Investigation of control of human balance-recovery reactions
İnsan denge kurtarma reaksiyonlarının kontrolünün araştırılması
- Tez No: 416592
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA KEMAL ÖZGÖREN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 225
Özet
Bu çalışmada, ani bir eğim değişimine maruz kalan insanın dengesini koruyabilmek için merkezi sinir sistemince uygulanan doğal kontrol kuralı tahmin edilmeye çalışılmaktadır. Bu tahmin çerçevesinde doğal kontrol kuralı, fizyolojik bulgularla uyumlu olması gözetilerek oransal-türevsel kontrol olarak modellenmiştir. Bu doğal denge kurtarma tepkileri için önerilen kontrol kuralı modelinin doğrulaması, deneysel veriler ile benzetim verilerinin karşılaştırması yoluyla yapılmıştır. Sözü edilen benzetimler, insanın karakteristik biyomekanik modeline, önerilen kontrol kuralının uygulanması ile elde edilmiştir. Kontrol modelinde kullanılan basitlik ilkesinden ayrılmaksızın, biyomekanik model, eyleticiler ayak bileği, diz ve kalça eklemlerinde olmak üzere, üç serbestlik dereceli ve sagital düzlemle sınırlıdır. Diğer eklemlerin sabit tutulduğu kabul edilmiştir. Deneyler sırasında, ani dış sarsı, özel yapım sarsma platformu ile verilmekte ve deneklerin gösterdiği denge kurtarma tepkileri kaydedilmektedir. Deneyler ve devamında benzetimler farklı denekler üzerinde birçok kez tekrarlanmıştır. Bütün test çalışmalarında, deneysel veriler ile benzetim verilerinin uyumunun sadece önerilen oransal-türevsel kontrolün kazançlarının zaman içinde değiştirilmesi ile mümkün olduğu görülmüştür. Oransal türevsel kazançların değiştiği gerçeğinin deneysel olarak anlaşılması önemli bir hipoteze yol açmıştır. Şöyle ki, merkezi sinir sistemi gelen duyusal geri bildirim ve çevresel değişimlere bağlı olarak denge kurtarma tepkilerini yöneten kontrol kuralının kazançlarını uyarlamaktadır. Doğal olarak, bu uyarlama kuralını, insanın geçmiş fizyolojik ve psikolojik deneyimlerine çok bağlı olması nedeniyle, kesinlikli olarak tahmin etmek oldukça zordur. Bu zorluğa rağmen, duyusal geri bildirim ve çevresel değişimler ile uyarlanan kazançlar arasında fonksiyonel ilişkiler betimlenmesi yoluyla en azından uyarlama kuralının varlığı ve niteliğine ilişkin önemli argümanlar elde edilebilir ve merkezi sinir sisteminin kullanmış olabileceği uyarlama kuralı tahmin edilebilir. Bu çalışmada, çok bilinen ve kullanışlı“kanonik korelasyon yöntemi”aracılığıyla böyle bir tahmine varmak mümkün olmuştur. Bu yöntem, deneysel verilerle benzerliği karşılaştırılmak üzere benzetim sonuçlarına uygulandığında, değişkenlerin büyüklüklerinin belirli bir sınırlılıkta kalması koşuluyla, uyarlama kuralı ile oransal türevsel kontrolün kazançlarının hata ve girdi değişkenleri terimleriyle, doğrusal bir ilişki olarak ifade edilebileceği görülmüştür. Ayrıca, farklı deneklerden toplanan, deneysel verilerin değerlendirilmesi sırasında, deneklerin başlangıç duruşları ile ani eğim değişiminin ardından ortaya çıkan denge kurtarma reaksiyonu arasında belirgin bir ilişki tespit edilmiştir. Ortaya çıkan bu olgunun ardından, matematiksel olarak bu ilişkiyi ifade etmek üzere, ilk duruş ve denge kurtarma reaksiyonları, sınıflandırma algoritması kullanarak sınıflandırılmıştır. Ardından, bu sınıflandırma sonucu elde edilen karar ağacı kullanılarak yapılan Monte Carlo benzetimleri ile ilk duruş ile denge kurtarma reaksiyonları arasındaki ilişki örüntüsü deneysel veriler ile elde edilen örüntülere büyük bir benzerlikle yeniden elde edilmiş ve benzerlik ilişkisi istatistiksel olarak ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
In this study, a natural control law has been conjectured, which is assumed to be applied by the central nervous system of a human being in order to maintain the erect posture after being exposed to a suddenly occurring impulsive disturbance. The control law is conjectured as PD (proportional-derivative) control, because it has to be compatible with the physiological facts. The conjectured control law has been validated by comparing a set of experimental results with the corresponding set of simulation results generated by applying the conjectured control law to a biomechanical model of a typical human being. For the sake of simplicity, the model is confined to the sagittal plane with three degrees of freedom having the ankle, knee, and hip joints as the only actuated joints. The other joints are assumed to be kept fixed. The experiments are carried out in a way compatible with the model by using a tilt platform and by requesting the human subjects to keep their hands in their pockets while standing on the platform. During the experiments, the impulsive disturbance is given by tilting the platform suddenly and then the balance recovery motions of the human subject are recorded. The experiments and simulations are repeated several times on different human subjects. In all the test runs, it has been possible to match the simulation and experimental results only if the simulations are made by changing the gains of the conjectured PD control law as particular functions of time. v The experimentally inferred fact of changing PD control gains leads to a major hypothesis that the central nervous system applies the conjectured PD control law by changing its gains according to a certain adaptation law. Naturally, it is difficult to estimate this adaptation law because it is probably very much dependent on the past physiological and psychological experiences of the human beings. Nevertheless, it may be possible to estimate at least a set of major arguments along with a functional relationship between them and the adapted gains. In this study, it has been possible to arrive at such an estimation by means of the renown“canonical correlation method”. When this method is applied to correlate the experimental and simulation results, it has been found out that the adaptation law seems to be a linear relationship that gives the PD control gains in terms of the error state and input variables as long as they remain small in magnitude. Furthermore, upon examining the experimental results gathered from the repeated runs for different human subjects, another evident correlation is detected, which is between the initial posture of the human subject on the platform and the subsequent pattern of the balance-recovery response that occurs after a sudden tilt of the platform. In order to express this correlation mathematically, the initial postures and the balance-recovery responses are classified by using classification algorithms. Afterwards, the expression obtained for this correlation has been tested and verified to a large extent with Monte Carlo simulations by using the decision tree created in accordance with the classification.
Benzer Tezler
- Şirketler arası birleşme ve devralmaların incelenmesi ve Türkiye'deki durum
Başlık çevirisi yok
CEMİL ÜSTÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
BankacılıkMarmara ÜniversitesiBankacılık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERİŞAH ARICAN
- Şirketlerde birleşme ve devir işlemleri
Başlık çevirisi yok
YUSUF CEMİL SATOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
İşletmeMarmara ÜniversitesiBankacılık ve Sigortacılık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA İME
- Konut sigortalarının reel ve finansal sektör açısından değerlendirilmesi
Evaluation of housing insurances in relation to real and financial sectors
NECAT BEYAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
SigortacılıkMarmara ÜniversitesiSigortacılık Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NAZIM EKREN
- Metabolic pathway analysis of the enzyme-deficient human red blood cells
İnsan kırmızı kan hücrelerinde enzim eksikliklerinin metabolik yolizi analizi
CEMİL SERHAN TACER
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. KUTLU ÜLGEN
- Endüstri ürünleri tasarımı temelinde:Yolcu uçaklarında aydınlatma sistemlerinin değerlendirilmesi
Evaluation of the lighting systems of passenger aircrafts based on industrial product design
ZEYNEP ÖZKAN UÇARALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Ürünleri Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEÇİL ŞATIR