کنترل وضعیت تعادلی حالت ایستاده به کمک کنترل فیدبک

کنترل وضعیت تعادلی حالت ایستاده به کمک کنترل فیدبک

اسلاید 1: 1به نام خداوند بخشنده و مهربان کنترل وضعیت تعادلی حالت ایستاده به کمک کنترل فیدبکعلی خادم

اسلاید 2: 2کنترل تعادل در حالت ایستادهدو ایده در کنترل تعادل:1- CNS تعادل را به صورت فیدبک با تولید نیروهای اصلاح کننده ماهیچه ای، در پاسخ خودکار به انحراف از وضعیت تعادلی کنترل می کند.2- تصحیحات پیش بینی کننده فید فوروارد نیز برای حفظ تعادل حالت ایستاده مورد نیاز است.

اسلاید 3: 3کنترل فیدبکدو عامل اصلی تعیین کننده نیروی ماهیچه:1- وضعیت تعادلی مرجع بدن2- انحراف وضعیت بدن از این وضعیت مرجعمشخصه کنترل فیدبک: تغییر خودکار و ناخودآگاه نیروی ماهیچه ها در پاسخ به انحراف از یک وضعیت مرجع داده شده

اسلاید 4: 4کنترل فید فورواردتغییر پارامترهای کنترل فیدبک(کنترل پارامترهای حلقه فیدبک نه کنترل مستقیم نیروی ماهیچه ها)مشخصه کنترل فید فوروارد: تغییر وضعیت تعادلی مرجع بدن یا تغییر بهره های حلقه فیدبک به طور خود آگاه یا ناخودآگاه(فقط وقتی اغتشاشات در شرف وقوع، قابل پیش بینی باشند)مثال کنترل فیدفوروارد خودآگاه: خم کردن تنه در حالت ایستاده با تغییر وضعیت تعادلی مرجع بدنمثال کنترل فید فوروارد ناخودآگاه: انحراف پیش بینی کننده بدن مسافران در حالت ایستاده قبل از شروع حرکت قطار

اسلاید 5: 5چگونگی بررسی تنهای مکانیسم کنترل فیدبکبرای بررسی تنهای کنترل فیدبک(کاهش اثر کنترل فیدفوروارد)، قابل پیش بینی بودن اغتشاشات وارده به افراد مورد آزمایش می نیمم می شود به کمک:1- افراد ایستاده روی support platform در معرض حرکت ناگهانی این صفحه با دامنه های تصادفی قرار می گیرند.2- تنها فاز نسبتاً کوتاه اولیه پاسخ(تا حدود 1.2 ثانیه پس از اعمال اغتشاش) مورد بررسی قرار می گیرد. زمان مشخصه تنظیم پارامترهای حلقه فیدبک به کمک کنترل فیدفوروارد حدوداً 10ثانیه است

اسلاید 6: 6هدف این بررسی بررسی پارامترهای مکانیسمهای کنترل فیدبکبررسی این که آیا کنترل فیدبک به تنهایی برای حفظ پایداری تعادل در افرادی که آزادانه ایستاده اند کافیست یا خیرارائه روشی بر مبنای کنترل فیدبک با کمترین تعداد پارامترها و بیشترین دقت

اسلاید 7: 7مدل بدن انسان در این بررسییک مدل سه مفصله با مفاصل مچ پا(A)، زانو(K) و مفصل ران(H) به صورت یک پاندول معکوسبه خاطر اثر متقابل بین لینکها، تغییر گشتاور در هر مفصل روی حرکت همه مفاصل تأثیر می گذارد.

اسلاید 8: 8نحوه آزمایش9 نفر در حالت کاملاً صاف که هر یک ایستاده یک روی support platformو دستها کاملاً در کنار بدناعمال حرکتهای ناگهانی به support platform با جابجایی هایی به صورت ramp در جهتهای عقب و جلو با دامنه های تصادفی3و4و5و6و7.5 سانتی متریدامنه های به قدر کافی بزرگ تا بدن را از حالت تعادل طبیعی خارج کنند و به قدر کافی کوچک تا در معادلات حرکت(که در ادامه می بینیم) اثرات غیر خطی وارد نکنند.

اسلاید 9: 9داده های ثبت شدهکینماتیکها(زوایای مفاصل) و نیروی واکنشی زمین به فرد گشتاورهای مفصل مچ پا برای هر پازمان ثبت داده ها: 1400 میلی ثانیه قبل از اعمال اغتشاش تا 1350 میلی ثانیه بعد از اعمال اغتشاش( زمان کوتاه تا احتمال اثر تصحیحات فید فوروارد می نیمم شود و بر تخمین پارامترهای حلقه فیدبک اثری نگذارد)برای هر فرد و هر دامنه نوسان ثابت، همه داده های ثبت شده متوسط گیری می شوند.

اسلاید 10: 10رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements)معادله حرکت یک سیستم سه لینکه صلب(مدل ارائه شده بدن) تحت جاذبه و اغتشاشات platformT: بردار گشتاور داخلی مفاصل که توسط خود ماهیچه ها تولید می شود.Pax: گشتاورهای خارجی که در اثر اغتشاشات platform ایجاد می شوند.ax: شتاب افقی محور چرخشC: ماتریس اینرسی(inertial)D: ماتریس جاذبه(gravitational)A: نیروهای جانب مرکزی و کوریولیس :بردار زاویه مفاصل

اسلاید 11: 11رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements)درایه های ماتریسهای C وDو بردارهای AوP به کمک جداول استاندارد anthropometric که وزن، قد و طول هر لینک هر شخص را در نظر می گیرد و روابط موجود، محاسبه می شوند.در این بررسی از تقریب خطی رابطه(1) استفاده می شود(ماتریسهای CوD مستقل از زاویه شده اند):اختلاف بین گشتاور محاسبه شده مفاصل(T) به کمک روابط (1) و(2) کمتر از 3% از واریانس گشتاور در هر مفصل است(دقت خوب خطی سازی).

اسلاید 12: 12رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements)محاسبه بردارهای ویژه معادله خطی(2)(حرکتهای ویژه):WA: حرکت ویژه A که حرکت مفصل A در آن غالب است.WH: حرکت ویژه H که حرکت مفصل H در آن غالب است.WK: حرکت ویژه K که حرکت مفصل K در آن غالب است.

اسلاید 13: 13رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements) amplitudes: Kinematic scalingهر کدام از درایه های بردار فوق نشانگر مشخصه زمانی حرکت در راستای بردار ویژه(حرکت ویژه) متناظر هستند.هر مفصلی که مقدار ویژه بزرگتری دارد، اینرسی بیشتری نیز دارد.برای یک ”انسان استاندارد“ با جرم 70 کیلوگرم و قد 170 سانتی متر و اندازه لینکهای استاندارد داریم:

اسلاید 14: 14الگوی کینماتیکی حرکت ویژه A برای ”انسان استاندارد“الگویی مشابه چرخش کل بدن حول مچ پا، flexion مفصل مچ پا و مفصل ران و extension مفصل زانوشیفت CG به سمت جلو

اسلاید 15: 15الگوی کینماتیکی حرکت ویژه Hبرای ”انسان استاندارد“الگویی مشابه خم کردن تنه به جلو به همراه جابجایی مخالف بخشهای بالا و پائین بدنشیفت CG به سمت عقب

اسلاید 16: 16الگوی کینماتیکی حرکت ویژه Kبرای ”انسان استاندارد“الگویی مشابه نشستن با flexionزانو و حرکت انتقالی عمودی بخش تنه به سمت پائین

اسلاید 17: 17با جاگذاری رابطه(4) در رابطه(2) و در نظر گرفتن رابطه(3) داریم: :بردار dynamic scaling amplitudes برای گشتاورهای داخلی :بردار dynamic scaling amplitudes برای گشتاورهای خارجیفایده تجزیه و تحلیل معادله حرکت حرکتهای ویژه، تبدیل بردار دینامیکی کوپل شده رابطه(2) به سه معادله حرکت اسکالر مستقل و ساده(5) می باشد.

اسلاید 18: 18نحوه محاسبه گشتاورT هر مفصلبرای محاسبه گشتاور از طریق داده های کینماتیکی ثبت شده، از رابطه مقابل استفاده می شود.با مقایسه گشتاور مچ پا که مستقیماً ثبت شده است و گشتاور محاسبه شده مچ پا مشاهده می شود که خطای تخمین برای افراد مختلف 2 الی 4 درصد می باشد.

اسلاید 19: 19نحوه محاسبه سایر بردارهانحوه محاسبه بردار دامنه های کینماتیک:نحوه محاسبه بردار دامنه های دینامیکی گشتاورهای داخلی:در رابطه مقابل درایه مربوط به گشتاور داخلی مفصل مچ پا از مقدار اندازه گیری شده مستقیم با force platform جا گذاری می شود و گشتاورهای داخلی مفصل ران و مفصل زانو به کمک مقادیر کینماتیکی محاسبه شده اند.

اسلاید 20: 20سهم حرکت ویژه هر مفصل درجابجایی CGوCPسهم حرکت ویژه هر مفصل درجابجایی CG(bi برای هر مفصل بر حسب مشخصات لینکها و ... تعیین می شود)سهم حرکت ویژه هر مفصل درجابجایی CP

اسلاید 21: 21مدل کنترل فیدبکسیستم کنترل فیدبک زوایای فعلی مفاصل را به گشتاورهای اصلاح کننده مفاصل تبدیل می کند.مدل مناسبی که در گذشته ارائه شده است مدل خطی ویسکو-الاستیک فنر مانند با جمع آثار دو حلقه فیدبک است.یک حلقه با تأخیر(اکتیو) و یک حلقه بی تأخیر(پسیو)سختی و ویسکوزیته حلقه پسیو خیلی کوچکتر از مقادیر متناظر حلقه اکتیو است. پس اینجا حلقه پسیو را حذف و یک حلقه اکتیو با تأخیر“مؤثر“ در نظر گرفته می شود.

اسلاید 22: 22مدل کنترل فیدبکویژگی اصلی مدل استفاده شده در بررسی حاضر: هر حرکت ویژه با حلقه فیدبک خودش به طور مستقل کنترل می شود.در فضای حرکتهای ویژه: گشتاورهای اصلاح کننده مفاصل با و زاویه مفاصل با داده می شود. با توجه به فرض بالای صفحه، دامنه دینامیکی اصلاح کننده در هر حرکت ویژه به طور کامل تنها با دامنه کینماتیکی همان حرکت تعیین می شود.

اسلاید 23: 23مدل کنترل فیدبکتوصیف حلقه فیدبک برای هر حرکت ویژه:و یا:KiS : سختی مربوط به حرکت ویژه iKiV : ویسکوزیته مربوط به حرکت ویژهi: تأخیر مربوط به حرکت ویژهi : تعیین کنندهposture مناسب بدن برای ایستادن

اسلاید 24: 24مدل کنترل فیدبکبا صرفنظر کردن از تأخیر در رابطه(12) داریم:رابطه فوق، فرم مرسوم مدل فیدبک full-state می باشند که از روابط(4)و(6)و(7):Sw و Vw به ترتیب ماتریسهای سختی و ویسکوزیته در فضای حرکتهای ویژه اند. ماتریسهایی قطری به ترتیب با درایه های KiSو KiV (به خاطر کنترل مستقل حرکتهای ویژه)1/KiS و 1/KiV به ترتیب مقادیر ویژه ماتریسهای و هستند. بردارهای ویژه این دو همان حرکتهای ویژه هستند.

اسلاید 25: 25نتایجنحوه ارزیابی کنترل فیدبک مستقل حرکتهای ویژه: بررسی می کنیم که آیا مدل فیدبک رابطه(13) با دقت تغییرات زمانی جابجایی CP در هر حرکت ویژه را توضیح می دهد یا نهچگونگی بررسی فوق: محاسبه پارامترهای بهینه(تأخیر زمانی، KiS و (KiV برای مدل رگرسیون(13) برای هر حرکت ویژه به نحوی که میانگین مربع خطا Ei بین XiCP محاسبه شده با داده های آزمایشی و روابط(6)و(8) و XiCP محاسبه شده توسط رابطه(13) می نیمم شود.می نیمم کردن Ei = ماکزیمم کردن ضریب تعیین که Vi واریانس XiCP می باشد.

اسلاید 26: 26نتایجبرای هر تأخیر زمانی تعیین شده، KiS و KiV با رگرسیون خطی بدست می آیند.تأخیر بهینه ای که ماکزیمم ضریب تعیینR2 را می دهد، تأخیر مؤثر حلقه فیدبک برای حرکت ویژه مورد نظر در یک فرد معین و دامنه اغتشاش اعمالی مشخص است.تأخیر بهینه بدست آمده: خیلی متفاوت برای حرکتهای ویژه مختلف و تقریباً مستقل از دامنه اغتشاشات(لذا تأخیر بهینه مربوط به همه دامنه های اغتشاشات متوسط گیری شد)

اسلاید 27: 27نتایجبا میانگین گرفتن بر روی همه دامنه اغتشاشات و همه افراد، ضرایب تعیینR2 برای پارامترهای رگرسیون بهینه برای حرکتهای ویژه AوHوK به ترتیب برابرند با:با توجه به این که ضرایب تعیین فوق تقریباً برابر 1 هستند، مدل رگرسیون قابل قبول بوده است و فرضیه کنترل حرکتهای ویژه با حلقه های فیدبک مستقل، تأیید می شود.

اسلاید 28: 28نتایجدر شکل مقابل نزدیکی مقادیر منحنی برازش شده CP به منحنی CPکه به طور آزمایشی بدست آمده است ، برای همه حرکات ویژه مشاهده می شود.به تعادل رسیدن منحنیهایCPوCG نیز پس از اعمال اغتشاش، تنها به کمک فیدبک مستقل حرکات ویژه مشاهده می شود.

اسلاید 29: 29نتایجبا توجه به شکل مقابل بهره های فیدبک به جز ویسکوزیته مربوط به حرکت ویژه A(که کمی با افزایش دامنه کم می شود) از دامنه اغتشاشات مستقلند.در نتیجه برای هر فرد و برای هر حرکت ویژه، روی همه دامنه های اغتشاشات بهره ها متوسط گیری می شوند.

اسلاید 30: 30نتایجبررسیها نشان داده اند که پارامترهای مقدار ویژه، تأخیر زمانی، سختی و ویسکوزیته برای هر فرد به طور آماری در حرکتهای ویژه AوK مستقل از هم تغییر می کنند. ولی پارامتر سختی در حرکت ویژه K به طور قابل توجهی به مقدار ویژه و تأخیر زمانی K وابسته است.(با افزایش مقدار ویژه یا کاهش تأخیر زمانی افزایش می یابد.

اسلاید 31: 31مقایسه بین نتایج این مدل و مدل فیدبک full-stateدر روش فیدبکfull-state ، گشتاورها از طریق رابطه زیر محاسبه می شوند:ماتریسهای SوV را می توان با تخمین پارامترهای بهینه بهینه رابطه(14) و یا استفاده از رابطه(15) بدست آورد.

اسلاید 32: 32مقایسه بین نتایج این مدل و مدل فیدبک full-stateدر روش کنترل حرکات ویژه، گشتاورها از طریق روابط زیر بدست می آیند. مشاهده شد که دقت روش کنونی خیلی بهتر از روش فیدبکfull-state می باشد.

اسلاید 33: 33بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شدهپایداری تعادل برای هر حرکت ویژه به طور مستقل آنالیز می شود.برای هر حرکت ویژه پارامترهایی که تخمین زده شده اند در رابطه روبرو جا گذاری می شوند تا معادله حلقه بسته آن بدست آید:مقادیر ویژه ریشه های معادله روبرو هستند:معادله مورد نظر بینهایت ریشه دارد و برای پایداری باید همه ریشه ها جزء حقیقی نا مثبت داشته باشند.

اسلاید 34: 34بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شده

اسلاید 35: 35بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شدهمشاهده می شود که اندازه ناحیه پایداری با کاهش تأخیر حلقه فیدبک افزایش و با افزایش اینرسی حرکت ویژه افزایش می یابد.مقدار ویژه H از مقدار ویژهA خیلی کوچکتر است.(اینرسی H<اینرسی A)مقادیر آزمایشی بدست آمده در ناحیه پایداری قرار دارند.

اسلاید 36: 36بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شدهبا توجه به وابستگی کامل محدوده پایداری به تأخیر و مقدار ویژه هر حرکت ویژه، وابستگی ضرایب بهره به این پارامترها مورد انتظار است.اما برای حرکت ویژه A وابستگی سختی و ویسکوزیته به تأخیر و مقدار ویژه مشاهده نشد. برای حرکت ویژه H، سختی و ویسکوزیته به نحوی تغییر می کنند تا با تغییر تأخیر و مقدار ویژه، همچنان در ناحیه پایداری بمانیم.

اسلاید 37: 37فواید مدل ارائه شدهعلی رغم وجود تأخیر در کنترل فیدبک، پایداری تعادل برای مدل مکانیکی سه مفصله ارائه شده حفظ می شود.دقت این روش در توجیه حفظ تعادل بدن نسبت به روشهای فیدبکfull-state و فیدبک joint-level (که در آن ضرایب سختی متقابل و ویسکوزیته متقابل صفر در نظر گرفته می شوند) بیشتر است.پارامترهای این مدل از مدل فیدبک full-state کمتر است.(6 پارامتر در مقابل 18 پارامتر)

اسلاید 38: 38فواید مدل ارائه شدهبا توجه به این که کنترل مستقل حرکات ویژه فرایند کنترل مدل مکانیکی سه مفصله ما را بسیار ساده تر کرد، معقول است که این پیشنهاد را ارائه کنیم که CNS هم از همین مکانیسم کنترلی بهره می برد. Representation داخلی مشخصات مکانیکی هر حرکت ویژه و پارامترهای حلقه فیدبک مربوط به آن احتمالاً در مخچه ذخیره می شود.چون امکان کنترل هر حرکت ویژه به طور مستقل برای CNS فراهم می شود، CNS توانایی کنترل مستقل هر حرکت ویژه از طریق فیدفوروارد را نیز خواهد داشت.(شواهدی در کنترل مستقل حرکات ویژه برای خم کردن اختیاری تنه مشاهده شده است)

اسلاید 39: 39نمونه ای از سؤالات فراوان حل نشدهچگونه CNS سیگنالهای حسی مختلف از مودالیته های مختلف را با هم ترکیب می کند تا سهم هر حرکت ویژه را در وضعیت فعلی بدن تخمین بزند؟چگونه نیروهای اصلاح کننده در پاسخ به انحراف هر حرکت ویژه از وضعیت تعادلیش، تولید می شوند؟

اسلاید 40: 40از توجه شما سپاسگزارم