سـیگنال EMG در عضلات ایجاد میگردد که برای ارتباط فرد معلـول بـا پروتـز مورد استفاده قرار میگیرد. این سیگنال دارای خواص زمانی و فرکانـسی متناظر با حرکات مختلف میباشد، لذا با ثبت سـیگنال EMG، اسـتخراج خواص زمانی و فرکانسی آن و مقایسه آنها با مقادیر از پیش تعیین شده، میتوان حرکت مطلوب فرد را مشخص نمود. پس از تشخیص حرکـت مطلوب، سیگنالهای کنترلی مناسب بـه سیـستم الکترومکـانیکی اعمـال میگردد تا حرکت موردنظر انجام گیرد. به این ترتیب شمای یک سیستم کنترل ساعد سایبرنتیک بهصورت نشان داده شده در شـکل (۱) خواهـد بود.
شکل ۱ : شمای کلی سیستم کنترل ساعد سایبرنتیک
۲‐ تشخیص اراده
منظور از تشخیص اراده، تعیین حرکت موردنظر فرد با توجه به سـیگنال EMG حاصل از انقباض عضلات میباشد. برای ایـن منظـور معمـولاﹰ از روشهای بازشناخت الگو١ استفاده میشود. شـمای کلـی یـک سیـستم بازشناخت الگو در شکل (۲) نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میگردد، ابتدا با انجام اندازهگیریهایی بر روی سـیگنال ورودی، بـردار اندازهگیری ساخته میشود. پس از پیشپردازش، ویژگیهایی از سیگنال که مشخصکننده خواص زمانی_فرکانسی آن میباشند اسـتخراج شـده، به بخش طبقه بندی کننده ارسال میشوند. در این بخش کـلاس حرکتـی متناظر با سیگنال تشخیص داده می شود.
در ساعد سایبرنتیک تشخیص چهار کلاس حرکتی موردنظر می باشد کـه عبارتند از جمعکـردن سـاعد١، بـازکردن سـاعد٢، چرخانـدن سـاعد بـه داخل٣ و چرخاندن ساعد به خـارج٤. بـرای تـشخیص ایـن حرکـات از سیگنالهای EMG عضلات دوسر٥ و سهسر٦ بازویی استفاده مـیگـردد.
این عضلات مؤثرترین عوامل در حرکات ذکر شده می باشند که بـه دلیـل قرار داشتن در ناحیه بازو، در معلولیتهای بالای آرنج همچنان میتوانند مــورد اســتفاده قــرار گیرنــد. در زمینــه نحــوه الکترودگــذاری، ثبــت و بازشناخت الگوی سیگنال EMG تحقیقات متعددی انجام گرفتـه اسـت.
برخــی از ایــن تحقیقــات بــه ارزیــابی اطلاعــاتی ســیگنال EMG پرداختـهانـد]۱و۲[ و برخـی دیگـر مـسأله بازشـناخت الگـو را بررسـی نمودهاند.]۳و۴و۵[
شکل ۲ : شمای کلی سیستم بازشناخت الگو
٣‐ مدلسازی و کنترل
پس از تشخیص حرکت، لازم است فرامین مناسب توسط سیستم کنترلی صادر گردد تا حرکت مربوطه توسط پروتز انجام گیـرد. ایـدههـایی کـه تاکنون در زمینه ایجاد حرکت در پروتز، مورد استفاده قرار گرفتهانـد بـر مبنای تولید حرکتی با سرعت ثابت بودهاند. در برخی از این پژوهش هـا طراحی دست سایبرنتیکی مطـرح شـدهاسـت ]۶و۷[ و در برخـی دیگـر طراحی کنترلکنندهای خاص برای دست سایبرنتیک تهران بررسی شـده است ]۸و۹و۰۱.[ شمای کلی این سیستمهای کنترلی در شکل (۳) نـشان داده شده است.
با این روش، حرکات ایجاد شده در پروتز، بـصورت روبـاتیکی بـوده و سازگار با حرکات طبیعی انسان نمیباشد. از آنجاکه بهترین سیـستمهای کنترلی در طبیعت موجود است، سـعی مـیکنـیم بـا درک نحـوه کنتـرل حرکات ساعد توسط مغز، ایدههـای کنترلـی بـه کـار رفتـه را اسـتخراج نماییم. برای این منظور کنترل حرکات جمع و باز کـردن سـاعد توسـط مغز با تحریک عضلات دوسر و سهسر را مشابهسازی مینمـاییم. نتـایج حاصل از این مشابهسازی منجر به ارائه پیشنهاداتی برای طراحی سیستم کنترلی مشابه مغز و حرکاتی شبیه انسان٧ در پروتز میگردد.
۳‐۱‐ مدلسازی عضله ]۱۱[
مدل عضله رابطهای بین تغییر طول و تغییر نیروی عضله میباشد. بـرای مدلسازی عضله از مدل سهجزئی هیل٨ استفاده مینماییم. این مدل کـه از نوع مدل های پدیدهمحور٩ میباشد در شکل (۴) آمده است.
مدل سهجزئی هیل متشکل از یک المان کشسان سـری (ks)، یـک المـان کشـسان مـوازی (kp) و یـک المـان انقباضـی١٠ (CE) مـیباشـد. المـان انقباضـی در واقـع عنـصر فعـال مـدل مـی باشـد کـه توسـط دو رابطـه نیرو_سرعت و نیرو_طول توصیف میگردد. رابطه نیرو‐ طول یک عضله عبارتست از حداکثر نیروی ایزومتریک کـه عضله میتواند در طولهای مختلف تولید کند. همانطورکه در شکل (۵)
نشان داده شده است این رابطه در حالت ساده می تواند بـهصـورت یـک منحنی درجه دو با پارامترهای حداکثر نیروی ایزومتریک F0 و محـدوده طولهای مجاز L مشخص شود.
رابطه نیرو‐ سرعت بیانگر ارتباط حداکثر نیروی حالت دائمی عـضله بـا نرخ تغییر طول آن میباشد. این رابطه برای یک عضله در حال انقبـاض در طول بهینه بصورت زیر بیان میشود:
که در آن، F نیروی تولید شده در عضلهای است که با سرعت v در حال انقباض میباشد و F0 حداکثر نیـروی ایزومتریـک در حـالتی اسـت کـه المان انقباضی در طول بهینه قرار دارد. a و b ثابتهای عددی مـیباشـند.
این رابطه بصورت نوعی در شکل (۶) رسم شده است. در این شکل V0 حداکثر سرعت انقباض عضله می باشد.
با استفاده از روابط نیرو_سرعت و نیرو_طول و روابط فیزیکی حاکم بر مدل، رابطه زیر برای مدل عضله حاصل می گردد:
در این رابطه، f نیروی حاصل از انقباض عضله، u جابجـایی از حالـت استراحت، u تغییر طول عضله و l0 طول اولیه عضله در لحظه تحریک میباشد. β سطح فعالیت١ عضله را نشان میدهد که مـیتوانـد مقـداری بین صفر (عدم فعالیت) و یک (حداکثر فعالیت) اختیار کند.
۳‐۲‐ مدل عضلات دوسر و سهسر بازویی
برای داشتن مدل کامل عضلات دوسر و سهسـر لازم اسـت پارامترهـای مجهول در روابط نیرو_سرعت و نیرو_طول مشخص گردند. با اسـتفاده از نتایج ارائه شده در تحقیقات مختلف ]۲۱[، مقادیر نشان داده شـده در جدول (۳) برای این پارامترها حاصل می گردد.
برای بیان حرکات ساعد از شکل (۷) استفاده میکنیم. در ایـن شـکل، θ زاویه بین ساعد و امتداد بازو نسبت به حالتی است که ساعد کـاملاﹰ بـاز باشد. برای تبدیل θ به تغییر طول عضله جهت استفاده در شبیهسـازی از رابطه زیر استفاده می کنیم:
همچنین برای تبدیل نیروی تولید شده در عضله به گـشتاور حاصـل در ساعد لازم است نیروی عضله در بازوی گشتاور نیرو نسبت بـه سـاعد٢ ضرب گردد. بازوی گشتاور نیرو نـسبت بـه سـاعد تـابعی از θ بـوده و بهصورت زیر بیان می گردد:
در ایـن روابـط پارامترهـای ai و bi مقـادیر ثـابتی هـستند. مقـدار ایـن پارامنرها در مراجع ذکر شدهاند]۳۱.[ درنهایت بلوک شبیهسازی عضلات بهصورت نشان داده شده در شکل (۸) خواهد بود.
در این شکل، سطح فعالیت عضله و زاویه سـاعد، ورودیهـای مـدل و گشتاور ایجاد شده در ساعد، خروجی مدل میباشند. برای بحثی کاملتر درباره مدل سازی به ]۴۱[ مراجعه نمایید.
۳‐۳‐ مدلسازی کنترل مغزی ساعد ]۴۱[
مغز انسان دراصل شـبکهای پیچیـده از سـلولهای عـصبی مـی باشـد کـه مهمترین ویژگی آنها قدرت یادگیری است. اگر حرکتـی را بـرای اولـین بار انجام دهیم سیستم حرکتی ما به کندی و با صرف دقت فـراوان قـادر به انجام آن خواهد بود، ولی با تمرین، تکرار و تـصحیح حرکـات قـادر خواهیم بود همان حرکت را بهسـرعت انجـام دهـیم. بـهعبـارت دیگـر، مهارت انجام حرکت مزبور را پیدا خواهیم نمود. در این حالـت بخـشی از شبکه عصبی مغز برای انجام حرکت آمـوزش مـیبینـد. ورودی ایـن شبکه، فرمان حرکتی و خروجی آن سیگنالهای عصبی مناسب میباشد.
چنین شبکه ای در شکل (۹) نشان داده شده است.
