Формирование программы управления. Параметры стимулирующего сигнала

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Формирование программы управления. Параметры стимулирующего сигнала»

МИНСК, 2008

Многогранное вовлечение мышц в процесс выполнения определенного движения (например, верхняя конечность при определенных допущениях имеет 27 степеней свободы) требует установления ряда зависимостей между основными параметрами, характеризующими объект управления и определяющими характер управления. К таким параметрам относятся начальное положение опорного аппарата человека (донора и реципиента), определенные параметры ЭМГ донора и реципиента, сила, скорость сокращения мышц при выполнении ими тех или иных движений. Следует связывать динамику определенных параметров ЭМГ в процессе выполнения движения с начальным положением опорного аппарата, с силой, развиваемой мышцей (или группой мышц), и скоростью ее сокращения. Следует также выяснить вопросы, связанные с влиянием на суммарный силовой эффект таких параметров стимуляции, как частота, амплитуда, длительность импульса и его форма.

При формировании программ управления на основе биоэлектрического образа движений необходимый характер сокращения мышц реципиента (быстрые или медленные сокращения) задается характером сокращения «донорных» мышц. В качестве последних могут служить мышцы другого человека (донора), задающего программу движения, либо собственные мышцы того человека, движениями которого управляют (реципиента), но которые функционально не загружены во время стимуляции.

Основным достоинством систем биоэлектрического управления пропорционального типа, является то, что в них человек получает возможность произвольно дозировать биоэлектрический сигнал. Однако создание системы пропорционального управления требует решения ряда принципиальных вопросов, среди которых немаловажными являются выбор способа выделения необходимой или желательной информацииизбиоэлектрическою сигнала и способа преобразования информативного параметра биоэлектрического сигнала в сигнал, управляющий стимулирующим сигналом.

Для выбора способа выделения информации необходимо располагать характеристиками сигнала. Каковы же основные параметры электрической активности мыши? С количественной точки зрения ЭМГ прежде всего характеризуется амплитудным и частотным параметрами. Среднее значение амплитуды интерференционной ЭМГ при поверх постном отведении колеблется в пределах 20— 200 мкВ. При максимальных напряжениях мышцы величина электрических колебаний ЭМГ может составлять 1—2 мВ. Из внешних факторов на величину амплитуды главным образом оказывают влияние величина площади отведения и межэлектродное расстояние. В наиболее общем виде чем больше площадь электродов и межэлектродное расстояние, тем больше регистрируемая активность.

Знание частотных характеристик ЭМГ важно для выбора рациональной полосы пропускания с точки зрения отношения сигнал/шум и обработки ЭМГ для биоэлектрического управления.

Подавляющее число исследований определяют диапазон максимальных амплитуд спектра ЭМГ в пределах 70—200 Гц. Исходя из данных о полосе частот ЭМГ, можно сделать выбор частотной полосы пропускания усилительных устройств, используемых при разработке БЭСУ Что касается ограничения диапазона пропускания на высших частотах, то фактически все исследователи ограничивают полосу частотами 800—1500 Гц.

Полоса пропускания ограничивается со стороны низких частот по-разному. Чтобы максимально ослабить сетевые помехи, полосу пропускания усилителя обычно начинают с частот, превышающих 50 и даже 100 Гц (для исключения первой гармоники сетевой помехи). Ограничение полосы пропускания усилительных устройств снизу частотой 100 Гц целесообразно еще и потому, что в этой области сильно сказываются частотные составляющие физиологических помех и артефактов, а также шумы входных каскадов усилителей. Хотя ограничение полосы пропускания на низких частотах до 100 Гц приводит к некоторой потере информации, эту потерю считают допустимой. Сужение полосы пропускания усилителя от 1000 до 50—75 Гц при средней частоте 185 Гц увеличивает отношение сигнал/шум в 2,5 раза. Однако наш опыт использования устройств биоэлектрического управления в навязывании движений свидетельствует о целесообразности расширения снизу полосы пропускания усилительных устройств до 20 Гц (как раз с целью уменьшения потерь информации о движении).

Использовать интерференционную ЭМГ непосредственно для управления невозможно. Поэтому предварительно ее нужно подвергнуть обработке с целью выделения полезной информации о движении. Потенциалы ЭМГ должны быть соответствующим образом усилены и преобразованы в форму, пригодную для управления.

Использование биопотенциалов для управления предъявляет к методам обработки сигналов еще одно требование — высокую скорость анализа данных потенциалов. Без этого невозможно эффективно использовать биопотенциалы для управления, так как в течение времени обработки параметры биологической системы могут существенно измениться. Поэтому для биоэлектрического управления типичен такой режим, при котором происходят непрерывный отбор и анализ полезной информации с немедленным использованием результатов этого анализа для управления.

При биоэлектрическом управлении движениями основной целью является то, чтобы мышца реагировала на управляющие сигналы таким же образом, как реагирует нормальная мышца на приходящие к ней нервные импульсы возб