تحقیق مقاله شبیه سازی حرکات انسان

پیشگفتار :

یکی از معلولیت های مادرزادی و اکتسابی (مانند جنگ و حوادث کارخانجات) قطع عضو اندام فوقانی و تحتانی می باشد ، هر سطح قطع عضو از ناحیه انگشتان تا مقاطع مختلف آن عضو اتفاق می افتد . از زمانهای بسیار دور به هر علت زیر بشر به فکر جاگزینی اندام فوقانی و تحتانی صدمه این بوده است :

الف : از نظر روانی و زیبایی

ب: از نظر کاربرد عملی و رفع وابستگی به غیر

وسایل کمکی اندام تحتانی جهت راه رفتن ، نشستن و غیره از اهمیت خاصی برخوردار است ، در صورتیکه اعضاء مصنوعی اندام فوقانی در انجام کار و فعالیت اقتصادی و اجتماعی و استقلال شخصی حائز اهمیت بسیار است .

جایگزینی اندام فوقانی را بصورت زیر ناتوان طبقه بندی کرده :

1 قطع یک یا چند انگشت                 2 قطع از ناحیه مچ دست

3 قطع از نواحی مختلف ساعد            4 قطع از ناحیه آرنج

5 قطع از نواحی مختلف بازو              6 قطع کامل بازو

7 قطع از ناحیه کمر بندی کتفی

نظر به اینکه آمار و اطلاعات میزان شایعات دست (چپ و راست) هیچگونه دلالتی بر غالب بودن تعداد برخی از این ضایعات بر برخیدیگر ندارد ، همواره مراکز درمانی و مؤسسات تولیدی پیش بنی لازم جهت یکدست کامل را مینمایند (پنجه ، آرنج ، شانه) تا بتوانند جهت الگوی معلولین باشند .

الف: ارزشیابی باقی مانده از لحاظ طول ، قطر و غیره

ب: مشخص کردن نوع و تعداد مفاصل و دامنه حرکتی آنها

ج: تهیه ثابت کننده (ساکت) جهت اتصال عضو مصنوعی به عضو باقیمانده .

د: با در نظر گرفتن دست مصنوعی عامل حرکتی انتخاب و در عضو باقیمانده بقیه می شود .

مقدمه :

هدف از کاربرد دست و پای مصنوعی چاره جوئی اشکالات حرکتی است ، در اثر نقص عضو یا قطع دست و پای طبیعی در شخص بوجود می آید ، ساده ترین صورت این وسیله دست و پای چوبین بدون مفصل و چنگک است . کاملترین صورت آن دست و پایی است که تا حد امکان تا در به حرکت مشابه حرکات طبیعی وده و کاربرد آن بوسیله شخص معلول محتاج به تمرین ، دقت و تمرکز خاصی نباشد .

از نظر تکاملی ما بین دست چوبن و دست سیبرنیتکی می توان دستهای مصنوعی دیگری ذکر کرده از قبیل : الف) دست مکانیکی چنگک دار با استفاده از تسمه فنر و فرمان حرکت را از جابجائی عضلات شانه و گردن میگیرد .

ب) دست الکترومکانیکی که فرمان حرکت را از جابجائی عضلات یا انقباض مکانیکی آنان و یا از علائم آنان (EMG) اخذ می کند و عنصر قدرت یا حرکت آن یک جزء الکترومکانیکی از قبیل موتور یا غیره می باشد .

در این دو نوع دست مصنوعی حلقه کنترل از طریق مسیر پس خور (فیزیکی) مشاهداتی بسته می شود . بعبارت دیگر شخص معلول برای انجام حرکت مطلوب به بهترین حالت ، تنها میتواند با مشاهده نتیجه حرکت آنرا تصحیح یا بصورت مطلوب تغییر دهد . این حلقه پس خور(فیزیکی) با حلقه پس خوری که حرکت یک دست سالم موجود است که نتیجه آن آگاه بودن تقریباً آنی شخص از وضعیت مکانی دست نیروی وارد به آن می باشد . که تفاوت زیادداشته و کاربرد آن غالباً مستلزم کوشش زیاد ازجانب شخص معلول است .

در دست سیبر نیتکی که به شرح آن خواهد آمد که لازم است حلقه های پس خوری که به حرکت یک دست سالم موجوداست بقیه شده و سیستم کنترل آنچنان طرح گردد که به وجه ایده آل کاربرد آن بوسیله شخص معلول بطور ناخودآگاه امکان پذیر باشد .

به عبارت دیگر به همانگونه که به یک شخص سالم حرکت دست بطور طبیعی و بدون احتیاج به تمرکز خاص و ایجاد خستگی فکری انجام گیرد ، دست سیبرنیتکی نیز بتواند حرکات سادهرا با همان سهولت و در سطح ناخودآگاه انجام دهد .

به نام خدا

مقدمه :

خلاصه ای از مدل کردن ، کنترل ، شبیه سازی حرکات انسان :

بشر مدتهاست که مجذوب عملکرد بدن بوده است . حرکت در میان تجلیات و اعمال بدن از چنان عمومیت و ویژگی برخوردار است که انسان را به طریق فیزیولوژی به محیط و دیگران مرتبط می کند . این صحبت مختصر در زمینه بحث و تحقیق کارهای جدید مدلسازی : کنترل و شبیه سازی حرکت انسان می باشد .

سیستم عضلانی استخوانی : سیستم متشکل از دو عضله می تواند بصورت محرک نیرو عمل کند . مدلهای گوناگونی برای عضله پیشنهاد شده است . این مدلها غیر دقیق بوده و تفاوتی میان عملکرد خود عضله و گروهی از تارها قافل نیست . تفاوت مقدماتی بین این مدلها ، درجه معادلات دیفرانسیل بکار گرفته شده و ورودی های آنها می باشد . ورودی های عضله عبارتند از سیستمهای موتور باوران (efferent) آلفا (α) و گاما و خروجی های آن عبارتند از سیگنال آوران (afferent) که به CNs می روند .

(نوع Ia و Ib و سیستمهای فیبری نوع Il) ونیرو می روی استخوان و اندازه گیرهای نیرو اثر می کند . دیاگرام جعبه ای عضله شکل زیر نشان داده شده است :

از این دیاگرام جعبه ای پیداست که خروجی عضله بستگی به طول ، سرعت انقباض ورودیهای عصبی دارد .

مطالعات کنترل : مطالعات اساسی کنترل شامل مباحث ، وضعیت و پایداری عضو ، حرکت نقطه به نقطه ، فشردن در مقابل سطح ، گرفتن اشیاء ،‌اجرای حرکات موزون و پریدن در هواست .

مباحث مورد استفاده که کنترل عبارتند از برنامه ریزی و کنترل بهینه ،‌فیدبک غیر خطی ، فیدبک حالت ، پایداری لیاپانف ، فیدبک نیرو ، کنترل سیستم های دینامیکی مقید ، انتقال از سیستم مقید به سیستم غیر مقید و بالعکس و سیستم های کنترل یادگیر .

شبیه سازی : نظر به پیچیدگی ارتباطات فیزیولوژیکی و ابعاد زیاد مسائل حتی در ساده ترین حرکات انسان تحلیل اینگونه سیستمها با ابزار ریاضی متداول معادلات دیفرانسیل و انتگرالی حرکت تحللی پایداری و سیستمهای معادلات جبری ، غیر ممکن می نماید . به ناچار به موارد زیر متوسل شده اند :

مدلسازی مکانیکی ، شبیه سازی آنالوگ ، شبیه سازی کامپیوتر رقمی و اخیرا شبیه سازی مدوی توزیع شده . شبیه سازیهایی که می برید اگر چه در حرکات انسانی زیاد بکار نرفته اند ولی در آینده مورد آزمایش و طراحی پروتزها و ارتزها که میکروپراسورها با سیستم فیزیولوژیکی موقعی توام می شوند کاربرد پیدا خواهند کرد . بشر راه بسیار طولانی که مسیر تکاملی پیموده است اما زمان بسیاری طول خواهد کشید که حقایق طبیعت پیچیده حرکت را دریابد .

وجود مشترک و تفاوتهای دست سیبرنیتکی و دست روباتیک :

خصوصیاتی که در قبل برای دست سبرنیتکی ذکر شد در برخی موارد مشابه به خصوصیات دست روباتیک است . اینگونه دست مصنوعی دارای وجود مشترک و تفاوتهایی هستند .

الف دست روباتیکی : دست روباتیکی وسیله ای است که با داشتن چندین درجه آزادی ، با بازویی متشکل از چندین مفصل دستی مشتمل بر چندین حرکت کند و در انجام حرکت به فیدبک عواملی مانند : نیروی بار ، تغییر مکان ، سرعت ، فشار نگهداری اجسام و غیره متکی باشد . این دست فرمان خود را از یک واحد پردازش مرکزی که شامل حافظه و دستورالعملهای خاص برای استفاده از اطلاعات فیدبکی است میگیرد . در حالت ایده آل ، این دست گاهی قادر خواهد بود حرکاتی پیچیده تر از دست سیبرنیتکی و شاید پیچیده تر از دست سالم ، انجام دهد .

دست روباتیکی جزئی از یک سیستم است که بستگی به ساده یا پیچیده بودن آن الگاریتم های مختلف کنترل همراه با کامپیوترهای خاصی که آن بکار رفته اند ، بطوریکه می توان آنها را به نسلهای مختلف تقسیم کرد . مثلاً دست مصنوعی را که برای رنگ آمیزی قطعات در اطاق رنگ یک کارخانه تعبیه شده است را می توان از نسل اول دانست و دست مصنوعی را به چشم تلویزیونی و نفر الکترونیکی با قابلیت یادگیری و تصمیم گیریهای پیچیده وصل شده است را میتوان نسل جدید دانست .

فیما بین این دو نسل و همانگونه که دوباره دست مصنوعی انسان اشاره شد ، انواع دیگری با قابلیت های متفاوت وجود دارد (مثلاً روباتهای جوشکاری ، تراش کار ، روباتهائیکه قادر به تصمیم های ساده گرفته ، صحنه هایی که قبلاً یادگرفته اند را تشخیص دهند وظایف محوله را سپس انجام دهند .)

بطورخلاصه دردست روباتیک الزامی به تقلید و شبیه سازی از دست انسان وجود نداشته فرمانهای حرکت آن یک سیستم الکترونیکی صادر می شود . این فرمان محصول ترکیب اطلاعات فیدبکی روبات از محیط و دستورالعملها و اطلاعات حافظه اش می باشد .

ب: دست سیبرنیتکی : دست سیبرنیتکی به دستی گفته می شود به بتواند عمل دست سالم را در شخص معلول انجام دهد ، برای انکه این نقش واضع تربیان گردد بطور مختصر به مکانیزمهای محتمل که کنترل ،‌حرکت دست به شرح زیر اشاره می گردد :

دست را می توان یک سیستم مکانیکی مشتمل بر جرم فنر اصطکاک دانست که در اثر نیروی حاصله از انقباض عضلات تغییر مکان می دهد . در هر حرکت دست عضلات متعددی شرکت دارند ، و برای آنکه حرکت با نرمش و سرعت لازم برون نوسانات و خطا انجام گیرد لازم است لولا فعالیتهای انقباضی هر عضله به سبک خاصی برنامه ریزی شود ، ثانیا فعالیت انقباضی عضلات دست اندرکار آن حرکت با هم هماهنگ باشند . خواص فیزیک اصطکاکی عضلات فقط محصول خواص مکانیکی آنان نبوده بلکه بطور فعالانه بوسیله ایستگاههای حرکتی (مانند تحتانی یا بالاتر تا کورتکس حرکتی ، کنتل می شود . نقش این دستگاههای حرکتی ایجاد فرمان مناسبی در عصب ورود به عضله است . این فرمان از ترکیبی اطلاعات مربوط به حرکت مورد نظر و اطلاعات فیدبکی مربوط به وضعیت مکانی دست و نیرو و غیره بدست می آید .

فیدبکهای مهم به دست سالم که در انجام حرکت تایر حکی دارند عباتند از :

الف: فیدبک وضعیت طول عضله و سرعت تغییرات آن

ب: فیدبک نیروی کششی عضله

ج: فیدبک اطلاعات مربوط به زاویه های مفاصل

موضح است که فیدبک های دیگر مانند لامسه یا بینائی نیز در ایجاد فرمان حرکت و ایجاد هماهنگی فعالیت عضلات مؤثرند .

اگر دست سیبرنیتکی بخواهد کار دست طبیعی را بنحو احسن در سطح ناخود آگاه شخص معمول انجام دهد لازم است فیدبک های قطع شده فوق جبران گردند . یعنی بنحو مناسبی اطلاعات مذکور در بندهای الف ، ب ، ج با همان سرعت دست دست طبیعی به مراکز حرکتی دست سیبرنیتکی برسد .

بعلاوه در دست سیبرنیتکی فرمانهای حرکت باید یا از عضو یا از عصب یا از نخاع و یا در عالیترین حد از مراکز بالای حرکتی مانند مخچه و کورتکس حرکتی اخذ شوند ، این فرمانها پس از پردازش و ترکیب با اطلاعات فیدبکی به سر موتورهائی که نقش عضله را دارند . ایجاد حرکت میکنند .

ملاحظه می شود وجود مشترک دست سیبرنیتکی بادست روباتیکی در مکانیزهای ایجاد حرکت ، اندازه گیری خصوصیات حرکت برای فیدبک و تا حدی نیز الگوریتم های کنترل است که بوسیله واحد پردازش مرکزی بکار گرفته می شوند ، مدعین حال وجود دو قید است سیبرنیتکی را از دست روباتیکی متمایز می کند .

الف: اطلاعات فیدبکی باید از مسیری سریعتر از مسیر بینائی به مغز برسد .

ب: چون باید کاربرد دست سیبرنیتکی بوسیله مغز شخص معلول مستلزم کوشش خاصی نباشد و به سطح ناخود آگاه عمل کند ، لازم است فرمانهایی حرکت است سالم بررسی شده و نحوه کاربردآن بوسیله دست سیبرنیتکی بصورت خاصی تطبیق داده شود .

مروری بر مفهوم رایج پروتز میوالکتریک :

مهیج ترین پیشرفتی که در زمینه اندامهای مصنوعی صورت گرفته است ، توسعه اندامهای مصنوعی میوالکتریکی است . این دستهای با قدرت آرنجها ، و شانه ها کار بیشتری را قطع اندامهای بالائی ای که وسائل دستی (manual) را نپذیرفته اند ، داده اند . اندامهای مصنوعی میوالکتریک بر این اصل که هر حرکت در اندام بوسیله جریانهایی در آن عضله خاصی که در آن حرکت نقش دارد ، استوار است . مفهوم استفاده از سیگنال عضله برای کنترل ماشین این جدیدی نیست . اولین وسیله ای که از سیگنال یک انسان برای کنترل ماشین استفاده شد وسیله ای برای اندازه گیری سطح کشنده برای شکهای الکتریکی بوده . بعدها در سال 1955 سیستمی تعریف شد که آن جریانهای عضله برای عمل grasping (گرفتن شیار) بکار می رفت ، که نشان می داد جریانهای عضله می تواند برای مقاصد کنترلی بکار رود . در اینجا بود که kobrinskey در سال 1960 اولین سری سیستمهای مصنوعی کنترل شده بوسیله بیوالکتریک را برای اندامهای قطع شده مصرفی نمود . از آن پس مراکزی در اروپا و نیز اخیراً در ایالات متحده و کانادا پیشرفتهای زیادی در اندامهای مصنوعی میوالکتریک نموده اند .

اندامهای مصنوعی میوالکتریک با پتانسیلهای عمل غشاء عضله کنترل می شوند که بطور متوسط با تحریک مرکز سیستم عصبی پیش می آید . از آنجا که کل سیگنال عضله مجموع فعالیتهای فیبرهای عضلانی است ، نیروی حاصل از عضله بطور خطی با تغییرات ولتاژ متناسب است . نیروی عضله با فرکانس تحریک سیستم اعصاب مرکزی نیز متناسب می باشد . ترکیب تعداد فیبرهای عضله تحریک شده و فرکانس تحرک ، کنترل خوب عضله سبب می شود . بنابراین برنامه ای بصورت یک سری از پالسهائی که مراکز اعصاب به عضله های درگیر که هر عمل فرستاده شده اند می توان معرفی نمود .