Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Система рецепторов каждой модальности связана с определенными отделами центральной нервной системы. Вид каналов связи основных сенсорных модальностсй показан на рис. ВЗ. Распознавание сенсорного образа у человека является результатом совместной работы информационной системы и мозга. Значительная часть информации обрабатывается уже на уровне рецепторов. При этом возмож- Введение ности рецепторов по передаче информации существенно превышают возможности информационной системы по ее переработке, а следовательно, нропускиия способность рецепторных нейронов определяет максимальный поток информации. Так, у человека только в зрительной системе сосредоточено более миллиона каналов передачи информации, способных пропустить до 10 импульсов в секунду.
Если каждый импульс несет хотя бы 1 бит данных, то мозг ежесекундно будет получать от зрительной системы 1О бит информации. Это намного превосходит возможности нервной системы, которые ограничены десятками бит в секунду. Таким образом„количество информации избыточно и оно должно быть сокращено благодаря предварительнои обработке в процессе передачи от рецепторов к мозгу. Рецепторпые клетки Рис. ВЗ. Каналы связи сенсорных функций человека: а — вкус; б — обоняние; в — слух; г — зрение Главная функция обработки информации на уровне рецепторов заключается в выделении определенных важных сторон и свойств поступающих извне сигналов и устранении избыточности. Важнейшей задачей здесь является выделение контраста стимула.
Информация о стимуле, который все длится и длится, мозгу нужна существенно меньше. Например, в зрении основнос значение имеет контурная информация. Так, экспериментально ~~~аз~~о, что образ спящей ~ошки идентифицируется по 38-точечному контурному представлению. Во всех типах рецепции действуют общие принципы интегрального описания стимулов, основанные на анализе их признаков.
Характерные признаки, соответствующие основным видам сенсорной рецепции, даны в табл. В2. ВЗ. Бионические аспекты ииформационных систем Таблица В2 Признаки сенсорных функций бнонической системы Признаки Сенсорная функдия Сладкое, соленое, кислое и горькое ~ Вкус Обоняние (запах) Мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный Объем, громкость, плотность, высота Степени тепла Чувствительность, разрсшакпиая способность Тсрморсцепдия Тактильная Зрснпс Чувствительность, разреп~а~ощая способность, спектраль- ная характеристика Остановимся на этом более подробно, поскольку аналогичные принципы нередко применяют в искусственных информационных системах.
Одним из основных принципов является использование нескольких тинов ощущений для формирования всего их разнообразия. Всю гамму вкусовых ощущений представляют в виде суперпозиции четырех основных вкусовых качеств: сладкое, соленое, кислое иторькое. В этом легко убедиться при анализе органа вкуса. Так, копчик языка чувствителен к сладкому и соленому, боковые его поверхности — к кислому, а спинка — к горькому. Вкус любого вещества имитируется смешиванием двух-трех основных качеств вкуса. Примерно также обстоит дело и с обонянием.
Человек способен распознать запах около сотни тысяч различных веществ, однако в отличие от вкуса, характеризующегося абстрактным представлением, например о кислом, представления о запахах конкретны и связаны с каким-либо веществом (миндалем, камфарой и др.), В соответствии с господствующей в настоящее время стереохимической теорией обоняния Монкриффа — Эймура, выделяют семь первичных запахов: мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный. Выяснилось, что относящиеся к одной группе вещества имеют сходство в стереомодсли.
В частности, для молекул веществ, обладающих камфарным запахом, характерна округлая форма и размер около 1 нм. Предполагается, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, отвечающих основным запахам. В табл. ВЗ представлена сравнительная количественная характеристика сенсорных функций человека. Заметим, что по пропускной способности выделяется зрение, играющее основную роль в адаптации человска к окружающей среде.
Можно предположить такую же роль искусственного зрения при адаптации робота в условиях неопределенности. В то же время слух и особенно осязание обладают значительно более высокой чувствительностью и используются для тонкой коррекции движениЯ при взаимодействии с внешней средой. Введение Тпблицп ВЗ Сравнительная характеристика сенсорных функций человек» В3.2. Кннестетическая рецепция Важнейшую роль в очувствлении робота играют кинестетичсские сенсоры. Кинестетическая функция служит для обеспечения согласованных движений Опорно-двигательного аппарата человека.
Она реализуется нелокализованной ~и~~е~ой рецепторов, в которой достато~но сложно выделит~ отдельные датчики. параметров. С позиции бионикн кинестетические рецепторы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элементами исполнйтельиого урания управления (как бы датчиками соответствующих кОнтуров регулирования). Они регистрируют, изменения относительного положения отдельных элементов двигательной системы. Кннестетическая функция, связанная с обеспечением надлежащей ориентации в пространстве всего организма, реализуется вестибулярным аппаратом. В этом смысле он соответствует информационной системе тактического уровня управления. Его функционирование, как и работа собственно кинестетических сенсоров, осуществляется под управлением нервной системы. Исполнительным механизмом организма является скелет, двигательная активность которого формируется посредством связок и суставов ~кинематичсских пар), а также мышц (приводов).
Масса скелета, состоящи о из 233 костей, составляет в среднем 11 кг. Длина самой большой кости (бедренной) составляет О,5 м„самой маленькой 1'стремечка в среднем ухе) — 3 мм. Мышечная ткань представляет собой самый тяжелый и объемный орган. На скелете содержится 639 мышц, масса которых достигает 45 % общей массы тела. Мышцы потребляют до 6О % кислорода, поступающего в организм, и в состоянии максимального напряжения способны развить усилие до 25 т.
Каждый .грамм мышц содержит около 5ООО нервных волокон, связывающих их с мозгом. Приводная система организма обладает достаточно высокой мощностью. Так, для мышцы руки мгновенное значение мощности, 83. Бионические аспекты информационных сипаем определяемое как произведение развиваемой ею силы на скорость укорочения, достигает 200 Вт при скорости сокращения 2,5 м/с, а ее коэффициент полезного действия (КПД) составляет 30...40 %.
В физиологии кинестстическую сенсорную функцию связывают с рецепторами трех подсистем: мышечной и сухожильной (они контролируют характеристики перемещения, скорости и усилия), кожной (связанной с измерением параметров давления и проскальзывания) и вестибулярным аппаратом. 01тюся кожную подсистему к разделу тактильной рецепции, можно ~~и~а~~, что применительно к роботу киисстстическая функция описыв~~т~я в терминах позы и движения, Чувство позы определяется углами между суставами, оно позволяет, например, синхронизировать движения обеих рук в тестах с завязанными глазами.
Чувство движения связано с восприятием направления и скорости относительного перемещения суставов. Амплитудный порог этого восприятия зависит от угловой скорости. Так, для плечевого сустава при минималыюй угловой скорости движения 0,06 рад/с он соо Ь ставляет 2 — 4, а при угловой скорости 1,7 рад/с — около 30 . Чувство силы ощущаешься как степень мышечного усилия, необходимого для выполнения движения и поддержания позы. Благодаря ему человек может оценить, например, разницу масс предметов при их «взвешивании» обеими руками, которая пе превьппает 3...10 %. Важнейшую роль в кинестстической функции играют мышечные веретена, представляющие собой рецепторы растяжения. При активации мышцы се длина уменьшается примерно на 1 %, что и определяет'динамический диапазон этих рецепторов.
Их размеры варьируются в широких пределах: диаметр 15...100 мкм, длина 4...500 мм. Мышечные веретена есть практически во всех мышцах; их количество изменяется от 40 (в мелких мьшгцах) до 500 (в трехглавой мышце плеча), а общее количество достигает 20 000. Другая многочисленная группа рецепторов — сухожильные органы (или рецепторы Гольджи). Как следует из названия, располагаются они в сухожилиях всех мышц и также представляют собой рецепторы растяжения. По приблизительным подсчетам их приходится от 50 до 80 шт. на каждые 100 мышечных веретен, Передача информации в кинестетической системе осуществляется путем частотно-импульсной модуляции: во время растяжения рецепторов частота импульсации увеличивается.
При этом мышечные веретена возбуждаются главным образом при изменении длины мьппцы, а сухожильные органы— при ее напряжении. Следовательно, у каждой мышцы есть две системы обратной связи: регуляция длины с мып1ечными веретенами в качестве датчиков положения и регуляция напряжения, датчиками в которой служат сухожильные органы. С позиций теории управления наличие двух таких контуров позволяет контролировать изменение нагрузки на мьппцу изменением либо ее длины при конечном напряжении (изотонически), либо напряжения при постоянной длине (изометричсски) мышцы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
