РОЗДІЛ 2
ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВИЙ ПІДХІД ДЛЯ ПЛАНУВАННЯ ТРАЄКТОРІЙ МАНІПУЛЯЦІЙНИХ СИСТЕМ ДОВІЛЬНОЇ КОНФІГУРАЦІЇ У ПРОСТОРІ З ОБМЕЖЕННЯМИ
У даній дисертаційній роботі для розв'язку задачі планування траєкторій пропонується новий підхід [1-7,10,13,15], який заключається у створенні робочого простору допустимих станів МС, як дискретної множини точок, отриманих шляхом розв'язання прямої кінематичної задачі на дискретній множині векторів узагальнених координат. Такі обчислення для конкретної МС виконуються один раз та заносяться у базу даних. Підмножини векторів координат, при значеннях яких МС позиціонується у одну й ту ж точку простору, перетворюються у штучні нейромережі. Для планування траєкторій пропонується у підмножині векторів узагальнених координат, за допомогою нейромережі, знайти, по асоціації, вектор, найбільш подібний до вектора цільового стану. Таким чином, мінімізуються обчислювальні затрати, оскільки нейромережа "навчається" всім можливим способам досягнення цільового стану і, з множини значень, які один раз обчисленні й зберігаються у базі даних, вибирає необхідний вектор. Отже, можна організувати планування траєкторій МС, як аналог процедур навчання й прийняття рішень виконання маніпуляцій і локомоцій вищих організмів [139,140].
2.1. ФІЗІОЛОГІЯ РУХІВ ЛЮДИНИ ЯК АНАЛОГ ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВОГО ПІДХОДУ ДО ПЛАНУВАННЯ ТРАЄКТОРІЙ МАНІПУЛЯЦІЙНИХ СИСТЕМ
Локомоторна активність належить до класу високоавтоматизованих рухів. На цей факт вказував ще Берштейн [139,140]. Локомоторні системи, особливо антропоморфні, є надзвичайно складними динамічними системами, як з точки зору механічної структури, так і з точки зору їх системи керування. Потрібно відмітити, що для здійснення різноманітних рухів людина може використовувати понад 800 м'язів. Тобто, біомеханічна відмінність рухового апарату людини та вищих тварин від штучних самодіючих пристроїв випливає з великої кількості доступних їй ступенів рухливості. Маються на увазі кінематичні, які залежать від багатоланковості її вільно зчленованих кінематичних ланцюгів, так і еластичні, обумовлені пружністю рушійних тяг - м'язів. В силу цього, відсутні однозначні відношення між мірою активності м'язів, її напругою, довжиною та швидкістю її зміни.
Всього декілька ступенів рухливості вже нелегкі для координування, коли у людини немає моторного досвіду, набутого по відношенню до кістково-м'язового рушійного апарату з самих перших тижнів життя
Координація рухів є подолання надлишкових ступенів рухливості органу, який рухається, іншими словами - перетворення його у керуючу систему. Тобто, координація є організація керованості рушійним апаратом. Говориться не про закріплення, пригальмовування надлишкових ступенів свободи, а про їх подолання. Як показали екстенсивні досліди з дітьми [140], фіксація, що усуває згаданий надлишок, застосовується як найбільш примітивний та невигідний шлях лише з самого початку освоєння рушійного вміння, змінюючись потім більш гнучкими, доцільними та економічними шляхами подолання цього надлишку через організацію всього процесу.
Механізми керування у людини, значною мірою, невідомі. Відомі лише глобальні оберненні зв'язки та загальні принципи керування [139,140]. Цей підхід до керування рухом схематично показаний на рис. 2.1. Основні елементи контуру керування такі:
1. Ефектор (привід), робота якого регулюється заданим параметром.
2. Елементи, які задають системі необхідну величину параметру, що регулюється.
3. Рецептор, який визначає дійсну величину поточного параметра та передає її визначеним способом на блок порівняння.
4. Блок порівняння, який дає величину та знак різниці між дійсними та потрібними значеннями величини параметра ("пристрій порівняння").Механізм, що перетворює дані блоку порівняння у корегуючі сигнали, які потім по оберненому зв'язку передаються до регулятора ("Шифратор").
5. Регулятор, який керує роботою ефектора.
Відсутність інформації про механізм керування особливо позначається в таких питаннях, як зв'язок керуючих впливів з відповідними рухами, участь окремих пар м'язів у керуючих зусиллях, визначення критеріїв, згідно яких здійснюються локомоторні процеси.
З огляду на таку складність керуючої структури та велику кількість приводів, які здійснюють рух людини, у підході до синтезу штучного руху, що розглядається в даній дисертаційній роботі, скористаємось певними підходами до керування рухами живих систем.
На формування підходу, який розглядається далі, вплинув той факт, що сучасний стан розвитку обчислювальної техніки, алгоритмів управління великими базами даних дозволяє у реальному часі застосовувати методи, які реалізують пошук потрібної (навіть образної) інформації з великих баз даних. Звичайно, це робиться не фізіологічними методами, але існує реальна можливість застосування алгоритмів, в основі яких лежать імітації поведінки живих істот. До таких аналогів у цій роботі віднесено:
1. Моторний досвід, набутий по відношенню до кістково-м'язового рушійного апарату з самих перших тижнів життя, який можна представити як базу даних з нейронними мережами, що містять в собі закодований дискретний простір можливих рухів МС. За допомогою цих рухів можна позиціонувати об'єкт у потрібне цільове опорне положення (тобто у окіл певної точки простору).
2. Аналог підходу до керування рухом, для переміщення МС від опорної точки до заданої.
3. В кожному рушійному акті, пов'язаному з подоланням зовнішніх непідвласних та мінливих сил, організм неперервно зіштовхується з такими нерегулярними та, частіше всього, непередбаченими ускладненнями, які відхиляють рух з наміченої програмної траекторї. Їх неможливо або вкрай недоцільно подолати корегувальними імпульсами, що направленні на відновлення попереднього плану руху. В цих випадках, рецепторна інформація діє, як збуджувач до пристосувальної перебудови програми "на ходу", починаючи від невеликих, технічного значення, переводів стрілки руху на іншу, що пролягає поряд, програмну траекторі