Циклопедия скорбит по жертвам террористического акта в Крокус-Сити (Красногорск, МО)

Целенаправленная механика

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Целенаправленная механика — это наука, изучающая целенаправленное движение тела или системы тел, следующих воле человека. Поэтому, в отличие от классической механики, в целенаправленной механике кроме трех законов Ньютона используется еще понятие цели движения, поставленной заранее человеком. Цель является доминирующим понятием в целенаправленной механике, поскольку движением управляют исключительно ради ее достижения (решения поставленной задачи)[1]. В целенаправленной механике рассматриваются лишь такие цели, которые могут быть достигнуты лишь при помощи самого движения. В области механики человека целенаправленная антропоцентрическая биомеханика может рассматриваться как средство проектирования двигательных действий человека, преследующих достижение цели движения посредством последовательного решения цепочки двигательных задач, реализующих цель движения[2].
Целенаправленная механика имеет двоякое назначение. С одной стороны она представляет собою средство математического исследования двигательной деятельности человека, биотехнических систем. С другой стороны она есть средство теоретического обеспечения проектирования сложных технических и биотехнических систем, предназначенных для управления движением неживых тел[3].
Для создания модели систем твёрдых тел с любым числом степенями свободы и пригодным для автоматического вывода и решений задач динамики систем твердых тел, в целенаправленной механике был разработан формализм, использующий тензорное исчисление[4][5]. Такой подход позволяет в наиболее удобной и сжатой форме подготавливать все необходимые динамические соотношения для автоматического вывода управлений движения[5][6]
Основная гипотеза целенаправленной механики состоит в том, что всякую цель движения можно представить в виде условных уравнений, связывающих координаты движущегося объекта[3]. Сами условные уравнения, выражающие цель движения, называются программой движения [3]. Всякая цель, достижимая при помощи управления движением тел, мо­жет быть формализована, то есть представлена математически, в виде услов­ных уравнений связывающих координаты управляемого объекта. Эти урав­нения могут быть алгебраическими, дифференциальными, интегро-дифференциальными. Программа представляет собой выражение воли человека в той части, которая касается управления движением.

История[править]

Начало целенаправленной механике дал вопрос Исаака Ньютона «Каким образом движение тел следует воле?»[7]. «Ответа на этот вопрос Ньютон не дал. Можно предположить, что он считал три закона динамики недостаточными для решения этого вопроса, так как здесь приходиться сочетать причинную объективную механику, определяемую этими тремя законами, с таким субъективным явлением, как воля. Три закона динамики должны быть дополнены формализованным понятием воли»[3].История целенаправленной механики начинается в 40х — начале 50х годов 20 века, когда потребовались теории, пригодные для использования на начальных этапах разработки систем управления высокой сложности. В начале холодной войны правительство СССР приняло решение о создании реактивной противокорабельной крылатой ракеты (проект «Комета»). После успешного завершения проекта поступило новое правительственное задание о создании зенитных управляемых ракет в рамках проекта «Беркут» противовоздушной обороны Москвы. Целенаправленная механика изначально и была создана для теоретического обеспечения начальных стадий проектирования систем такой сложности. Теория может быть использована, начиная с самых первых этапов проектирования. Первая, предварительная стадия проектирования таких систем является самой ответственной, так как ошибки, допущенные на этой стадии, редко могут быть своевременно обнаружены; их исправление на более поздних этапах проектирования либо вообще невозможно, либо ведет к затрате больших средств, большого труда и большой потери времени. В течении предварительной стадии необходимо установить, какой тип управляемого движения более приспособлен для выполнения главной задачи и какая информация потребуется для осуществления такого движения. Эта стадия должна закончиться постановкой научно обоснованных требований к крупным частям системы управления. Вторая стадия — эскизное проектирование — заканчивается изготовлением эскизного проекта и решением начать техническое или рабочее проектирование и постройку образцов системы управления.
Изначальное название теории в 1964 году было «Механика управляемого тела»[8]. «Теорию управления движением тел, построенную на этих трех посылках, назовем механикой управляемого тела, подобно уже установившимся названиям: механика тел переменной массы, механика деформируемых тел, и т. п.»[9]. Следующая издание вышло в 1967 году[10]. В конце 60х годов 20 века целенаправленная механика была использована для построения теоретических основ управления движением городского транспорта без водителя[11]. Были построены подробные модели управления городским трамваем [9], а затем и автомобилем без водителя [9]. В 1972 году выходит первая статья посвященная исследованию движений человека методами целенаправленной механики[12]. В работе впервые были применены методы классической механики в тензорном изложении для описания динамики модели тела человека. Модель человека состояла из 15 звеньев с 40 степенями свободы. В частности, рассматривались целенаправленные движения волейболиста. В работе впервые выдвинута гипотеза о том, что движения человека запрограммированы и целенаправленная механика может служить инструментом исследований связи высшей нервной деятельности человека и ее мышечными проявлениями. Одним из первых подтверждений запрограммированности оказались движения глаз, программы которых были экспериментально зафиксированы [9]. Начиная с этого времени целенаправленная механика человека развивалась в различных исследованиях: функционирования системы глаз-рука при письме, при работые космонавта, при тренировокках спортсменов, в нейрореабилитации больных[13][14][15][16][2],[17] Целенаправленная механика нашла свое применение и в робототехнических системах [18]. Методы целенаправленной механики применялись при проектировании подводных роботов[19] и и для расчетовах энергетических затрат их исполнительных систем[20].Методами целенаправленной механики исследовалось также управление движениями человека со стороны центральной нервной системы[21].

Предмет целенаправленной механики[править]

Целенаправленная механика представляет собой способ построения теории движений, подчиняющихся как воле человека, так и трем законам Ньютона. Целенаправленная механика имеет двоякое назначение. С одной стороны, она представляет собою средство математического исследования двигательной деятельности человека, биотехнических систем и, возможно, прочих живых существ. С другой стороны, она есть средство теоретического обеспечения проектирования сложных технических и биотехнических систем, предназначенных для управления движением неживых тел. В целенаправленная механика различаются два основных раздела: механика человека и механика управляемого тела, которая занимается движением неживых тел. В биотехнических системах эти два раздела работают вместе. [3]

Основные понятия[править]

Целенаправленная механика построена на ряде понятий и принципов[3][18][9]
Задача движения — есть указание(любым способом) как тех явлений которые должны произойти, так и тех, которые не должны произойти вследствие осуществления целенаправленного принуждения. Примеры. Автомобиль должен переместиться из одного места в заранее заданное другое (явление, которое должно произойти); при этом не должно быть аварий или наездов (явление которое не должно произойти). Зенитная ракета должна уничтожить самолет противника, но не уничтожать своих самолетов

Цель движения — есть указание тех свойств, которые движение должно приобрести в результате целенаправленного принуждения, то есть тех свойств, которые обеспечивают выполнение задачи движения. Эти свойства обязательно отличаются от свойств естественного движения, потому что в противном случае не требовалось бы целенаправленного принуждения, то есть управления движением. Цель движения должна быть сформулирована математически, и притом в виде, удобном для использования всего аппарата классической механики. Как только цель управления сформулирована, в теоретических исследованиях и проектных работах можно заменить выполнение задачи движения достижением цели движения.

Основная гипотеза целенаправленной механики. Всякую цель движения можно представить в виде условных уравнений, связывающих координаты движущихся обьектов.

Программа движения — есть условные уравнения, выражающие цель движения. Можно сказать, также, что программа содержит в себе предвидимое будущее: если она будет осуществлена, то задача движения, поставленная человеком заранее, будет решена. Можно показать, что каждой из формулировок цели управления соответствует больше одной программы, то есть что одна и та же цель управления может может быть запрограммирована различными способами.

Программы движения делятся на 2 типа:

  1. Полная программа движения есть такая из уравнений которой можно определить все обощенные координаты движущихся обьектов в виде функций времени, то есть закон движения обьектов.
  2. Неполная программа движения есть такая из уравнений которой нельзя определить все обобщенные координаты движущихся обьектов в виде функций времени.

Принцип дополнения. Всякая неполная программа движения может быть сделана полной путем постановки дополнитеьных задач движения.
Предсказуемое и непредсказуемое движение. Если движение можно определить по начальным условиям, то оно называется предсказуемым. Движение, опеределяемое решением задачи Коши, предсказуемо. Если движение известно только вплоть до настоящего момента времени, но нельзя узнать, каково оно будет в последующие моменты времени, движение называется непредсказуемым. Непредсказуемое движение отличается от случайного тем, что неизвестны даже вероятностные характеристики движения.

Начальные условия совместные с программой движения — есть такие условия, которые удоволетворяют уравнениям программного движения, то есть обращают их в тождество.

Уравнения целенаправленного движения — есть такие уравнения движения, каждое решение которых, полученное для начальных услови совместных с программой движения, будет совместно с программой движения, то есть будет обращать его в тождество.

Принцип совместности. Чтобы получить целенаправленные уравнения движения, достаточно любым образом изменить уравнения естественного движения, лишь бы способ изменения не противоречил законам механики, а решение задачи Коши для измененных уравнений было бы совместно с программой движения.
Обстановка в которой совершается целенаправленное движение — есть все явления, которые нельзя отнести к самому процессу управления.

Внешняя обстановка — есть все явления, которые происходят вне самого обьекта управления и всех устройств, осуществляющих управление. Так, самолет противника, в который должна попасть управляемая зенитная ракета, относится к внешней обстановке.
Внутренняя обстановка — есть все явления, которые происходят внутри самого обьекта управления. Так, при движнии автомобиля работа двигателя или качество тормозов является внутренней обстановкой.
Класс обстановки — есть результат разбиения обстановки на ожидаемые классы и неожидаемые классы. Ожидаемые классы определяют ту обстановку, на работу в которй рассчитывается система управления, а неожидаемые — обстановку, на работу в которой система не рассчитывается. Например, для автомобиля появление других автомобилей на улицах города относится к ожидаемым классам, а появление артиллерийских снарядов, то есть обстрел автомобиля — к неожидаемым. Для бронетранспортеров же — появление и обстрел артиллерийскими снарядами относится к ожидаемым классам обстановки. Разбиение обстановки на классы есть неформализуемый конструктивный акт, произодимый человеком. Каждому классу обстановки соответствует своя программа движения
Параметры обстановки — есть набор параметров, доступных измерению или обнаружению, характеризующих обстановку внутри данного класса обстановки
Классификация обстановки — есть процесс распознавания обстановки.
Классификационная гипотеза, принятая в целенаправленной механике — классификация обстановки по принципу дихотомии всегда может быть осуществлена при помощи некоторых уравнений относительно координат управляемого обьекта. Такие уравнения называются классификационными

Приспособляемость целенаправленного движеия — есть процесс классификации обстановки и переключения программ движения в завимости от текущего класса обстановки
Событие — есть всякое изменение обстановки во времени и простанстве.
Непредсказуемые события — есть такие события относительно которы известно только то, что они могут произойти, но неизвестно, где или когда. Для непредсказуемого события неизвестна даже вероятность его появления; этим оно отличается от случайного события.
Предсказуемые события — есть такие, относительно которых нам точно известно, где и когда они произойдут. Например, затмения Луны или Солнца являются предсказуемыми событиями.

Системы управления с искусственным интеллектом[править]

Целенаправленная механика определяет что система управления обьектом обладает искусственным интеллектом, если управляющий комплекс может выполнять следующие действия:

  1. опознавать обстановку с точностью до заранее установленных классов
  2. подключать для каждого из опознанных классов обстановки заранее установленную для данного класса программу
  3. контролировать выполнение программы и уничтожать возникшие отклонения от программы заранее установленным для данного класса и для данной программы способом.

Элементы, составляющие искусственный интеллект, следующие:

  1. банк программ движения, которые предполагается использовать в различных ожидаемых классах обстановки и банк вытекающих из этих программ алгоритмов управления
  2. банк классификационных уравнений для препятствий, опасных полей и сред и алгоритмов классификации; при этом чрезвычайно желательно, а часто и оказывается действительно возможным, чтобы классификационные уравнения использовались также и в качестве программ движения
  3. банк соответствий между классами обстановки и программами движения, а также банк команд, про помощи которых происходит переключение программ в соответствии с реализовавшимся классом обстановки
  4. банк способов обнаружения и измерения ошибок управления и алгоритмов обработки результатов измерения ошибок управления

Механика человека[править]

Механика человека — это раздел механики, в котором методы целенаправленной механики применяются к движениям человека[22]
Основные посылки

  1. движения человека, следующие его воле, целенаправлены
  2. для описания многих движений человека, его тело можно считать системой твёрдых тел, соединённых идеальными шарнирами.

Такая модель тела человека называется базисной, имея в виду, что она может описывать далеко не все целенаправленные движения. Базисная модель однако, с хорошей точностью описывает движения руки, зрительного аппарата и системы «глаз-рука». Основная гипотеза, как и при описании неживых объектов, состоит в том, что цель движения может быть всегда записана в виде уравнений, связывающих обобщенные координаты базисной модели. Такие уравнения целенаправленная механика называет программой движения. Программа представляет собой выражение воли человека в той части, которая касается управления движением. Основополагающую роль в «Механике человека» играет решение обратной задачи динамики: определение управляющих сил по заданной программе движения. Даннуй подход повторяет подход Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения путём вычисления гравитационных сил, обеспечивающих известную программу движения небесных тел — конические сечения. Однако, универсального закона, которым подчиняются мышечные силы, скорее всего не существует, так как они зависят от конкретной двигательной задачи. Решение обратной задачи динамики рассматривается как эффективный эвристрический метод исследования не только законов действия мышц, но и их управления со стороны центральной нервной системы. В вопросе роли центральной нервной системы, целенаправленная механика человека следует подходу И. М. Сеченова, который полагал, что исследование работы мозга надо начинать с анализа движений, которыми мозг управляет. «Все без исключения качества внешних проявлений мозговой деятельности … суть не что иное, как результаты большего или меньшего укорочения какой-нибудь группы мышц — акта, как всем известно, чисто механического. Должно прийти, наконец, время, когда люди будут в состоянии так же легко анализировать деятельность мозга, как анализирует теперь физик музыкальный аккорд»[23]. Другая физиологическая теория, на которую опирается целенаправленная механика, это теория функциональных систем П. К. Анохина. Каждый способ трансформации уравнений движения, приводящий к достижению цели, в технике порождает особую конструкцию системы управления. В живом организме в соответствие этой конструкции целенаправленная механика ставит функциональную систему в смысле П. К. Анохина — акцептор результата действия[24][25], назначением которого является сравнение настоящего с предвидимым (желаемым) будущим, вследствие чего появляются сведения об ошибке движения. К совместной области физиологии и целенаправленной механики относятся следующие этапы действий по реализации принятого решения выполнить движение :

  1. нервная система подаёт команды, приводящие в действие мышечный аппарат;
  2. мышечный аппарат заставляет тело человека выполнять целенаправленное движение, которое является реализацией желаемого предвидимого будущего;
  3. формируется акцептор результата действия, дающий сведения об ошибке выполняемого движения по сравнению с предвидимым будущим;
  4. производится необходимая коррекция действия мышечного аппарата.

Процесс принятия решения относится к совместной области психологии и целенаправленной механики. Решение состоит в том, чтобы выполнить то самое движение, результатом которого будет желаемое предвидимое будущее. Для этого человек должен:

  1. классифицировать обстановку путём сопоставления своего восприятия с хранящимися в памяти классами обстановки;
  2. сопоставить с обнаруженным классом обстановки вполне определённый психомоторный акт, связь которого с данным классом обстановки сохраняется в памяти человека;
  3. принять решение о выполнении именно такого движения, которое обеспечивает наступление желаемого предвидимого будущего.

Механика в тензорном изложении[править]

Для описания систем твёрдых тел со многими степенями свободы, в целенаправнной механике был разработан формализм, использующий тензорное исчисление. Для применения этого формализма вводится два набора координат — опорные, описывающие движение свободных твердых тел, составляющих систему, и обобщенные — описывающие её степени свободы. Кинематика задаётся уравнениями связей опорных и обобщенных координат. Доказывается теорема, согласно которой уравнения Лагранжа 2-го рода можно получить в виде тензорной свёртки уравнений Ньютона-Эйлера поступательного и вращательного движения свободных твёрдых тел с так называемой структурной матрицей — матрицей частных производных опорных координат по обобщённым. Эта теорема позволяет получить уравнения Лагранжа 2-го рода, не выписывая выражения для кинетической энергии системы, что уже для плоского двузвенника представляет собой трудоёмкую задачу, не говоря о более сложных многозвенниках.

Тензорный формализм позволяет автоматически получить уравнения динамики, и единственным неформальным действием исследователя остаётся запись уравнений кинематики. Но даже само описание зависимости опорных координат от обобщенных представлено в виде формальной последовательности простых преобразований и не составляет сложностей. Тензорный формализм является общим в том смысле, что он одинаково применим к разомкнутым, ветвящимся и замкнутым цепочкам твёрдых тел. Наконец, применение тензорной свёртки даёт предельно компактное описание механической системы, удобное для программирования и численного исследования. Подробное математическое описание вывода уравнений динамики систем твёрдых тел в тензорном виде и их применение изложено в работах [18][5][6].

Источники[править]

  1. Б. Душков Б., А. Королев, Б. Смирнов Энциклопедический словарь: Психология труда, управления, инженерная психология и эргономика. — М. : «Академический проект, Деловая книга», 2005. — 848 с.
  2. 2,0 2,1 В. И. Загревский, О. И. Загревский Цель и приспособляемость движения в свете апоцентрической биомеханики / В. Г. Шилько // Физическая культура, здравоохранение и образование. — Томск : «STT» (Scientific & Technical Translations), 2015. — Вып. 47. — С. 107 - 114. — 338 с. — 300 экз.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Коренев. Очерки механики целенаправленного движения, 1980
  4. John G. Papastavridis Tensor Calculus and Analytical Dynamics. — CRC Press. Taylor & Francis Group, 2018. — 386 с. — ISBN 978-0849385148.
  5. 5,0 5,1 5,2 В.Ю. Тертычный-Даури Динамика робототехнических систем. Учебное пособие. — СПб : НИУ ИТМО, 2012. — С. 7-24. — 128 с. — 100 экз.
  6. 6,0 6,1 В.Ю. Шульц Факультет прикладной математики - процессов управления. Математическое и компьютерное моделирование биодинамических систем. Курс по выбору по направлению 010400 – «Информационные технологии» (бакалавриат). Санкт-Петербургский государственный университет.
  7. И.Ньютон Оптика. — М.,л. : Госиздат, 1927. — С. 287. — 372 с. — 3000 экз.
  8. Г.В.Коренев Введение в механику управляемого тела. — М. : Наука, 1964. — 568 с.
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 Коренев. Целенаправленное движение, 1974
  10. G.V.Korenev The Mechanics of Guided Bodies : [англ.]. — Ilffe & Sons LTD, 1967. — 551 с.
  11. Г.В.Коренев Система управления любым средством городского транспорта, приспособленным к внешней обстановке // Материалы IV Всесоюзного совещания по автоматическому управлению.кн.1. — Москва, 1968. — Т. 6. — 4 с.
  12. Г.В.Коренев О движениях человека, достигающих наперед заданной цели // Автоматика и телемеханика. — Москва, 1971. — Вып. 6. — С. 131-142.
  13. Г.В.Коренев Об одном подходе к проблеме «глаз-рука» // Сборник статей.Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов.Труды V Всесоюзного симпозиума. — Л., 1974. — С. 130-133.
  14. Г.В.Коренев, В.С.Придворов Кинематика и динамика пишущего манипулятора // Сборник статей.Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов.Труды V Всесоюзного симпозиума. — Л., 1974. — С. 193-196.
  15. Slava Gerovich Voices of the Soviet Space Program: Cosmonauts, Soldiers, and Engineers Who Took the USSR into Space (Palgrave Studies in the History of Science and Technology) : [англ.]. — Palgrave Macmillan, 2014. — 305 с.
  16. Ю. В. Кузьмина О творческом пути Г.В.Коренева / Д. А. Соболев // Из истории авиации и космонавтики. — М. : ИИЕТ АН СССР, 1983. — С. 55-64. — 194 с. — 500 экз.
  17. А.К. Платонов, А.А. Фролов, Е.В. Бирюкова, В.Е. Пряничников, С.Н. Емельянов Методы биомехатроники тренажёра руки человека // Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша симпозиума. — М., 2012. — Вып. 82. — 40 с.
  18. 18,0 18,1 18,2 Коренев. Целенаправленное механика манипуляторов, 1979
  19. В.С. Ястребов, С.В. Армишев Алгоритмы адаптивного движения подводного робота / М.Б.Игнатьев. — М. : Наука, 1988. — 87 с. — 1100 экз.
  20. Е.И. Кубарев, Б.В Никанчиков., Е.В Рахманов., А.К Сидоров., В.Н. Шведов Автоматизированный энергетический расчет исполнительных систем роботов: Учебное пособие по курсовому проектированию. — М. : Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, 1987. — 27 с.
  21. Elena Vladimirovna Biryukova (Елена Владимировна Бирюкова) Movement mechanics as a key for understanding nervous control: a historical retrospective. In book: History of the neurosciences in France and Russia. From Charcot and Sechenov to IBRO. Chapter: Twentieth century studies / Jean-Gaël Barbara, Jean-Claude Dupont, Irina Sirotkina. — France : Hermann Histoire des Sciences, 2010. — С. 197-224.
  22. Коренев. Механика человека, 1977
  23. И.М.Сеченов Рефлексы головного мозга. — М. : АН СССР, 1961. — С. 5-6.
  24. акцептор результата действия
  25. П.К. Анохин Очерки по физиологии функциональных систем. — М. : Медицина, 1975. — С. 5-6.

Литература[править]

  • Коренев Г. В. Очерки механики целенаправленного движения. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. — 192 с.
  • Коренев Г. В. Целенаправленная механика управляемых манипуляторов. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 448 с.
  • Коренев Г. В. Введение в механику человека. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1977. — 264 с.
  • Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1974. — 528 с.