УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ДВИЖЕНИЯ РУКИ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к средствам обучения человека двигательным навыкам в условиях воздействия внешних факторов.
Известно устройство в виде сенсорной перчатки, используемой в качестве манипулятора [1]. Согласно известному изобретению, человек выполняя активные сгибания-разгибания кисти и пальцев, обеспечивает соответствие заданным движениям визуального объекта, отображаемого на экране компьютера. Это вызывает срабатывание чувствительных элементов и их компьютерную регистрацию. За счет объективного компьютерного анализа сенсомоторных процессов обеспечивается возможность реабилитации двигательной функции кисти пациента с поражением центральной нервной системы с участием самого пациента в процессе реабилитации.
К недостаткам такого технического решения можно отнести отсутствие возможности учитывать внешние факторы, создающие нарушения сенсомоторного поля.
Наиболее близким устройством по технической сущности является обучающая система по патенту US2003077556, испытывающая физиологические и кинестетические системы субъекта для синергетического улучшения когнитивной функции [2]. Интерактивная система включает в себя систему отслеживания для определения изменений местоположения, дисплей подсказок для интерактивного движения и побуждает спортсмена к участию в когнитивном обучении.
Система содержит блок отслеживания положения тела или траектории его движения на основе оптических датчиков, передающих через блок связи данные к блоку контроля (компьютеру). Блок контроля оборудован элементом памяти и служит для сравнения траектории имитированного движения с заданной траекторией движения. Компьютер обрабатывает информацию и передает видеосигнал на видеодисплей. Устройство содержит принтер для печати выходных данных тестирования и обучения. Компьютер может быть подключен к устройству ввода данных посредством проводного или беспроводного соединения. Кроме того, система содержит блок противодействия движению, например, растягиваемые эластичные жгуты, создающие сопротивление, противоположное движению, что ускоряет процесс обучения благодаря хорошо известным принципам спортивной тренировки.
Недостатком системы является невозможность вносить в движение случайную, независящую от поведения испытуемого, помеху, что не позволяет реализовать процесс когнитивной адаптации к точному и быстрому движению в условиях воздействия внешних факторов.
В реальных условиях жизнедеятельности человек постоянно сталкивается с тем, что его двигательная активность зависит от вибраций, толчков, вынужденного изменения положения тела, изменение веса частей тела, вызванное, например, ускорением. Особенно часто сталкиваются с такими явлениями люди, занятые в профессиях, связанных с повышенным риском – водители, пожарные, пилоты, водолазы, космонавты. Готовность к противодействию внешним фактором при осуществлении двигательной активности в этом случае становится профессионально важным качеством.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание технической системы, обеспечивающей возможность формирования способности противодействовать случайным внешним факторам, нарушающим точность и скорость выполнения движений руки человека.
Технический результат заключается в повышении надежности точного и быстрого движения руки человека при наличии факторов, мешающих его осуществлению.
Указанный технический результат достигается при использовании устройства динамической коррекции движения руки человека, содержащего корпус, закрепляемый на руке человека, в котором размещены блок задания цели и траектории движения к ней с набором тестовых данных, блок контроля траектории движения руки, блок нарушения движения руки, блок связи и блок управления. Упомянутый блок задания цели и траектории движения через блок связи подключен к блоку управления и имеет возможность визуализировать цель и заданную траекторию движения к этой цели на плоской поверхности типа экрана. Упомянутый блок нарушения движения руки подключен к блоку управления и может вносить помехи движению руки путем механического воздействия устройства на руку, при этом корпус оборудован электромагнитом, гироскопом, эксцентриковым приводом, подключенными к блоку нарушения движения руки. Упомянутый блок контроля траектории движения взаимодействует с блоком управления и сравнивает траекторию движения руки с заданной траекторией движения.
Как и устройство-прототип, заявленное устройство может хранить набор заданных визуальных траекторий и сравнивать их с выполняемым движением руки испытуемого. Арсенал средств создания визуальных изображений в пространстве или на плоскости хорошо известен: оптический перенос на плоскость точек трехмерного объекта, визуализация траектории луча на экране осциллографа, построение голографических изображений, виртуальная 3D-визуализация изображений с помощью специальных очков или шлемов [3].
В частном случае реализации заявленного устройства процедура визуализации цели и заданной траектории движения может осуществляться на экране монитора или дисплея компьютера.
Кроме того, блок управления может вырабатывать команду на визуализацию заданной траектории по заданному алгоритму, т.е. демонстрировать одно из тестовых заданий, например, выдавать команду на визуализацию прямой линии, затем сложной волнистой кривой, затем набора хаотично расположенных на плоскости чисел.
Малогабаритное (на базе нескольких микросхем) устройство может крепиться на руке с помощью браслета или присоски.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства, где 1 – блок задания цели и траектории движения; 2 – блок контроля траектории движения; 3 – блок нарушения движения; 4 – блок связи; 5 – блок управления.
Фиг. 2 иллюстрирует пример конкретного исполнения устройства;
Цифрами обозначены:
1 – блок задания цели, задающий конкретную тестовую траектории из набора тестовых данных (кривая линия);
2 – сенсорный блок контроля траектории движения руки;
3 - блок нарушения движения руки;
4 – блок связи между блокам;
5 – блок управления;
6 – цель;
7 – корпус;
8 – устройство для крепления корпуса на руке человека.
Заявленное устройство динамической коррекции движения руки человека (фиг.2) представляет собой корпус 7, который крепится на руке человека, например, с помощью присоски или браслета 8. Корпус содержит блок задания цели и траектории движения к ней 1, блок контроля траектории движения руки 2, блок нарушения движения руки 3. Упомянутый блок задания цели и траектории движения 1 имеет возможность визуализировать цель и задавать траекторию движения к ней, например, светящиеся на экране монитора точки t1, t2 … tn. Функциональные блоки 1, 2, 3 через блок связи 4 электрически взаимодействуют с блоком управления 5, выполненным, например, на базе чипа с памятью. Устройство имеет независимый элемент электропитания (на рисунке не показан). Упомянутый блок нарушения движения 3 имеет возможность вносить случайные помехи движению руки путем механического воздействия на руку через корпус 7. Источником таких воздействий может быть вибрация, удары сердечника электромагнита, гироскопические силы и другие воздействия, препятствующие точному и быстрому движению руки по заданной траектории.
Устройство работает следующим образом (фиг.2):
Корпус устройства закрепляют на руке человека. После активирования устройство визуализирует траекторию движения, требуемую для повторения. Для этого блок задания цели и траектории движения 2 выдает изображение цели 6 и образец траектории движения к ней, по которому человек осуществляет движение указательного пальца или удерживаемого инструмента. При этом блок управления 5 обращается к блоку задания цели и траектории движения 1 и визуализирует одну из содержащихся в нем тестовых траекторий движения, которую испытуемый должен повторить движением руки как можно точнее. Блок управления 5 по заданной программе активирует блок нарушения движения 3, размещенный в корпусе 7, который препятствует точному и быстрому движению руки по заданной траектории посредством механического воздействия на руку.
Помеха движению руки производится при помощи инерционного устройства в виде эксцентрика, расположенного на валу электродвигателя, электромагнита, изменяющего положение магнитного сердечника достаточной массы, гироскопа, препятствующего повороту его оси.
Движение руки по заданной траектории и точность траектории при достижении цели оценивается блоком управления 5 на основании данных блока контроля траектории движения 2. Блок контроля траектории движения идентифицирует положение кончика пальца или удерживаемого инструмента (например, указки) во время движения. Блок контроля траектории движения оборудован датчиком положения (оптическим, электромагнитным, механическим, емкостным). Простейший вариант - датчик расстояния. Данные в цифровом виде поступают в блок управления.
Заданная траектория движения может представлять собой модель реального движения или обслуживающего действие, выполняемого в быту, спорте, игре или рабочей деятельности. Траектория может быть задана в виде визуального образца, например, в виде набора точек, одна из которых является целью. В частных случаях это может быть кривая линия, огибающая несколько точек, набор возрастающих чисел, на которые испытуемый должен указать последовательно, и т.п. Задание цели и траектории движения к ней происходит по команде блока управления, в соответствии с которой блок задания траектории движения руки реализует задание из набора тестовых данных. При многократном использовании устройство выполняет функцию тренажера.
Блок управления реализует логику, в соответствии с которой каждой точке траектории ставится в соответствие вероятность запуска блока нарушения движения. Самыми простыми случаями являются следующие: блок нарушения движения срабатывает при достижении окрестности точки траектории с заданным радиусом, например, с радиусом несколько миллиметров. Для удовлетворения такого условия достаточно использовать датчик приближения, который выдает сигнал на блок управления, запускающий механизм создания помехи. Дополнительным условием срабатывания блока нарушения движения могут служить показатели скорости и точности выполнения движения. В этом случае вероятность срабатывания блока нарушения движения будет определяться адаптивным процессом и зависеть от скорости и точности выполняемого движения в режиме, близком к реальному времени.
Блок связи 4 обеспечивает передачу информации между блоком управления и остальными блоками и может быть реализован как в проводном, так и беспроводном исполнении.
Корпус 7 предназначен для оформления устройства в виде единой конструкции и для размещения описанных выше блоков. Блок нарушения движения с инерционным устройством размещают таким образом, чтобы его воздействие при внесении помех движению руки было наиболее эффективным.
Крепление корпуса 8 на руке, кроме того, обеспечивает пространственное положение сенсоров блока контроля траектории движения, показания которых необходимы для отслеживания коррекций движения и степени когнитивной адаптации испытуемого к внешним воздействиям.
Поверхность с заданной траекторией может быть реализована в виде плоскости с изображенными на ней линиями, либо набором точек, каждая из которых идентифицируется цифровым или буквенно-цифровым кодом (Фиг.2). Возможна также последовательность знаков и кривых с заданными характеристиками положения в пространстве.
Точность повторения траектории оценивается блоком управления 5 на основе данных блока контроля траектории движения 2, который в каждый момент времени производит сравнение траектории движения руки человека с заданной траекторией, интерпретируя разницу как показатель точности движения. В соответствии с заданным алгоритмом при достижении определенного показателя точности в случайной или заранее заданной точке траектории движения происходит передача управляющего сигнала на блок нарушения движения (4), изменяющего кинестатическое равновесие указывающей руки. Для восстановления точности движения необходимо приложить дополнительное усилие и выполнить коррекцию. Точность движения и величина необходимых коррекций оценивается блоком контроля траектории движения руки 2, связанным с блоком управления.
Уменьшение количества необходимых коррекций в повторяющемся двигательном акте интерпретируется как когнитивная адаптация, обучающий эффект, повышающий надежность точного движения руки человека при наличии факторов, противодействующих его осуществлению. Технический результат - повышение надежности точного и быстрого движения руки человека при наличии внешних факторов, мешающих его осуществлению.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент RU 2494670, МПК A61B 5/00, A61B 5/04, A61B 5/11, G09B 9/00, G09B 19/00. Способ коррекции мелкой моторики с использованием сенсорных перчаток. Опубл. 20.06.2013, бюл. № 17.
2 Патент US2003077556, Education system challenging a subject's physiologic and kinesthetic systems to synergistically enhance cognitive function, 24.04.2003 (прототип).
3. Белова З.С. Представление научной информации средствами визуальной наглядности. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1997. – 58 с.