Введение к работе
Актуальность темы. Работы по созданию систем управления антропоморфными механизмами, использующих естественные стереотипы движения оператора, привели к понятию биоэлектрического образа движения, поскольку биоэлектрические потенциалы мышц являются ключевым источником информации о естественном движении. В том числе, были предприняты попытки применить результаты таких работ в протезостроении, особенно в создании такого рода антропоморфных механизмов как протезы верхней конечности. Однако, подобные исследования не получили развития в силу объективных трудностей в части интерпретации биоэлектрических образов.
Используемые в настоящее время протезы с биоэлектрическим управлением реализуют релейное или пропорциональное управление каждым суставом в отдельности. Это приводит к значительной нагрузке внимания при одновременном управлении более чем одним суставом, и, в конечном счете, к потере футпшионалыгости протезов, так как ряд функций, возложенных на протез, на практике подменяется приспособительными движениями самого оператора "в помощь" протезу. Для многих пациентов ігх собственный уровень функциональности повышается при использовании подобных устройств незначительно.
Предложенный в работе подход к построению систем управления средствами технической реабилитации позволяет преодолеть значительные трудности, сопряженные как с невозможностью точного формального описания системы "человек-протез", так и с ограниченным набором независимых управляющих воздействий, благодаря преимуществам парадигмы распределенной обработки информации, связанной с применением ИНС. Тема диссертационной работы является весьма актуальной, поскольку создает перспективу развития нового направления исследований в области протезостроения и реабилитационных технологий.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка подхода к построению на основе искусственной нейронной сети эффективной и не перегружающей внимание оператора системы управления антропоморфным механизмом, представленным протезом верхней конечности, с помощью поверхностных биоэлектрических сигналов, снимаемых с мышц, и реализующей естественные движения.
Для достижения данной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
разработка способов и системы управления антропоморфными механизмами на основе комплекса управляющих сигналов, представляющих собой биоэлектрический стереотип движения конечности;
изучение специфики принципов управления протезами верхней конечности и разработка методов уттравления протезом;
нахождение возможности получения дополнительного источника управляющих воздействий без увеличения нагрузки на внимание оператора-инвалида;
подтверждение возможности использования искусственных нейронных сетей для управления протезом верхней конечности на основе неполного биоэлектрического образа движения;
построение работоспособной модели системы управления протезом верхней конечности.
Научная новизна результатов исследования. В процессе проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований показана перспективность применения ИНС для управления антропоморфными механизмами на основе неполных данных в контексте стереотипного образа движения. Впервые предложен эффективный подход к построению систем управления протезами, ориентированными на восстановлении естественных стереотипов движения. Найдена возможность получения дополнительного источника управляющих воздействий без увеличения нагрузки на внимание оператора-инвалида. Создана модель системы управления протезным устройством на основе предложенного подхода.
Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанный в диссертации подход к построению систем управления антропоморфными механизмами с помощью биоэлектрических сигналов создает возможность использования косвенной информации о движении для управления на основе неполных данных, а также может быть использован для повышения надежности систем управления, используюшдх в качестве управляющих воздействий физиологические измерения. В русле создания технических средств реабилитации данный подход открывает широкие возможности для разработки нового поколения систем управления протезами, не требующих сосредоточенного внимания оператора-инвалида, и реализующих естественные стереотипы движения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались па различных научных конференциях и семинарах: на 17-м конгрессе Международного Общества Биомеханики
(Калгари, 1999), 2-й международной научно-технической конференции "Информационные технологии в моделировании и управлении"(Санкт-Петербург, 2000), 5-й Всероссийской конференции по биомеханике (Нижний Новгород, 2000), на специализированных семинарах кафедр "Биомеханика и валеология" (СПбГТУ) и "Мехатроника" (ЛИТМО).
Публикации. Основные результаты работы над диссертацией опубликованы в 5 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 120 страницах, приложений на