بخشی از مقاله
چکیده
هدف این مقاله ارائه الگوریتم کنترلی حلقه بسته مبتنی بر کنترلکننده فازی تاکاگی-سوگنو، به منظور تنظیم بر خط
وزن آورانها با هدف کنترل ریتم تولیدکنندههای الگوی مرکزی بوده است. در این پژوهش کارایی یک کنترلکننده فازی تاکاگی-سوگنو پیوسته با کارایی دو کنترلکننده فازی تاکاگی-سوگنو آشوبگونه مقایسه شده است. نتایج نشان میدهندکه فرآیند بازنشانی فاز در سیگنال زاویه اسکلتی درمواجه با اعمال اغتشاش در روش کنترلکننده فازی تاکاگی-سوگنوآشوبگونه در حضور فیدبک تاخیریافته با مشخصههای خوبی در کاهش بالازدگی و پایینزدگی به ترتیب به میزان 2.03 و 0.7885رادیان انجام میشود.وبهترین مقدارآوران رابرای بازنشانی فاز وبازگشت به زاویه مطلوب درکمترین زمان ممکن فراهم می کند.
.1 مقدمه
با توجه به تحقیقات و پژوهشهای انجام شده در نخاع پستانداران دیده شده است. که یک تولیدکننده الگوی مرکزی - CPG - موجود است که توانایی ایجاد حرکتهای ریتمیک مانند گامبرداشتن را دارد.که حتی در صورت موجود نبودن محرکهای عصبی ارسال شده از سطوح بالایی سیستم اعصاب مرکزی و همچنین عدم دریافت اطلاعات ارسال شده توسط سنسوری فیدبکها نیز قابل اجرا خواهد بود. و قابلیت تولید حرکات ریتمیک مانند گامبرداشتن را دارد .
طبق تحقیقات گذشته دیده شده که احتمال دوباره برقرار کردن حرکت، بعد از حذف تحریک از قسمت بالایی نخاع - که به آسیب نخاعی وابسته است - بوسیله آموزش حرکتی به تنهایی و یا ترکیبهای متفاوتی از آموزش حرکتی با درمان دارویی و یا تحریک آورانها وجود دارد تحقیقات و پژوهشهای زیادی در زمینه آموزش حرکتی و درمان دارویی انجام گرفتهاند.
اما یکی از مسائل مهم، امکان کنترل حلقه بسته ریتم تولیدکننده الگوی مرکزی با تحریک آورانها است که نقش تعیین کنندهای در حفظ تعادل هنگام گامبرداشتن دارد .[1] در سالهای اخیر سیستمهای کنترل فازی کاربردهای فراوانی در کنترل سیستمهای غیر خطی و پیچیده به خود اختصاص دادهاند. یکی از انواع مهم سیستمهای کنترل فازی، کنترل فازی نوع تاکاگی-سوگنو است
با توجه به این که مدارهای عصبی در نخاع پستانداران قابلیت کنترل دستورات عصبی مربوط به حرکتهای ریتمیک قسمت پایینتنه را بدون حضور ورودیهای عصبی مرتبط به قسمتهای مختلف سیستم اعصاب مرکزی و همچنین سنسوری فیدبکها امکانپذیر میکنند. و باتوجه به این که برای تولید حرکتی موثر به سنسوری فیدبکها نیاز است. این مشاهدات وجود تولیدکننده الگوی مرکزی حرکت - CPG - در نخاع را نشان میدهند. البته این واحد تنها مختص به نخاع نبوده بلکه بیشتر مختص به حرکتهای ریتمیک است. محققین نقش مراکز نخاعی را در تنظیم حرکت نشان دادهاند. قوس رفلکسی یا مدل پاسخ به محرک، اساسی برای فهمیدن فعالیتهای سطح نخاعی است.
بهطوریکه یک تحریک خارجی، باعث بروز یک پاسخ حرکتی قابل پیشگویی وکلیشهای میگردد. «Grinller» وجود یک مولد مرکزی را در سطح نخاع ثابت کرد.
این مولد نمود یک گروه نورونی است که از قبل فعالیتهای حرکتی بعدی را »صفبندی زمانی« و»صفبندی فضایی « میکند. این مولد می تواند بدون فیدبک محیطی فعال گردد. «Grinller» تصور کرد که بسیاری از برنامههای حرکتی مثل راه رفتن، در CPG قرار دارد، با این مدرک که در آزمایشاتش مشاهده کرد که یک حیوان با ضایعه نخاعی میتواند حرکت کند
از سوی دیگر مطالعات مختلف ثابت کردهاند که مراکز کنترلی در نخاع وجود دارد که الگوهای حرکتی را برای راه رفتن تولید میکنند .[1] بنابراین این مراکز که با عنوان مولد الگوهای مرکزی - CPG - شناخته میشوند، بخش مهمی از مدلهای سیستم کنترل راه رفتن را تشکیل میدهند.[5] اگرچه مکانیزم واقعی عملکرد CPG هنوز مشخص نشده است، محققان بر این فرضیه استوار هستند که مدارهای عصبی CPGاز نوسانگرهای عصبی متعددی تشکیل شده است که انواع مختلف حرکات ریتمیک را در بدن تولید میکنند.
اما یک مسئله مهم که در این مقاله بیان شده است امکان کنترل حلقه بسته ریتم تولیدکننده الگوی مرکزی است. که نقش تعیین کنندهای در حفظ تعادل هنگام گامبرداشتن دارد. در این راستا این مقاله به ارائه یک راهکار کنترلی حلقه بسته مبتنی بر کنترلکننده فازی تاکاگی-سوگنو، به منظور تنظیم بر خط وزن آورانها با هدف کنترل ریتم تولیدکنندههای الگوی مرکزی پرداخته شده است. یک سیگنال متناوب دارای سه مشخصه مهم دامنه، فاز و فرکانس هستند. فرمانهای مغزی و فیدبکهای سنسوری با تغییر این مشخصهها باعث ایجاد تغییر در الگوی حرکت میشوند.[6] که غالبا در این تغییر دخالت فرمانهای مغزی پررنگتر و بیشتر از فیدبک سنسوری است.
بنابراین الگوی پایه توسط خود CPG تولید میشود و تغییرات آن توسط فرمانهای مغزی وفیدبکهای سنسوری صورت میگیرد .[7] اطلاعات سنسوری به صورت فیدبک اعمال میشود، یعنی براساس آنها پیشبینی صورت نمیگیرد، بلکه با توجه به تجربههای گذشته تصمیمگیری صورت میگیرد.[8] در اصل فیدبکهای حسی خروجی CPG را با جهان واقعی تطبیق میدهند.
از نگاه دیگر ورودیهای سنسوری خاص میتوانند تاثیر عمدهای بر روی ریتم CPG بگذارند بهطوریکه میتوانند بعضی از الگوهای ریتم را انتخاب کنند و یا نادیده گیرند و یا از میان ببرند .[6] بدینسان مانند یک سوئیچ عمل کرده و میتوانند الگوی خاص را انتخاب کنند و یا رنج عملکردشان را تنظیم کنند. وقتی حرکت آغاز میشود فیدبکهای آوران میتوانند الگوی فرکانس و ساختار و حالت گذرای زیر فازها را تنظیم کنند. دامنه فعالیت EMG که از الگوی فعالیت حرکتی ناشی میشود میتواند به پیدا کردن موقعیت پا در زمین ناهموار کمک کند و همچنین الگوی مناسبی در برخورد با مانع ایجاد کند
از این روی تنظیم وکنترل فاز CPG حین گامبرداشتن در فرآیند بازیابی حرکتی بسیارحائز اهمیت است. با توجه به پیچیدگی سیستم عصبی مرکزی انسان، توانبخشی بسیاری از عوارض نخاعی ناشناخته مانده است. به همین دلیل مدلسازی سیستم کنترل راه رفتن میتواند تأثیر قابل توجهی در شناسایی تکنیکها و ارتقاء اثربخشی آنها در بازیابی توان راه رفتن داشته باشد.
در این پروژه کنترلکنندهای را معرفی میکنیم که میتواند با اعمال تحریک مناسب در آورانها، فاز حرکت را بعدازاعمال اغتشاش به پایینتنه بامشخصههای بهتری - ازجمله بالازدگی، پایینزدگی وسرعت بازنشانی کمتر - بازنشانی کند. این بازنشانی به وسیله کنترل ریتم فاز و فاز CPG از طریق تنظیم وزن آورانها که شبیهسازی تحریک الکتریکی آورانها است رخ میدهد.
در این مقاله از سیستم های فازی که قابلیت توصیف پدیدههای غیرقطعی و نامشخص را دارند، استفاده شده است.و با توجه به اینکه درسیستم های فازی نوع تاکاگی-سوگنو ترکیب ورودیهای سیستم خروجی سیستم را میسازند.واثر کوچک ترین تغییر در ورودی سیستم در خروجی نیز لحاظ می شود. در این مقاله به خاص ازسیستم های فازی تاکاگی-سوگنواستفاده شده است وسپس سیستم فازی تاکاگی-سوگنو،تبدیل به سیستم فازی تاکاگی-سوگنو آشوبگون شده است.ورود به محیط آشوبگون بستری را فراهم می کندتا سیستم فازی قابلیت تولیدرفتارهای دینامیک راپیدا کند.به طور ویژه نشان داده شده است این نوع سیستم باحضور فیدبک سینوسی وفیدبک تاخیر یافته می تواند دینامیک های آشوبگون رانیز پوشش دهد.
.1-1 مدل عصبی-مکانیکی
مدلی که در اینجا برای CPG استفاده شدهاز نوع هاچکین -هاکسلی بوده و شامل مجموعه ای از نورونها، اینترنورونها و موتورنورونها است که در شکل 1 نشان داده شده است .
