Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК 10
Нейронные сети 10
Виды нейронных сетей 11
Шагающие роботы 16
Композиционная концепция и биологический подход в построении шагающих роботов 17
История создания «многоногих» роботов 19
Назначение шагающих роботов, роботы-андроиды 22
Разработка экзоскелетонов 26
Исследование ходьбы человека в фазе заднего толчка 28
Биологические многоканальные системы управления 31
1.10 Выводы 35
2 БИОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ
УСТРОЙСТВАМИ 37
Известные устройства управления искусственными конечностями.... 37
Математическая модель известного устройства управления искусственной конечностью 38
Бионический шагающий аппарат 41
Принцип работы бионического шагающего аппарата 42
Влияние рельефа местности и темпа движения на рисунок походки шагающего аппарата 46
Формирование сигнала управления 48
Двухканальная система управления бионическим
шагающим аппаратом 50
2.8 Математическая модель бионического шагающего аппарата 52
2.9. «Критерий красоты движения» бионического шагающего аппарата. 56
2.10 Экономизация энергетических затрат при применении
бионического сигнала управления 56
2.11 Выводы 61
3 АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕШАЮЩЕЙ
ФАЗЕ ШАГА - ФАЗЕ ЗАДНЕГО ТОЛЧКА. ФОРМИРОВАНИЕ
БИОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ 63
Свободные колебания ненагруженной стопы шагающего аппарата.... 63
Расчет вынужденных колебаний, вызванных управляющим воздействием в виде импульсов прямоугольной и пилообразной
формы, методом интеграла Дюамеля 66
Бионический режим управления 69
Формирование сигнала управления дискретной сверткой 71
Расчет деполяризационных процессов 72
Разностный сигнал деполяризации 75
3.7 Апериодический режим и дискретная свертка 78
3.8 Математический расчет сигнала в канале обратной связи 80
3.9 Большая глубина обратной связи 82
Колебательный режим и дискретная свертка 83
Математический расчет сигнала в канале обратной связи 84
Дискретная свертка при больших глубинах обратной связи 86
Высокочастотный диапазон 87
Частота импульсов F = 200 Гц 87
Частота импульсов F = 400 Гц 88
Частота импульсов F= 600 Гц 89
Формирование сигнала управления волновым генератором 91
Запаздывающая дискретная свертка в высокочастотном диапазоне . 97
Смещенная дискретная свертка в колебательном режиме 99
Выводы 102
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ НЕЙРОННЫХ СТРУКТУР
ЖЕЛАТИНОЗНОЙ СУБСТАНЦИИ РОЛАНДО С ПОМОЩЬЮ
ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ 103
Цель исследований 103
Моделирование деполяризационных процессов с помощью однозвенного биологического фильтра 105
Расчет однозвенного биологического фильтра 109
Моделирование деполяризационных процессов с помощью двухзвенного биологического фильтра при одинаковых
постоянных времени т 109
4.5 Моделирование деполяризационных процессов с помощью
двухзвенного биологического фильтра при разных
постоянных времени т 115
4.6 Моделирование постдеполяризационных процессов с помощью
двухзвенного биологического фильтра 119
» 4.7 Расчет двухзвенного биологического фильтра 120
Моделирование деполяризационных процессов с помощью трехзвенного биологического фильтра 121
Исследование влияния периода следования импульсов на функционирование нейронного генератора сигнала управления 123
Исследование влияния постоянной времени т3 на функционирование нейронного генератора сигнала управления 125
Исследование влияния постоянной времени т2 на функционирование нейронного генератора сигнала управления 126
Исследование влияния постоянной времени Т\ на функционирование нейронного генератора сигнала управления 128
Исследование влияния амплитуды входных сенсорных сигналов на функционирование нейронного генератора сигнала управления 129
Моделирование деполяризационных процессов с помощью четырехзвенного биологического фильтра 131
Моделирование деполяризационных процессов с помощью пятизвенного биологического фильтра 136
Анализ устойчивости функционирования нейронного генератора бионического сигнала управления 140
4.17 Выводы 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЯ
»
»
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время террористические акты и локальные войны часто приводят к поражению и невосполнимой утрате верхних и нижних конечностей, в связи с этим возрастает потребность в их замене совершенными протезирующими устройствами. Не менее актуальной является задача разработки надежных и экономичных шагающих аппаратов. Техногенные аварии, такие как на Чернобыльской АЭС, ставят на повестку дня создание совершенных шагающих аппаратов и роботов, которые способны заменить человека в опасных условиях. Таким образом, разработка протезирующих устройств с активной фазой отталкивания и использование их аналогов в конструкциях шагающих аппаратов являются актуальной задачей роботостроения и протезостроения.
Создание таких надежных и совершенных биотехнических конструкций
возможно при использовании в качестве прототипа аналогичных систем
опорно-двигательного аппарата человеческого организма. В этом отношении
моделирование естественных систем и разработка на их основе совершенных
биотехнических устройств является весьма актуальной задачей.
Объект исследования. Объектом данного исследования является известная в нейрофизиологии гипотеза, основанная на управляющем действии на скелетные мышцы со стороны сложного нейронного комплекса пирамидных нейронов и нейронов желатинозной субстанции Роландо.
Предмет исследования. Предметом исследования является сложный нейронный комплекс пирамидных нейронов и нейронов желатинозной субстанции Роландо.
Цель работы. Целью работы является анализ сложных нейросетевых структур, включающих пирамидные нейроны и нейроны желатинозной субстанции Роландо, методами цифровой фильтрации и дискретной свертки. Основываясь на результатах проведенного анализа разработать и исследовать
модель, воспроизводящую сложный нейронный комплекс пирамидных нейронов и нейронов желатинозной субстанции Роландо. На базе полученной модели разработать биотехнические устройства, использующие особенности обработки информации в мозговых структурах живого организма.
Основные задачи исследований. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработать бионическую систему управления шагающим аппаратом, позволяющую приблизить рисунок движения к естественному.
Исследовать влияние синаптических запаздываний в модели нейронного комплекса пирамидных и желатинозных нейронов субстанции Роландо и количества звеньев цифрового биологического фильтра на устойчивый режим работы разработанного шагающего аппарата.
Оценить степень экономии энергетических затрат при использовании нейронного комплекса в качестве формирователя цифрового
» бионического сигнала управления.
4. Рассчитать коэффициент плавности движения, показывающий
преимущества бионического принципа управления в конструкции
шагающего аппарата.
Методы исследований. Поставленные задачи решены при помощи применения системного анализа, методов цифровой обработки сигналов, методов теории автоматического управления и вычислительной техники.
Научная новизна. Заключается в следующих результатах:
разработана модель, адекватно воспроизводящая известную в нейрофизиологии нейронную систему управления - сложный нейронный комплекс пирамидных и желатинозных нейронов субстанции Роландо;
на базе полученной модели синтезирована бионическая система управления техническими устройствами;
применен математический аппарат дискретной свертки для анализа дискретных сигналов, формируемых в цепи обратной связи нейронной системы управления;
показано, что аналогом биологической системы управления могут быть рекурсивные цифровые фильтры;
разработан критерий оценки основной фазы движения шагающего аппарата - фазы заднего толчка;
применены биологические принципы демпфирования упругих колебаний в разработанном техническом устройстве.
Практическая ценность. Заключается в том, что создан и апробирован программный комплекс, моделирующий сложную нейронную систему управления и обработки информации, в основе которой лежит взаимосвязанный комплекс нейронных структур спинного мозга.
Разработана бионическая система управления шагающим аппаратом, использующая в качестве прототипа биологическую систему управления на базе сложного нейронного комплекса пирамидных и желатинозных нейронов субстанции Роландо и позволяющая приблизить рисунок движения к естественному.
Реализация результатов работы. Автором работы получено два патента РФ на изобретения. Подана заявка на получение патента РФ и получено приоритетное письмо от 08.09.2005 №2005128116 на изобретение. Результаты исследований использованы в учебном процессе Кубанского государственного технологического университета при разработке курса «Нейрокомпьютерные системы» и «Системы цифровой обработки сигналов», а также в учебном процессе Кубанского государственного университета при подготовке курса «Биофизика».
Результаты работы внедрены в организации ОАО «Медтехника». Акт внедрения прилагается.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции по математическому моделированию в г. Якутске, Девятой Всероссийской конференции «Наука. Экология. Образование» г. Анапа; VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» г. Сочи, Международной конференции ИВТН-2004 «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», Международной конференции ИВТН-2004 «Информационно-вычислительные технологии в фундаментальных и прикладных физико-математических исследованиях». Работа отмечена почетной грамотой по итогам краевого конкурса «Лучшая научная и творческая работа аспирантов высших учебных заведений Краснодарского края» 2003 года.
Основные положения, выносимые на защиту:
- шагающий аппарат с дискретной бионической системой управления;
математическая модель разработанного шагающего аппарата с бионической системой управления;
показатели качества выполнения заднего толчка в шагающем аппарате с бионической системой управления в виде рассчитанных коэффициентов и графиков.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, включая два изобретения, на которые получены патенты РФ, и одну заявку на патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 159 страницах, содержит 107 рисунков, 22 таблицы.
»
