پاورپوینت کنترل وضعیت تعادلی حالت ایستاده به کمک کنترل فیدبک

1
به نام خداوند بخشنده و مهربان کنترل وضعیت تعادلی حالت ایستاده به کمک کنترل فیدبک

2
کنترل تعادل در حالت ایستاده
دو 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.

3
کنترل فیدبک
دو عامل اصلی تعیین کننده نیروی ماهیچه:

1- وضعیت تعادلی مرجع بدن
2- انحراف وضعیت بدن از این وضعیت مرجع

مشخصه کنترل فیدبک: تغییر خودکار و ناخودآگاه نیروی ماهیچه ها در پاسخ به انحراف از یک وضعیت مرجع داده شده

4
کنترل فید فوروارد
تغییر 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 بدن

مثال کنترل فید فوروارد ناخودآگاه: انحراف پیش بینی کننده بدن مسافران در حالت ایستاده قبل از شروع حرکت قطار

5
چگونگی بررسی تنهای مکانیسم کنترل فیدبک
برای 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

6
هدف این بررسی
بررسی پارامترهای مکانیسمهای کنترل فیدبک

بررسی این که آیا کنترل فیدبک به تنهایی برای حفظ پایداری تعادل در افرادی که آزادانه ایستاده اند کافیست یا خیر

ارائه روشی بر مبنای کنترل فیدبک با کمترین تعداد پارامترها و بیشترین دقت

7
مدل بدن انسان در این بررسی
یک مدل سه مفصله با مفاصل مچ پا(A)، زانو(K) و مفصل ران(H) به صورت یک پاندول معکوس

به خاطر اثر متقابل بین لینکها، تغییر گشتاور در هر مفصل روی حرکت همه مفاصل تاثیر می گذارد.

8
نحوه آزمایش
9 نفر در حالت کاملاً صاف که هر یک ایستاده یک روی support platformو دستها کاملاً در کنار بدن

اعمال حرکتهای ناگهانی به support platform با جابجایی هایی به صورت ramp در جهتهای عقب و جلو با دامنه های تصادفی3و4و5و6و7.5 سانتی متری

دامنه 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.

9
داده های ثبت شده
کینماتیکها(زوایای مفاصل) و نیروی واکنشی زمین به فرد گشتاورهای مفصل مچ پا برای هر پا

زمان 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.

10
رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements)
معادله حرکت یک سیستم سه لینکه صلب(مدل ارائه شده بدن) تحت جاذبه و اغتشاشات platform
T: 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 چرخش
C: ماتریس اینرسی(inertial)
D: ماتریس جاذبه(gravitational)
A: نیروهای جانب مرکزی و کوریولیس
:بردار زاویه مفاصل

11
رویکرد 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).

12
رویکرد 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.

13
رویکرد حرکتهای ویژه(eigenmovements)
amplitudes: Kinematic scaling

هر 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:

14
الگوی 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 زانو

شیفت CG به سمت جلو

15
الگوی کینماتیکی حرکت ویژه Hبرای ”انسان استاندارد“
الگویی مشابه خم کردن تنه به جلو به همراه جابجایی مخالف بخشهای بالا و پائین بدن

شیفت CG به سمت عقب

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

17

با 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 خارجی
فایده 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.

18
نحوه محاسبه گشتاورT هر مفصل

برای 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.

19
نحوه محاسبه سایر بردارها
نحوه 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.

20
سهم حرکت ویژه هر مفصل درجابجایی CGوCP
سهم 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

21
مدل کنترل فیدبک
سیستم 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 تاخیر(اکتیو) و یک حلقه بی تاخیر(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 تاخیر“موثر“ در نظر گرفته می شود.

22
مدل کنترل فیدبک
ویژگی 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.

23
مدل کنترل فیدبک
توصیف حلقه فیدبک برای هر حرکت ویژه:

و یا:

KiS : سختی مربوط به حرکت ویژه i
KiV : ویسکوزیته مربوط به حرکت ویژهi

: تاخیر مربوط به حرکت ویژهi
: تعیین کنندهposture مناسب بدن برای ایستادن

24
مدل کنترل فیدبک
با صرفنظر کردن از تاخیر 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.

25
نتایج
نحوه 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 نه

چگونگی بررسی فوق: محاسبه پارامترهای بهینه(تاخیر 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.

26
نتایج
برای هر تاخیر زمانی تعیین شده، KiS و KiV با رگرسیون خطی بدست می آیند.

تاخیر بهینه ای که ماکزیمم ضریب تعیینR2 را می دهد، تاخیر موثر حلقه فیدبک برای حرکت ویژه مورد نظر در یک فرد معین و دامنه اغتشاش اعمالی مشخص است.

تاخیر بهینه بدست آمده: خیلی متفاوت برای حرکتهای ویژه مختلف و تقریباً مستقل از دامنه اغتشاشات(لذا تاخیر بهینه مربوط به همه دامنه های اغتشاشات متوسط گیری شد)

27
نتایج
با 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، تایید می شود.

28
نتایج
در 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.

29
نتایج
با 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.

30
نتایج
بررسیها نشان داده اند که پارامترهای مقدار ویژه، تاخیر 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 تاخیر زمانی K وابسته است.(با افزایش مقدار ویژه یا کاهش تاخیر زمانی افزایش می یابد.

31
مقایسه بین نتایج این مدل و مدل فیدبک full-state
در 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.

32
مقایسه بین نتایج این مدل و مدل فیدبک full-state
در 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.

33
بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شده
پایداری 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.

34
بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شده

35
بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شده
مشاهده می شود که اندازه ناحیه پایداری با کاهش تاخیر 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.

36
بررسی حفظ پایداری posture با روش ارائه شده
با توجه به وابستگی کامل محدوده پایداری به تاخیر 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 تاخیر و مقدار ویژه مشاهده نشد.

برای حرکت ویژه H، سختی و ویسکوزیته به نحوی تغییر می کنند تا با تغییر تاخیر و مقدار ویژه، همچنان در ناحیه پایداری بمانیم.

37
فواید مدل ارائه شده
علی رغم وجود تاخیر 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)

38
فواید مدل ارائه شده
با 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)

39
نمونه ای از سوالات فراوان حل نشده
چگونه 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؟

40

از توجه شما سپاسگزارم

سوال؟