Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека
В Приложении приведено более подробное объяснение методики экспериментов по исследованию центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека – использованного механического устройства и математического аппарата для описания пространственных характеристик двухсуставного дв...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Нейрофизиология |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68276 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека / А.В. Горковенко // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 1. — С. 57-60. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860044254502453248 |
|---|---|
| author | Горковенко, А.В. |
| author_facet | Горковенко, А.В. |
| citation_txt | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека / А.В. Горковенко // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 1. — С. 57-60. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Нейрофизиология |
| description | В Приложении приведено более подробное объяснение методики экспериментов по исследованию центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека – использованного механического устройства и математического аппарата для описания пространственных характеристик двухсуставного движения руки в горизонтальной плоскости.
У Додатку наведено більш детальне пояснення методики експериментів з дослідження центральних моторних команд при реалізації двосуглобових рухів руки людини – використаного механічного пристрою та математичного апарату для опису просторових характеристик двосуглобового руху руки в горизонтальній площині.
In the Supplementum, the techniques used in the study of central motor commands related to realization of two-joint arm movements in humans are described in more detail. The descriptions of the mechanical device used and of the mathematical apparatus for calculations of the spatial characteristics of two-joint arm movements within the horizontal plane are presented.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:57:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 1 57
Приложение
УДК 612.76:612.825
А. В. ГОРКОВЕНКО1
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ЦЕНТРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ КОМАНД ПРИ
РЕАЛИЗАЦИИ ДВУХСУСТАВНЫХ ДВИЖЕНИЙ РУКИ ЧЕЛОВЕКА
В Приложении приведено более подробное объяснение методики экспериментов по ис-
следованию центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений
руки человека – использованного механического устройства и математического аппа-
рата для описания пространственных характеристик двухсуставного движения руки в
горизонтальной плоскости.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: двухсуставное движение, центральная моторная команда,
система координат, методика эксперимента.
1 Институт физиологии им. А. А. Богомольца НАН Украины, Киев
(Украина).
Эл. почта: gork@biph.kiev.ua (А. В. Горковенко).
На рис. 1 представлена схема механического устрой-
ства, использованного в тестах. Данное устройство
было разработано и изготовлено инж. В. В. Корнее-
вым. На рисунке приняты следующие обозначения:
X, Y – оси декартовых координат; O1 – C – враща-
ющаяся консоль; A – каретка; О1 и О2 – оси враще-
ния плечевого и локтевого суставов соответствен-
но; r1 – длина плеча, r2 – предплечья; α1 – плечевой,
α2 – локтевой углы; θ – угол поворота консоли;
F – внешняя сила, приведенная к референтной точке
(РТ) кисти; Fn, – нормальные, Fτ – тангенциальные
проекции внешней силы.
Для исследования двухсуставного движения
руки человека измерялось положение РТ кисти
руки в горизонтальной плоскости. Чтобы описать
положение РТ в плоскости движения конечности,
использовались три различные системы координат.
Для регистрации положения кисти в пространстве
применялась полярная система координат; угол по-
ворота θ консоли O1 – C измерялся с помощью по-
тенциометрического датчика поворота, а радиус
положения кисти оценивался путем измерения рас-
стояния от РТ (рис. 1, точка А) до оси вращения
консоли. В то же время для задания траектории дви-
жения РТ использовалась декартова система коор-
динат, а для анализа центральных моторных команд
(ЦМК) – двухугловая система координат, в которой
положение РТ задается двумя суставными углами –
плечевым α1 и локтевым α2. Необходимо заметить,
что все системы включают в себя две независимые
координаты. Это является следствием того, что мо-
дель двухсуставного движения конечности имеет
две степени свободы. С другой стороны, зная коор-
динаты кисти в одной из систем координат и длины
звеньев руки, всегда можно перевести такие коор-
динаты в любую другую систему.
Р и с. 1. Схема механического устройства.
Подробные объяснения в тексте.
Р и с. 1. Схема механічного пристрою.
A
Y
C
Fn
F
FT
O2
XO1
r1
α1
α2
θ
r2
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 158
Для перехода из полярной в декартову систему
координат использовали следующие формулы:
,
(1)
где r – расстояние (м) от каретки до оси вращения
консоли; θ – угол (радианы) поворота консоли от
латерального направления вправо против часовой
стрелки; x, y – расстояния (м) РТ кисти от нулевой
точки по осям декартовых координат.
За начало координат была принята точка, совпа-
дающая с осью вращения плечевого сустава. При
этом ось Y была направлена параллельно сагитталь-
ной плоскости и перпендикулярно фронтальной, в
то время как ось X – перпендикулярно сагитталь-
ной плоскости. Во время тeстов движение конечно-
сти осуществлялось таким образом, чтобы переме-
щения предплечья и РТ кисти находились в одной
горизонтальной плоскости с плечевым суставом, а
оси вращения плечевого и локтевого суставов были
вертикальными.
Для перехода из полярной системы коорди-
нат в двухугловую использовались следующие
формулы:
,
(2)
где α1, α2 – углы (радианы) поворота плечевого и локте-
вого суставов соответственно, как показано на рис. 1;
θ – угол (радианы) поворота консоли в полярных ко-
ординатах; r – расстояние (м) от каретки до оси вра-
щения консоли; r1 – длина (м) плеча; r2 – расстояние
(м) от оси вращения локтевого сустава до РТ.
Для перехода из двухугловой системы координат
в декартову использовались следующие формулы:
Значение сил и моментов сил, прикладываемых к сегментам конечности в вершинах четырехугольника траекторий
Значення сил і моментів сил, що прикладалися до сегментів кінцівки у вершинах чотирикутника траєкторій
Внешние силы Точки Момент сил,
приложенный к плечу
(Н·м)
Момент сил,
приложенный к
предплечью (Н·м)
Сила Fn, действующая
по нормали (Н)
Только продольная
составляющая
A 0 0.9 6.5
B 0 0.9 6.5
C 0 2.0 9.8
D 0 2.0 9.8
Только поперечная
составляющая
A 3.1 1.9 0
B 4.8 2.9 0
C 5.1 3.5 0
D 4.7 3.2 0
Обе указанные силы A 3.1 2.8 6.5
B 4.8 3.8 6.5
C 5.1 5.7 9.8
D 4.7 5.4 9.8
B
A
DC
α2
= const
α1
= const
r1
r2
O2
O1
Р и с. 2. Операционное пространство перемещения конечности
в эксперименте.
Тонкими линиями изображена сетка постоянных плечевых (α1)
и локтевых (α2) углов. r1 – плечо; r2 – предплечье; O1 –плечевой,
O2 – локтевой суставы; ABCD – криволинейный четырехугольник
траекторий. Подробное объяснение в тексте.
Р и с. 2. Операційний простір переміщення кінцівки в
експерименті.
А. В. ГОРКОВЕНКО
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 1 59
,
(3)
где приняты обозначения, аналогичные в формулах
(1, 2).
Паттерн перемещения конечности задавался тра-
екторией и скоростью движения РТ кисти руки в
плоскости с использованием специального языка,
который определял движение в двухугловой систе-
ме координат (плечевого и локтевого углов) при
помощи специальных команд, помещенных в тек-
стовый файл. В качестве нулевых значений углов
принимались состояние полного разгибания локте-
вого сустава и угол в плечевом суставе, когда ось
плеча совпадала с поперечной осью тела и находи-
лась под углом 90° относительно его продольной
оси. Далее специальная программа на основании
команд, используя формулы (3), генерировала по-
следовательный ряд декартовых координат положе-
ния кисти, в котором каждый отсчет соответствовал
конкретному положению РТ кисти в пространстве.
Во время эксперимента этот ряд координат выво-
дился на экран компьютера и задавал движение
маркера цели, которое должен был отслеживать ис-
пытуемый.
В исследованиях использовались следующие
траектории, которые схематически изображены на
рис. 2 в виде криволинейного четырехугольника
ABCD. Так, движения вдоль дуг AB и CD осущест-
влялись только за счет изменения угла плечевого
сустава при неподвижном локтевом. Движения же
вдоль дуг BC и AD выполнялись только путем сги-
бания или разгибания предплечья (изменения угла
локтевого сустава) при неподвижности плеча. Пе-
ремещения по диагоналям четырехугольника (AC,
BD) производились за счет совместных поворотов
в обоих суставах. При этом точкам четырехуголь-
ника соответствовали следующие суставные углы
(плечевой и локтевой): A – 10 и 55°; B – 40 и 55°;
C – 40 и 100°; D – 40 и 100°. В наших эксперимен-
тах использовались следующие траектории: оба
сустава сгибались одновременно (AC) или после-
довательно (ABC, ADC); оба сустава разгибались
одновременно (CA) или последовательно (CBA,
CDA); локтевой сустав сгибался, а плечевой разги-
бался одновременно (BD) либо же последователь-
но разгибался плечевой сустав и сгибался локте-
вой (BAD) и последовательно сгибался локтевой
и разгибался плечевой сустав (BCD); одновремен-
но локтевой сустав разгибался, а плечевой сгибал-
ся (DB), последовательно разгибался локтевой су-
став и сгибался плечевой (DAB), последовательно
разгибался локтевой и сгибался плечевой сустав
(BCD). Нетрудно заметить, что все эти траектории
соответствовали либо последовательным измене-
ниям углов локтевого и плечевого суставов, либо
одновременному (параллельному) изменению ука-
занных углов. Время перемещения вдоль каждой из
дуг и диагоналей составляло приблизительно 3 с.
К сегментам конечности могли прилагаться силы и
моменты сил, величины которых в вершинах четы-
рехугольника приведены в таблице. При переходе
из точки в точку указанные выше величины углов
менялись монотонно.
Для анализа кинематических и динамических
характеристик движения конечности координаты
положения кисти переводились из полярной систе-
мы в двухугловую в соответствии с формулами (2).
После этого вычислялись угловые скорости и уско-
рения вращения звеньев конечности в плечевом и
локтевом суставах. Такие расчеты выполнялись с
помощью процедуры цифрового дифференцирова-
ния, перед которой данные подвергались цифровой
фильтрации посредством фильтра Баттерворта чет-
вертого порядка с частотой среза 10 Гц.
Внешние нагрузки, прикладываемые к сегментам
конечности, рассчитывались исходя из декартовых
координат РТ кисти руки. При этом использова-
лись геометрические данные, описывающие взаим-
ное расположение звеньев механического устрой-
ства. Так, для анализа вычислялись моменты сил
относительно плечевого и локтевого суставов, а
также сила, приложенная к каретке (РТ). Для это-
го вначале все внешние силы приводились к паре
сил, приложенных к каретке, – нормальной и тан-
генциальной. Первая из них была направлена вдоль
консоли, и направление к оси вращения консоли
принималось положительным. Вторая была направ-
лена перпендикулярно консоли, и положительным
направлением выбиралось такое, при котором эта
сила вращала бы консоль по часовой стрелке. Для
расчета моментов внешних сил относительно осей
суставов использовались следующие формулы:
,
(4)
где M1, M2 – моменты сил (Н · м) относительно пле-
ча и локтя соответственно; Fn – нормальная, Fτ –
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ЦЕНТРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ КОМАНД
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 160
тангенциальная силы (Н), приведенные к РТ карет-
ки механического устройства; r – расстояние (м) от
каретки до оси вращения консоли; r2 – длина (м)
предплечья; θ – угол (радианы) поворота консоли;
α1 и α2 – углы (радианы) поворота плечевого и лок-
тевого суставов соответственно.
Для оценки воздействия инерциальных сил на
сегменты руки во время тестов использовались
формулы, примененные в работе Вада и соавт. [1].
Расчеты показали, что, поскольку угловая скорость
вращения сегментов руки была невысокой (поряд-
ка 10–15 град/с), инерциальные силы были в 15–20
раз меньше внешних сил; поэтому в анализе ЦМК
их влияние могло не учитываться.
А. В. Горковенко1
МЕТОДИКА АНАЛІЗУ ЦЕНТРАЛЬНИХ МОТОРНИХ
КОМАНД ПРИ РЕАЛІЗАЦІЇ ДВОСУГЛОБОВИХ РУХІВ
РУКИ ЛЮДИНИ
1Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України,
Київ (Україна).
Р е з ю м е
У Додатку наведено більш детальне пояснення методики
експериментів з дослідження центральних моторних ко-
манд при реалізації двосуглобових рухів руки людини – ви-
користаного механічного пристрою та математичного апа-
рату для опису просторових характеристик двосуглобового
руху руки в горизонтальній площині.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Y. Wada, Y. Kanekoa, E. Nakanob, et al., “Quantitative
examinations for multi joint arm trajectory planning using
a robust calculation algorithm of the minimum commanded
torque change trajectory,” Neural Networks, 14, 381-393
(2001).
А. В. ГОРКОВЕНКО
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-68276 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0028-2561 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:57:39Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горковенко, А.В. 2014-09-20T11:46:36Z 2014-09-20T11:46:36Z 2009 Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека / А.В. Горковенко // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 1. — С. 57-60. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 0028-2561 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68276 612.76:612.825 В Приложении приведено более подробное объяснение методики экспериментов по исследованию центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека – использованного механического устройства и математического аппарата для описания пространственных характеристик двухсуставного движения руки в горизонтальной плоскости. У Додатку наведено більш детальне пояснення методики експериментів з дослідження центральних моторних команд при реалізації двосуглобових рухів руки людини – використаного механічного пристрою та математичного апарату для опису просторових характеристик двосуглобового руху руки в горизонтальній площині. In the Supplementum, the techniques used in the study of central motor commands related to realization of two-joint arm movements in humans are described in more detail. The descriptions of the mechanical device used and of the mathematical apparatus for calculations of the spatial characteristics of two-joint arm movements within the horizontal plane are presented. ru Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України Нейрофизиология Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека Методика аналізу центральних моторних команд при реалізації двосуглобових рухів руки людини Methods of Analysis of Central Motor Commands Related to Realization of Two-Joint Arm Movements in Humans Article published earlier |
| spellingShingle | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека Горковенко, А.В. |
| title | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| title_alt | Методика аналізу центральних моторних команд при реалізації двосуглобових рухів руки людини Methods of Analysis of Central Motor Commands Related to Realization of Two-Joint Arm Movements in Humans |
| title_full | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| title_fullStr | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| title_full_unstemmed | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| title_short | Методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| title_sort | методика анализа центральных моторных команд при реализации двухсуставных движений руки человека |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68276 |
| work_keys_str_mv | AT gorkovenkoav metodikaanalizacentralʹnyhmotornyhkomandprirealizaciidvuhsustavnyhdviženiirukičeloveka AT gorkovenkoav metodikaanalízucentralʹnihmotornihkomandprirealízacíídvosuglobovihruhívrukilûdini AT gorkovenkoav methodsofanalysisofcentralmotorcommandsrelatedtorealizationoftwojointarmmovementsinhumans |