Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема координации движений конечностей является одной из центральных при изучении локомоции. Под локомоцией понимается совокупность согласованных движений, с помощью которых животное или аппарат активно перемещаются в пространстве. Эта проблема рассматривается как при изучении физиологических механизмов управления движениями у животных, так и при конструировании шагающих роботов.
К настоящему времени на основе теоретических и экспериментальных исследований сформирована базовая концепция устройства и функционирования системы управления локомоцией животных. Управление локомоцией осуществляется многоуровневой иерархической системой (Баев, 1991; Бернштей'н, 1947, 1966; Гельфанд, Цетлин, 1966; Сеченов, 1890; Sherrington, 1910). Много исследований посвящено "нижнему" иерархическому уровню. Он представляет собой сеть из локально связанных осцилляторных подсистем, причем каждой конечности ставится в соответствие одна осцилляторная подсистема (Shik, Orlovsky, 1976; Grillner, 1981; Cohen, Harris-Warrick, 1984). Каждый такой осциллятор состоит из нейронного контроллера, включающего сенсорные органы, и механической части, включающей мышцы (Фельдман, 1979; Cruse, 1990). Координация движений конечностей возникает на основе динамики системы взаимодействующих осцилляторов. Различные периодические походки представляют собой различные режимы синхронизации осцилляторных подсистем (Collins, Stewart, 1993; Kopell, 1988; Schoener et al, 1990). Помехи и внешние возмущения походки преодолеваются автономно (Mueller-Wilra et'al, 1992; Taga et al, 1991).
Животные демонстрируют поразительную способность успешно решать локомоторные задачи несмотря на сложность ландшафта, внешние нагрузки, возмущения движений тела и конечностей, повреждения и так далее. Высокая устойчивость живых систем объясняется, в частности, распределенностью или параллельностью системы управления, а также высокой устойчивостью подсистем к внешним возмущениям.
Описанная выше концепция в настоящее время является объектом детального изучения. Применение методов математического моделирования представляется перспективным для такого исследования. Эти методы позволяют рассматривать как задачу управления локомоцией в целом, так и. отдельные подзадачи. Актуальным является изучение
динамики отдельных осцилляторов, участвующих в управлении движением, а так же системы взаимодействующих осцилляторов. При этом основной интерес представляет проблема организации "целесообразного" взаимодействия осцилляторных систем, обеспечивающая эффективное управление локомоцией.
Цель работы. Разработка модели управления локомоцией на основе системы взаимодействующих осцилляторов. Исследование динамических режимов, выбор оптимальных значений параметров системы, обеспечивающих "правильную" координацию конечностей при движении с различными скоростями.
Основные задачи работы. Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи.
-
Изучение динамических режимов в случае простейшей модели двух взаимодействующих пейсмекерных нейронов.
-
Разработка модели нейронной сети из малого количества элементов, способной генерировать ритмическую активность, устойчивую по отношению к шумам. Исследование динамических режимов, а также устойчивости ритма генераторов для различных архитектур связей между элементами.
3. Разработка модели управления ходьбой шестиногого шагающего
устройства на основе системы из шести локально связанных осцилляторов.
4. Настройка параметров модели, обеспечивающая устойчивую
координацию движений конечностей при ходьбе с различными
скоростями. Выбор целевой функции и определение оптимальных
параметров модели.
5. Исследование динамики настроенной модели, изучение и сравнение
модельных "походок" с походками, наблюдаемыми в экспериментах на
насекомых.
Научная новизна работы.
1. Для модели двух электрически связанных пейсмекерных нейронов
впервые показано, что режим противофазных колебаний может быть
единственным устойчивым режимом как при слабых, так и при
промежуточных величинах связи между нейронами. Этот режим является
интересным предсказанием для экспериментальной проверки.
2. В результате исследования нейронных сетей из интегративно-
пороговых элементов с шумами показано, что определенные нейросетевые
архитектуры демонстрируют устойчивую ритмическую активность в
условиях сильных шумов (порядка веса синаптической связи). Наибольшей
устойчивостью обладает сеть из модулей с возбуждающими связями, в
которой взаимодействия между модулями организованы по типу тормозно-возбуждающего кольца.
-
Для задачи управления шагающей системой предложена целевая функция, учитывающая частоту падений при стартах из различных начальных положений конечностей при ходьбе с различными скоростями.
-
Показано, что оптимальные параметры, полученные' в результате минимизации целевой функции обеспечивают эффективное управление движением системы при стартах из произвольных начальных положений.
Практическое значение работы. Результаты диссертационной работы могут использоваться при разработке математических моделей и теоретическом изучении механизмов управления генераторами паттернов.
Результаты проведенных исследований могут быть полезными при разработке систем управления шагающими роботами. В частности, результаты исследований разработанной модели локомоции используются в системе управления шестиногого шагающего робота в Мюнхенском Техническом университете (Германия).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры биофизики физического факультета МГУ, Московского семинара по нейронным сетям под руководством д.ф.-м.н. В.Л. Дунина-Барковского, кафедры биологической кибернетики биологического факультета университета г. Билефельд (Германия) под руководством проф. X. Крузе, лаборатории Системной организации нейронов ИТЭБ РАН под руководством проф. О.С. Виноградовой, на съезде Всероссийского общества по нейронным сетям (Москва, январь 1995), на симпозиуме по нейронным сетям и нейронным вычислениям (Прага, Чехословакия, 1990), на международной конференции "Искусственная жизнь - 93", (Брюссель, Бельгия, 1993), на международной конференции "От восприятия к действию", (Лос Аламитос, США, 1994), на международном совещании "Нейронное кодирование" (Прага, Чехия, 1995).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, Ъыводов и списка литературы. Диссертация изложена на J[$y страницах, содержит 22 рисунка, и 2 таблицы, список литературы содержит 121 библиографическую ссылку.