Model wewnętrzny (sterowanie silnikiem) - Internal model (motor control)

Model ruchu ramion do przodu. Polecenie motoryczne u(t) ruchu ramienia jest wprowadzane do rośliny, a przewidywana pozycja ciała x̃(t) jest wyprowadzana.

W obszarze tematyki teorii sterowania , model wewnętrzny jest procesem, który symuluje odpowiedź układu w celu oszacowania wyniku zakłócenia systemu. Zasada model wewnętrzny został po raz pierwszy w 1976 roku przez przegubowy BA Franciszka i WM Wonham jako wyraźnego sformułowania CONANT i Ashby dobrym regulatorem twierdzenia. Kontrastuje to z klasycznym sterowaniem, ponieważ klasyczna pętla sprzężenia zwrotnego nie modeluje jawnie sterowanego systemu (chociaż klasyczny regulator może zawierać model niejawny).

Teoria modelu wewnętrznego sterowania silnikiem twierdzi, że system motoryczny jest kontrolowany przez ciągłe interakcje „ rośliny ” i „ sterownika ”. Roślina jest kontrolowaną częścią ciała, podczas gdy sam model wewnętrzny jest uważany za część kontrolera. Informacje ze sterownika, takie jak informacje z centralnego układu nerwowego (CNS) , informacje zwrotne i kopia eferentna , są przesyłane do zakładu, który odpowiednio się porusza.

Modele wewnętrzne mogą być sterowane za pomocą sterowania ze sprzężeniem do przodu lub ze sprzężeniem zwrotnym . Sterowanie ze sprzężeniem do przodu oblicza dane wejściowe do systemu przy użyciu tylko bieżącego stanu i jego modelu systemu. Nie wykorzystuje sprzężenia zwrotnego, więc nie może korygować błędów w swojej kontroli. W przypadku sterowania ze sprzężeniem zwrotnym część danych wyjściowych systemu może zostać przekazana z powrotem do wejścia systemu, a system jest wówczas w stanie dokonać korekty lub skompensować błędy na żądanym wyjściu. Zaproponowano dwa podstawowe typy modeli wewnętrznych: modele forward i modele odwrotne. W symulacjach modele można łączyć w celu rozwiązywania bardziej złożonych zadań ruchowych.

Modele do przodu

Rysunek 1. Pożądana pozycja ciała jest sygnałem wejściowym do hipotetycznego sterownika, który generuje niezbędne polecenie silnika. To polecenie silnika jest wysyłane do zakładu w celu przemieszczenia ciała, a kopia eferentna polecenia silnika jest wysyłana do modelu do przodu. Dane wyjściowe z modelu postępowego (przewidywana pozycja ciała) są porównywane z danymi wyjściowymi z zakładu (pozycja ciała). Hałas z systemu lub otoczenia może powodować różnice między rzeczywistą a przewidywaną pozycją ciała. Błąd (różnica) między rzeczywistą i przewidywaną pozycją może dostarczyć informacji zwrotnej, aby poprawić ruch dla następnej iteracji modelu wewnętrznego.

W swojej najprostszej postaci modele postępowe pobierają dane wejściowe polecenia motorycznego do „rośliny” i wyprowadzają przewidywaną pozycję ciała.

Sygnał wejściowy polecenia silnika do modelu przedniego może być kopią eferentną, jak pokazano na rysunku 1. Wyjście z tego modelu przedniego, przewidywana pozycja ciała, jest następnie porównywana z rzeczywistą pozycją ciała. Rzeczywista i przewidywana pozycja ciała może się różnić ze względu na hałas wprowadzany do układu przez źródła wewnętrzne (np. czujniki ciała nie są doskonałe, szum sensoryczny) lub zewnętrzne (np. nieprzewidywalne siły z zewnątrz ciała). Jeśli rzeczywista i przewidywana pozycja ciała różnią się, różnicę można ponownie przekazać jako dane wejściowe do całego systemu, aby można było utworzyć dostosowany zestaw poleceń motorycznych, aby uzyskać dokładniejszy ruch.

Modele odwrotne

Rysunek 2. Odwrotny model zadania osiągania. Żądana trajektoria ramienia, Xref(t), jest wprowadzana do modelu, który generuje niezbędne polecenia silnika, ũ(t), aby sterować ramieniem.

Modele odwrotne wykorzystują pożądaną i rzeczywistą pozycję ciała jako dane wejściowe do oszacowania niezbędnych poleceń motorycznych, które przekształciłyby aktualną pozycję w pożądaną. Na przykład w zadaniu dotarcia ramienia pożądana pozycja (lub trajektoria kolejnych pozycji) ramienia jest wprowadzana do postulowanego modelu odwrotnego, a model odwrotny generuje polecenia motoryczne potrzebne do sterowania ramieniem i doprowadzenia go do tego pożądanego konfiguracja (rysunek 2). Odwrotne modele wewnętrzne są również w ścisłym związku z hipotezą niekontrolowanej rozmaitości (UCM) , patrz również tutaj .

Połączone modele do przodu i do tyłu

Prace teoretyczne wykazały, że w modelach sterowania silnikiem, gdy modele odwrotne są używane w połączeniu z modelem postępującym, kopia eferentna wyjścia polecenia silnika z modelu odwrotnego może być wykorzystana jako dane wejściowe do modelu wyprzedzającego do dalszych prognoz. Na przykład, jeśli oprócz sięgania ramieniem, ręka musi być kontrolowana, aby chwycić przedmiot, kopię eferentną polecenia motorycznego ramienia można wprowadzić do modelu do przodu w celu oszacowania przewidywanej trajektorii ramienia. Dzięki tym informacjom kontroler może następnie wygenerować odpowiednią komendę silnika, informującą rękę, aby chwyciła obiekt. Zaproponowano, że jeśli takie istnieją, ta kombinacja modeli odwrotnych i do przodu pozwoliłaby OUN na podjęcie pożądanego działania (sięgnięcie ramieniem), dokładne kontrolowanie zasięgu, a następnie dokładne kontrolowanie dłoni, aby chwycić obiekt.

Teoria kontroli adaptacyjnej

Przy założeniu, że można pozyskać nowe modele i zaktualizować istniejące modele, kopia eferentna jest ważna dla adaptacyjnego sterowania zadaniem ruchu. Przez cały czas trwania zadania motorycznego kopia eferentna jest podawana do modelu wyprzedzającego znanego jako predyktor dynamiki, którego wyjście umożliwia przewidywanie mocy silnika. Podczas stosowania adaptacyjnych technik teorii sterowania do sterowania silnikiem, kopia eferentna jest wykorzystywana w pośrednich schematach sterowania jako dane wejściowe do modelu referencyjnego.

Naukowcy

Szeroka gama naukowców przyczynia się do postępu w zakresie hipotezy modelu wewnętrznego. Michael I. Jordan , Emanuel Todorov i Daniel Wolpert znacząco przyczynili się do formalizacji matematycznej. Sandro Mussa- Ivaldi , Mitsuo Kawato , Claude Ghez , Reza Shadmehr , Randy Flanagan i Konrad Kording przyczynili się do licznych eksperymentów behawioralnych. Modelu DIVA produkcji mowy opracowany przez Frank Guenther H. i jego współpracownicy zastosowań połączonych przodu i odwrotne do produkcji modeli słuchowe trajektorie z symulowanych artykulatorów mowy. Dwa interesujące odwrotne modele wewnętrzne do sterowania produkcją mowy zostały opracowane przez Iaroslava Blagouchine'a i Erica Moreau. Oba modele łączą w sobie zasady optymalne i hipotezę punktu równowagi (polecenia motoryczne λ są traktowane jako współrzędne przestrzeni wewnętrznej). Wejściowe polecenie silnika λ znajduje się poprzez zminimalizowanie długości drogi przebytej w przestrzeni wewnętrznej, albo w ramach ograniczenia akustycznego (pierwszy model), albo w ramach ograniczenia akustycznego i mechanicznego (drugi model). Ograniczenie akustyczne związane jest z jakością wypowiadanej mowy (mierzonej za pomocą formantów ), natomiast mechaniczne związane jest ze sztywnością języka. Pierwszy model, w którym sztywność pozostaje niekontrolowana, jest zgodny ze standardową hipotezą UCM . Natomiast drugi optymalny model wewnętrzny, w którym zalecana jest sztywność, wykazuje dobrą zmienność mowy (przynajmniej w rozsądnym zakresie sztywności) i jest zgodny z nowszymi wersjami hipotezy niekontrolowanej różnorodności (UCM). . Istnieje również bogata literatura kliniczna na temat modeli wewnętrznych, w tym prace Johna Krakauera , Pietro Mazzoniego , Maurice'a A. Smitha , Kurta Thoroughmana , Joerna Diedrichsena i Amy Bastian .

Bibliografia