[ Pobierz całość w formacie PDF ]
oraz większej skuteczności działania.
Powiązania biologii i techniki stworzyły nowe mo\liwości rozwoju naszej wiedzy o
organizmach \ywych, ale równocześnie bionika, jako nauka zajmująca się badaniem budowy
oraz zasadami działania organizmów \ywych w celu wykorzystania tych wyników do kon-
strukcji urządzeń technicznych, stworzyła zupełnie nowe kierunki badań, zasugerowała nowe,
efektywne rozwiązania. Układ sterowania ruchem zwierząt wy\szych jest modelem systemu
sterowania ruchem dla robotów i manipulatorów. Pomimo licznych kontrowersji wiemy ju\
dzisiaj sporo o jego strukturze i mamy pewne zasady działania. Rezultaty bardzo licznych
badań nad ośrodkami nerwowymi związanymi ze sterowaniem ruchem doprowadziły do usta-
lenia poglądów na temat ich lokalizacji i powiązań, pozostały natomiast liczne niejasności na
temat funkcji poszczególnych ośrodków. Obecnie przyjmuje się, \e jest to struktura hierar-
chiczna, w której zazwyczaj wyró\nia się pięć poziomów hierarchii z oddziaływaniami po-
między sąsiadującymi poziomami oraz z licznymi bezpośrednimi połączeniami nawet po-
przez kilka poziomów, co ma istotny wpływ na dokładność i szybkość przepływu informacji.
Pierwszym poziomem jest ośrodek nadrzędny - kora mózgowa będąca układem aso-
cjacyjno-decyzyjnym, w którym następuje ustalenie:
- celu ruchu w formie rozkazu uruchamiającego specjalny program wykonywa-
nia poszczególnych faz ruchu
- kryterium optymalności, które ustala m.in. sposób wykonania ruchu
- ograniczeń związanych z oceną istniejącej sytuacji
Drugi poziom hierarchii to zespół jąder podkorowych będący ośrodkiem, programującym,
koordynującym i generującym stereotypy ruchowe.
Poziom trzeci to zespół ośrodków nadrdzeniowych głównie w pniu mózgu oraz mó\-
d\ek tworzący ośrodek koordynacyjno-decyzyjny zapewniający właściwą dynamikę ruchu.
Poziom czwarty tworzy rdzeń kręgowy wraz z nerwami obwodowymi odpowiadają-
cymi za właściwą współpracę odpowiednich grup mięśniowych.
Na poziomie piątym- najni\szym szczeblu - znajdują się zespoły pętli obwodowo-
rdzeniowych obejmujących neurony znajdujące się w rdzeniu, mięśnie oraz odpowiednie
czujniki poło\enia, szybkości i sil zapewniające optymalny lub prawie optymalny skurcz mię-
śnia. Nale\y jednak pamiętać, ze podział ten nie jest stały, a funkcje poszczególnych szczebli
często uzupełniają się bądz nakładają.
Jeśli spojrzymy na ten schemat budowy i działania układu sterowania ruchem u zwie-
rząt o wy\szym stadium rozwoju i porównamy z typowymi problemami i zadaniami stojący-
mi przed konstruktorami analogicznych urządzeń technicznych, jak\e podobne mamy rozwią-
zania, z jak wielu rzeczy ju\ dzisiaj korzystamy i jak wiele jeszcze mo\na z du\ym po\ytkiem
zaadaptować. Analiza ruchów realizowanych przez organizmy \ywe pozwala na wydzielenie
dwóch typów zadań ruchowych.
Pierwszy typ to ruchy stereotypowe, w których odpowiedni sygnał (np. nazwa . ru-
chu), powoduje uruchomienie odpowiedniego zestawu sygnałów dających w wyniku \ądaną
trajektorię ruchu. Z badań neurofizjologicznych wiadomo, \e dzięki ogromnej liczbie połą-
czeń tworzących zło\one pętle, w układach piramidowych i pozapirarnidowych (są to drogi
połączeń między nadrzędnymi a ni\szymi ośrodkami) jest zakodowanych wiele ró\nych ze-
stawów ruchów i stereotypów przestrzenno-czasowych. Szczególnie istotne sugestie dotyczą-
ce koordynacji czasowo-przestrzennej i omówionej w dalszej części koncepcji sterowania
dwustanowego zawiera analiza roli mó\d\ku.
Typ drugi, to ruchy zmienne nadrzędnie korygowane na bie\ąco, na ogól pod kontrola
wzroku i oceną przebiegu ruchu przez układ asocjacyjno-decyzyjny. Ruchy te mogą tak\e
zawierać pewne stereotypowe składowe jako elementy do budowy ruchów zło\onych. Sygna-
ły sterujące wypracowane na wy\szych szczeblach hierarchii docierają drogami piramidowy-
20
mi i pozapiramidowymi do rdzenia, ustawiając parametry i uruchamiając pętle obwodowo-
rdzeniowe tworzące układy sprzę\enia zwrotnego sterujące skurczem odpowiednich mięśni.
Powy\sze rozwa\ania i koncepcje nie pozwalają jeszcze na skonstruowanie jedno-
znacznych modeli układu ruchowego, wymagają bowiem takiego sprecyzowania zadania, aby
mo\na je było sformalizować i przedstawić w postaci równań obiektu oraz algorytmów prze-
twarzania podejmowanych decyzji na odpowiednie sygnały sterowania tymi obiektami.
Nawet dla tak stosunkowo prostego układu, jakim jest dwuczłonowy robot o 4 stop-
niach swobody, równania opisujące ruch są bardzo trudne do rozwiązania. Intuicja wskazuje,
\e problem optymalności ruchu w organizmach \ywych jest bardzo istotny i \e został on
przez naturę rozwiązany w stopniu co najmniej zadowalającym. W odniesieniu do robotów
problem ten był przez długie lata praktycznie zupełnie pomijany i większość algorytmów ste-
rowania (szczególnie w przypadku robotów przemysłowych) uwzględnia go w bardzo nie-
wielkim stopniu. Jest rzeczą zastanawiającą, \e większość istniejących robotów przemysło-
wych ma konstrukcję mechaniczną, która mniej lub bardziej przypomina rękę, natomiast
układy sterowania tylko w znikomym stopniu wykorzystują zasady działania systemu nerwo-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]