Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
Aleksander Rajhard
Analiza vpliva gravitacijske sile na kinematiko gibanja roke
Magistrsko delo
Magistrski ˇstudijski program druge stopnje Elektrotehnika
Mentor: prof. dr. Roman Kamnik Somentor: izr. prof. dr. Jan Babiˇ c
Ljubljana, 2021
Zahvala
Zahvala gre v prvi meri somentorju izr. prof. dr. Janu Babiˇcu, ki je omogoˇcil moje sodelovanje na projektu preuˇcevanja vplivov gravitacije na ˇcloveˇsko gibanje.
Prav tako bi se rad zahvalil vsem sodelavcem na projektu: Marie Barbiero, ki je pripravila in upravljala z Vicon merilnim sistemom, Jerneju ˇCamerniku, ki je skrbel za pravilno namestitev EMG elektrod, ˇse posebaj pa Marku Jamˇsek, ki je pripravil modul za komunikacijo z motorji in s katerim sva se skupaj reˇsila mar- sikateri tehniˇcni problem, ki se je pojavil tekom projekta, ter Tjaˇsi Kunavar, ki je bila vedno pripravljena pomagati z nasveti pri obdelavi, analizi in predstavitvi podatkov.
Zahvala gre prav tako mentorju prof. dr. Romanu Kamniku, sodelavki Ani Mandeljc, ter ostalim sodelavcem Laboratorija za Robotiko, Univerze v Ljubljani, ki so z nasveti, napotki in popravki pomagali pri stvaritvi tega dela.
Navsezadnje pa gre zahvala tudi moji druˇzini, ki me je podpirala in motivirala tekom celotnega izobraˇzevanja!
iii
Povzetek
Cloveˇsko ˇˇ zivljenje in gibanje je moˇcno odvisno od gravitacije. Naˇsa telesa so prilagojena na zemeljsko gravitacijo, ki je skozi celotno naˇse ˇzivljenje kon- stantna. To pa ne velja za pilote in astronavte. Ti opravljajo svoje naloge v razliˇcnih gravitacijskih okoljih, kar vpliva na premikanje in opravljanje teh nalog.
Raziskovanje sprememb, ki nastopajo v spremenjenem gravitacijskem okolju, ˇse posebaj v brezteˇznosti, je teˇzko preuˇcevati na Zemlji. Eden izmed naˇcinov ge- neriranja brezteˇznosti je uporaba paraboliˇcnih letov, kjer se generirajo 20 sekun- dne izmenjujoˇce se faze brezteˇznosti in poveˇcane teˇznosti. Naˇs eksperiment je potekal na enem izmed takih letov in preuˇceval kinematiˇcne spremembe gibov roke, ki nastopijo v spremenjenih gravitacijskih okoljih ter naˇcine, kako te spre- membe zmanjˇsati, kurativno z dodajanjem zunanje robotske sile, ki kompenzira spremembo okolja, ali pa preventivno, s treningi kjer z dodano silo na zapestje simuliramo spremembo okolja.
V tem delu preuˇcimo spremembe v gibih med razliˇcnimi gravitacijskimi po- goji, tako brez kot s kompenzacijo in s simuliranjem gravitacijskih pogojev. Spre- membe v gibih smo merili z analizo razmerja med ˇcasom pospeˇsevanja in ˇcasom pojemanja giba, trajanjem giba, ukrivljenostjo trajektorije giba in natanˇcnostjo izvajanja naloge. Naloga, ki so jo merjenci izvajali sestoji iz vertikalnih gibov od toˇcke do toˇcke, od sredine zaslona na dotik, do tarˇc, ki se prikazujejo vertikalno nad in pod zaˇcetno toˇcko na razliˇcnih razdaljah. Perturbacijska sila, s katero smo kompenzirali oziroma simulirali spremenjena gravitacijska okolja je bila prek dveh motorjev aplicirana na zapestje merjenca, kinematika roke pa je bila merjena z uporabo sistema Vicon kamer in pasivnih odsevnih znaˇck.
Naˇs eksperiment potrjuje moˇcnejˇsi vpliv mikrogravitacije kot pa veˇcje teˇznosti, na kinematiko gibov, zaradi proporcionalno veˇcje razlike med teˇzo in maso. Tra- v
janje giba se pokaˇze kot dober pokazatelj mikrogravitacije, saj so gibi daljˇsi, prav tako pa tudi uspeˇsnosti kompenzacije mikrogravitacije, saj se dolˇzina giba vrne na normalne vrednosti. Kompenzacija je prav tako uspeˇsna pri poveˇcanju na- tanˇcnosti pri izvajanju naloge. V nasprotju z literaturo pa se je ˇcas pospeˇsevanja in pojemanja pokazal kot nekarakteristiˇcen parameter. Simuliranje spremembe gravitacijskega ni bilo povsem uspeˇsno pri generiranju gibov s kinematiˇcnimi parametri primerljivimi z gibi, ki smo jih merili v dejanskem spremenjenem gra- vitacijskem okolju. Pri simulaciji smo zasledili zanimiv artefakt izenaˇcitve kine- matiˇcnih parametrov za gibe navzgor in navzdol, ki bi ga bilo potrebno ˇse bolj preuˇciti.
Kljuˇcne besede: gravitacija, paraboliˇcni leti, gibi od toˇcke do toˇcke, mikrogra- vitacija, poveˇcana gravitacija, simulacija spremenjene gravitacije, kompenzacija spremenjene gravitacije
Abstract
Gravity has a big impact on human life and movement in general. Our bod- ies are adapted to Earth gravity, which is constant throughout our lives. That however is not true for pilots and astronauts. They must operate in different gravitational environments, which affects their movement and execution of tasks.
Researching the changes that arise in altered gravitational environment, especially in weightlessness, is hard to do on Earth. One way of generating weightlessness is with parabolic flights, which generate alternating 20 second phases of weight- lessness and enhanced gravity. Our experiment took place on one of such flights and had the goal of researching the changes in kinematics of hand point to point movements and how to minimise those changes. Minimisation was done using a robot that applied force on the hand that during flight compensated the change of gravity force on the arm and during training simulated the weight change, which would happen in the altered gravity.
In this master thesis we analyse the changes between different gravitational environments, without compensation, with compensation, and simulation of al- tered gravity. The changes in point to point movements were measured with four different parameters: relative time to peak velocity, duration of movement, curvature of trajectory and accuracy of task execution. The task given to the subjects consisted of vertical point to point movements, starting from the middle of a touchscreen, to any of 14 targets that appeared bellow or above the starting position. The perturbation force that compensated or simulated the changes in arm weight was generated by two motors, that pulled on the wrist of the subject via a string while the kinematics of the arm has been measured by an infrared camera system Vicon using passive reflective markers.
Our experiment confirmed a bigger impact of weightlessness on movement vii
kinematics in comparison to enhanced gravity. It is hypothesised that this is due to greater relative change between arm mass and arm weight. The duration of movement turned out to be a good indicator of movements in weightlessness since the movements lasted longer. Likewise the duration of movements showed effec- tive compensation, since compensated movements had a comparable duration with movements in normal gravity. Compensation was also shown to increase the accuracy of task execution. However, in contrast to the literature, the relative time to peak velocity did not carry much information in our experiment. Simu- lating altered gravity conditions was not as successful as was compensation, since the kinematics of movement did not converge toward kinematics in actual altered environment. We did however notice a peculiar artefact of equalising of kinematic parameters during simulation of altered gravity between upward and downward movements. This observation was not expected and needs further investigation.
Key words: gravitation, parabolic flights, point to point movement, micrograv- ity, enhanced gravity, altered gravity simulation, altered gravity compensation
Vsebina
1 Uvod 1
1.1 Gibanje . . . 1
1.2 Gravitacija . . . 2
1.3 Vizualno-motoriˇcni naˇcrt . . . 5
1.4 Adaptacija na gravitacijo . . . 8
1.5 Spremenjena gravitacijska okolja . . . 8
1.6 Zgodovina paraboliˇcnih letov . . . 11
1.7 Gibi zgornjih okonˇcin v vertikalni ravnini . . . 12
1.8 Gibi od toˇcke do toˇcke v mikrogravitaciji . . . 15
2 Metode 19 2.1 Eksperimentalna postavitev . . . 21
2.2 Biofiziˇcne meritve . . . 28
2.3 Pred in po letu . . . 32
2.4 Med letom . . . 33
2.5 Simulacijski sklop . . . 34 ix
2.6 Obdelava podatkov . . . 35
2.7 Statistiˇcna analiza . . . 37
3 Rezultati 41 3.1 Analiza gibov od toˇcke do toˇcke . . . 41
3.2 Simetriˇcnost gibov . . . 43
3.3 Dolˇzina giba . . . 45
3.4 Oblika giba . . . 47
3.5 Natanˇcnost izvajanja naloge . . . 49
4 Razprava 51 4.1 Vpliv kompenzacije gravitacijskih sprememb . . . 52
4.2 Uspeˇsnost simuliranja gravitacijskih sprememb . . . 53
5 Zakljuˇcek 57
Literatura 59
Seznam slik
1.1 Cloveˇsko oko. . . .ˇ 3
1.2 Prikaz miˇsiˇcnega vretena (levo) in Golgijevega tetivnega organa (desno). . . 3 1.3 Vestibularni organ (levo) in uˇsesni polˇz (desno). . . 4
1.4 Letalo, na katerem je bil izveden eksperiment. . . 11 1.5 Graf tangencialne hitrosti pri idealiziranem gibu od toˇcke do toˇcke. 13
2.1 Shematski prikaz eksperimentalne postavitve z merjencem, dvema motorjema, oznaˇcenima z M, in treh Vicon kamer. . . 20 2.2 Eksperimentalna postavitev, z merjencem posedenim v dirkaˇski
stol in aluminijasto nosilno strukturo, na kateri sta dva motorja (viden le zgornji) in zaslon na dotik. . . 21
2.3 Shema elektriˇcnih komponent in njihovih povezav. . . 22 2.4 Mikroraˇcunalnik RaspberryPi 3B+ z ohiˇsjem, v katerega je bil
priˇcvrˇsˇcen. . . 22 xi
2.5 Zaslon na dotik, priˇcvrˇsˇcen na aluminijasto ogrodje, z aktivnim grafiˇcnim uporabniˇskim vmesnikom. Na zaslonu je prikazana siva zaˇcetna tarˇca. Vidne so vse tri odsevne znaˇcke, nameˇsˇcene na ekran (desni zgornji kot, levi zgornji kot in levi spodnji kot). Na sredini slike je vidna ˇse Velcro zanka, namenjena fiksaciji zapestja in prenosu sile med motorji in desno roko merjenca. . . 23 2.6 Slika zaslona, kot ga je videl merjenec. Levo: zaslon ko je prikazana
zaˇcetna tarˇca – siva. Desno: zaslon ko je prikazana konˇcna tarˇca – rdeˇca. ˇCrtkani rdeˇci krogi predstavljajo ostale moˇzne pozicije konˇcne tarˇce in na zaslonu niso bili vidni. . . 24 2.7 Mikroraˇcunalnik formata PC104, ki deluje kot glavni raˇcunalnik
eksperimentalne postavitve. . . 25 2.8 Razˇsiritvena kartica Sensoray formata PC104, ki se preprosto na-
takne na glavni raˇcunalnik. . . 26 2.9 Razˇsiritvena kartica za komunikacijo prek CAN vodila, formata
PC104, ki se prav tako natakne na glavni raˇcunalnik. . . 27 2.10 Postavitev elektrod in odsevnih znaˇck. Vidne so tri EMG elektrode
(zelena barva) nameˇsˇcene na trapezno miˇsico (zgoraj), deltoidno miˇsico (levo) in prsno miˇsico (spodaj). Vidni sta tudi odsevna znaˇcka priˇcvrˇsˇcena na ramo (siva krogla, levo zgoraj) in ena od dveh EKG elektrod s prikljuˇceno EKG merilno enoto (rdeˇca barva, desno). . . 29 2.11 Levo: merilnik sile, sestavljen iz valja za prijem in preˇcno vstavlje-
nega “stylus” pisala. Desno: merilnik sile, kot je bil uporabljen tekom eksperimenta, z vidnima dvema odsevnima znaˇckama. . . . 29 2.12 Infrardeˇca kamera Vicon uporabljena za zajem pozicije odsevnih
znaˇck, z oznaˇceno dimenzijo kamere. . . 30 2.13 Postavitev treh infrardeˇcih kamer Vicon na letalu. . . 31
Seznam slik xiii
2.14 Postavitev odsevnih znaˇck na merjencu. Vidne odsevne znaˇcke so bile pritrjene na komolec (levo spodaj), na sredino nadlahti (sre- dina) in na ramo (zgoraj). Vidna je tudi EMG elektroda, pritrjena na deltoidno miˇsico. . . 32
2.15 Shematski prikaz dogajanja na avionu Zero-G, tekom enega para- boliˇcnega manevra [1]. . . 33
3.1 Graf povpreˇcnih trajektorij zapestja, pri gibu od zaˇcetne tarˇce do vsake izmed konˇcnih tarˇc. . . 41
3.2 Graf tangencialne hitrosti zapestja, pri izvajanju gibov od toˇcke do toˇcke za smer navzgor in smer navzdol. . . 42
3.3 Graf rTPV pri vseh razliˇcnih pogojih, loˇceno za gibe navzgor in navzdol. Notacija za pogoje, oznaˇcena pod vsakim stolpcem, se glasi R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gra- vitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. . . 43
3.4 Graf hitrostnih profilov markeja na zapestju pri vseh razliˇcnih pogojih, loˇceno za gibe navzgor in navzdol. Notacija za pogoje, oznaˇcena v legendi, se glasi R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti za- sedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. . . 45
3.5 Graf dolˇzine giba pri vseh razliˇcnih pogojih, loˇceno za gibe navzgor in navzdol. Notacija za pogoje, oznaˇcena pod vsakim stolpcem, se glasi R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. . 45
3.6 Graf maksimalnega odmika od ekrana pri vseh razliˇcnih pogojih, loˇceno za gibe navzgor in navzdol. Notacija za pogoje, oznaˇcena pod vsakim stolpcem, se glasi R/T, kjer R predstavlja gravitacij- sko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. . . 47 3.7 Graf vertikalne napake pri vseh razliˇcnih pogojih, loˇceno za gibe
navzgor in navzdol. Notacija za pogoje, oznaˇcena pod vsakim stolpcem, se glasi R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vredno- sti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. 49
Seznam tabel
1.1 Prednosti in slabosti razliˇcnih naˇcinov generiranja brezteˇznosti [2]. 10
2.1 Vsi razliˇcni pogoji vkljuˇceni v analizo. . . 37 2.2 Vsi razliˇcni pogoji in v katerem eksperimentalnem pogoju nastopijo. 38
3.1 Tabela zbranih vrednosti post-hoc analize za signifikatnost spre- memb rTPV med posameznimi izbranimi pari gravitacijskih po- gojev, tako za gibe navzgor kot navzdol. Primerjana sta po dva pogoja, zapisana z notacijo R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti za- sedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. Statistiˇcna signifikanca je oznaˇcena z odebeljeno pisavo in *. . . 44 3.2 Tabela zbranih vrednosti post-hoc analize za signifikatnost spre-
memb dolˇzine gibov med posameznimi izbranimi pari gravitacij- skih pogojev, tako za gibe navzgor kot navzdol. Primerjana sta po dva pogoja, zapisana z notacijo R/T, kjer R predstavlja gravitacij- sko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. Statistiˇcna signifikanca je oznaˇcena z odebeljeno pisavo in *. . . 46
xv
3.3 Tabela zbranih vrednosti post-hoc analize za signifikatnost spre- memb maksimalnega odmika zapestja od ekrana med posameznimi izbranimi pari gravitacijskih pogojev, tako za gibe navzgor kot nav- zdol. Primerjana sta po dva pogoja, zapisana z notacijo R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogravitacija ali 2 – dvojna teˇznost. Statistiˇcna signifikanca je oznaˇcena z odebeljeno pisavo in *. . . 48 3.4 Tabela zbranih vrednosti post-hoc analize za signifikatnost spre-
memb natancnosti dotikov ekrana med posameznimi izbranimi pari gravitacijskih pogojev, tako za gibe navzgor kot navzdol. Primer- jana sta po dva pogoja, zapisana z notacijo R/T, kjer R predstavlja gravitacijsko okolje roke, T pa gravitacijsko okolje telesa. Ti dve vrednosti zasedata vrednosti: 1 – zemeljska teˇznost, 0 – mikrogra- vitacija ali 2 – dvojna teˇznost. Statistiˇcna signifikanca je oznaˇcena z odebeljeno pisavo in *. . . 50
Seznam uporabljenih simbolov
V priˇcujoˇcem zakljuˇcnem delu so uporabljene naslednje veliˇcine in simboli:
Veliˇcina / oznaka Enota
Ime Simbol Ime Simbol
ˇcas t sekunda s
frekvenca f Hertz Hz
hitrost v - m/s
pospeˇsek a - m/s2
sila F Newton N
masa m kilogram kg
Pri ˇcimer so vektorji in matrike zapisani s poudarjeno pisavo. Natanˇcnejˇsi po- men simbolov ter njihovih indeksov je razviden iz ustreznih slik ali pa je pojasnjen v spremljajoˇcem besedilu, kjer je simbol uporabljen.
xvii
1 Uvod
Naˇsa ˇzivljenja so sestavljena iz gibanja. Naj bodo to misli, ki so posledica mikroskopskega gibanja nevrotransmitorjev, makroskopsko gibanje nebesnih teles ali pa bolj domaˇce gibanje naˇsih okonˇcin med hojo. Velik del znanosti bi lahko tako posploˇsili na preuˇcevanje gibanja. To magistrsko delo bo segalo v tisti del znanosti, ki se tudi brez posploˇsevanja ukvarja s preuˇcevanjem gibanja.
1.1 Gibanje
Preuˇcevanje gibanja se ukvarja z dvema aspektoma gibanja – s samim pote- kom gibanja in z mehanizmi, ki to gibanje povzroˇcajo. Prvi aspekt imenujemo kinematika, drugega pa dinamika.
Kinematika se ukvarja z medsebojno lego teles in ˇcasovnimi spremembami le- te. Lega telesa predstavlja pozicijo telesa v prostoru, ki jo najveˇckrat opiˇsemo v karteziˇcnih koordinatah, in orientacijo telesa, za katero najveˇckrat uporabljamo Eulerjeve kote. Slednji opisujejo, kako je telo zasukano v prostoru. Kinematiko poleg lege zanimata ˇse hitrost, ki je definirana kot sprememba lege v ˇcasu oziroma prvi ˇcasovni odvod lege ter pospeˇsek, ki je definiran kot sprememba hitrosti v ˇ
casu oziroma drugi ˇcasovni odvod lege. Manj znan, vendar prav tako zanimiv je tudi sunek, definiran kot sprememba pospeˇska v ˇcasu oziroma tretji odvod lege.
Pogosto se ga uporablja v strategijah optimalnega vodenja, kot parameter, ki ga minimiziramo [3].
Dinamika se ukvarja z mehanizmi, ki telesa pripravijo do gibanja in gibanje vzdrˇzujejo. Pri dinamiˇcni analizi nas zanimajo sile in navori, kot akterji, ki telesa 1
poˇzenejo v gibanje ter mase in vztrajnostni momenti, ki gibanje teles vzdrˇzujejo.
V priˇcujoˇcem delu se bomo v glavnem ukvarjali s kinematiˇcno analizo giba- nja, opisali pa bomo tudi nekatere vidike dinamike, saj kinematiˇcne razlike v gibih tekom eksperimenta povzroˇcajo gravitacijske sile oziroma sile, s katerimi jih kompenziramo.
1.2 Gravitacija
Vesolje krojijo ˇstiri fundamentalne sile: gravitacijska sila, elektromagnetna sila, moˇcna jedrska sila in ˇsibka jedrska sila. Od teh ljudje najdlje poznamo prvo, gravitacijsko silo, katere makroskopske vplive sreˇcujemo na vseh podroˇcjih. Gra- vitacija igra konstantno vlogo v naˇsem ˇzivljenju in, kot taka, tudi moˇcno vpliva na zaznavanje naˇse okolice [4]. Ena izmed bolj osnovnih nalog ˇzivˇcnega sistema je zaznavanje orientacije telesa – zavedanje, kaj je spodaj in kaj zgoraj, je tako pomembna prav zaradi vseprisotnosti gravitacije. Oblikovanje notranje vertikalne osi je pomembna naloga, ki moˇcno kroji naˇsa dejanja in ˇzivljenje, tako v sedanjo- sti, kot v preteklosti, ko je bilo plezanje po drevesih ˇse sestavni del ˇzivljenja naˇsih daljnih prednikov [5]. Kot dvonoˇzni organizmi smo ˇse posebej dovzetni na vplive gravitacije, saj jo mora naˇs centralni ˇzivˇcni sistem upoˇstevati pri mnogih proce- sih. Ohranjanje ravnoteˇzja je, ob pokonˇcni drˇzi, ˇse posebej zahtevno opravilo, ki zahteva natanˇcno motoriˇcno kontrolo. Hoja bi bila brez gravitacije nemogoˇca ter je slednji tudi popolnoma prilagojena. Nenazadnje pa gravitacija vpliva tudi na zaznavanje tridimenzionalnega prostora ter naˇso orientacijo v njem [6, 7, 8, 9].
Gravitacija pa ni edina sila, ki pospeˇsuje naˇse telo. Ker smo dinamiˇcno ak- tivni organizmi, smo izpostavljeni najrazliˇcnejˇsim pospeˇskom. Kot ˇze reˇceno, je gravitacijski pospeˇsek zelo pomemben dejavnik pri razliˇcnih procesih, zaradi ˇcesar naˇs centralni ˇzivˇcni sistem zaznava gravitacijo in inercialne pospeˇske loˇceno, tudi medtem, ko se gibamo [10]. Kljub moˇcnem vplivu gravitacije, ljudje in ostali primati na sploˇsno nimamo delegiranega ˇcutila za zaznavanje gravitacije, ampak o njeni smeri in velikosti sklepamo s pomoˇcjo sinteze informacij iz razliˇcnih ˇcutil [11, 12, 13]. Moˇcno vlogo pri tem igrajo:
1.2 Gravitacija 3
Vid: v naravi in ˇzivem svetu je veliko vertikalnih vizualnih znaˇcilk, ki so posledica prisotnosti gravitacije – deˇz, drevesa, stavbe in podobno. Slika 1.1 prikazuje shematiko ˇcloveˇskega oˇcesa, ki omogoˇca vid.
Slika 1.1: ˇCloveˇsko oko.
Propriocepcija: napetosti in potrebne aktivacije naˇsih miˇsic so moˇcno od- visne od orientacije telesa napram gravitaciji, orientacija pa je direktno odvisna od pokrˇcenosti naˇsih miˇsic in kotov v naˇsih sklepih. Za zaznavanje propriocepcije sta najbolj pomembni dve ˇcutilni strukturi. Miˇsiˇcno vreteno, s pomoˇcjo katerega zaznavamo spremembe ter hitrost spremembe v dolˇzini miˇsice, ter golgijev tetivni organ, s katerim zaznavamo spremembe v na- petosti v tetivah oziroma kitah. Slika 1.2 prikazuje shematiko miˇsiˇcnega vretena in Golgijevega tetivnega organa.
Slika 1.2: Prikaz miˇsiˇcnega vretena (levo) in Golgijevega tetivnega organa (de- sno).
Vestibularni organ: ˇcutne celice v vestibularnem organu, ki se nahaja ob uˇsesnem polˇzu, sestavljenim iz treh polkroˇznih komor, pravokotnih druga na drugo, zaznavajo sunke gibanja, tretje ˇcasovne odvode premika, v vseh treh karteziˇcnih smereh in pomagajo pri zaznavanju naˇse orientacije ter pospeˇskov, ki delujejo na telo. Slika 1.3 prikazuje shematiko uˇsesnega polˇza ter vestibularnega organa.
Slika 1.3: Vestibularni organ (levo) in uˇsesni polˇz (desno).
Preko sinteze informacij iz omejenih ˇcutil, naˇs centralni ˇzivˇcni sistem ustvari notranji model gravitacije, ki ga nadaljnje vkljuˇcuje v naˇcrtovanje lokomocije, ohranjanja ravnoteˇzja in premikanja zgornjih okonˇcin, ˇse posebej v vertikalni smeri, kjer je vpliv gravitacije najmoˇcnejˇsi in lahko gravitacijska sila deluje kot dodaten aktuator gibanja [14].
Sinteza teh informacij je tako globoko zakoreninjena v centralnem ˇzivˇcnem sistemu, da v primeru, ko ˇcutila kaˇzejo na razliˇcne reprezentacije gravitacijske sile, centralni ˇzivˇcni sistem lahko priredi ˇcutne zaznave, da te zopet sestavljajo enoliˇcno sliko gravitacije. Z manipulacijo ˇcutov lahko tako ustvarimo laˇzno pred- stavo stanja lastnega telesa. Tako lahko denimo z odvzemom vizualne informacije obˇcutimo roko, ki ji kompenziramo silo gravitacije, kot bolj pokrˇceno kot ta zares je [15].
1.3 Vizualno-motoriˇcni naˇcrt 5
1.3 Vizualno-motoriˇ cni naˇ crt
Evolucijski pritisk skrbi za to, da so naˇsa dejanja ˇcim bolj energetsko uˇcinkovita. Zato centralni ˇzivˇcni sistem poskuˇsa v naˇcrtovanje motoriˇcnih ukazov vkljuˇciti vse zunanje sile, ki vplivajo na gibanje. Postopoma se ustvarja model sil v prostoru, ki se prilagaja glede na zunanje dejavnike. Z uporabo tega mo- dela, lahko centralni ˇzivˇcni sistem napoveduje in minimizira zunanje motnje ter zmanjˇsa porabo energije za doloˇcene gibe. Taki modeli pa niso sestavljeni le iz striktno lokalnih preteklih dogodkov, ampak jih centralni ˇzivˇcni sistem ekstra- polira ter tako poskrbi za prediktivno naravo in uporabnost tudi, ko izvajamo nove, ˇse ne v celoti nauˇcene gibe. Dokaz za to so prilagojeni motoriˇcni ukazi izven obmoˇcja dosedanjega doˇzivljanja zunanjih dejavnikov [16]. Centralni ˇzivˇcni sistem lahko tako informacije o motnjah v okolju, ki smo jih izkusili na le eni roki, ekstrapolira in prediktivno pravilno kompenzira gibanje druge roke, ki do sedaj temu okolju ˇse ni bila izpostavljena [17]. Kompenzacije zunanjih motenj centralni ˇzivˇcni sistem predstavi v tako imenovanem vizualno-motoriˇcnem naˇcrtu.
Ta predstavlja polje transformacij, ki jih centralni ˇzivˇcni sistem potrebuje, da naˇse vizualne in prostorske predstave o ˇzelenem gibu spremeni v ˇcasovne profile sil, ki jih morajo natanˇcno doloˇcene miˇsice izvesti v pravilnem ˇcasovnem zaporedju, da natanˇcno izvedemo gib [18].
Ena izmed pomembnih lastnosti vizualno-motoriˇcnega naˇcrta je prilagodlji- vost. Vsakiˇc, ko manipuliramo z nekim bremenom, se dinamika naˇsega telesa spremeni, spremenijo pa se tudi motoriˇcni ukazi, potrebni za vrˇsenje ˇzelenih gi- bov. Te spremembe mora energetsko uˇcinkovit sistem kompenzirati. Vizualno- motoriˇcni naˇcrt seveda ni idealen model. Sunkovite spremembe dinamike so le delno kompenzirane, takoj ob nastopu spremembe, vendar pa se popolna kompen- zacija vzpostavi v le nekaj gibih. Eksperimenti so pokazali, da so gibi od toˇcke do toˇcke, ko v rokah drˇzimo 2,5 kg uteˇz, ˇze po le nekaj poskusih kinematiˇcno neloˇcljivi od tistih, ko je roka neobremenjena [19]. Pomembno vlogo pri tem ima zaznavanje gravitacije, saj le-ta moˇcno vpliva na spremembo dinamike roke, ko premikamo bremena.
Zunanje motnje pa niso edina nastopajoˇca spremenljivka. Tekom odraˇsˇcanja, se dinamika naˇsega telesa poˇcasi, a konstantno spreminja. Miˇsice postanejo
moˇcnejˇse, udi teˇzji in daljˇsi. Vse to mora centralni ˇzivˇcni sistem v svojih modelih upoˇstevati. Prve modele zaˇcnemo graditi kot dojenˇcki. Brezglavo kriljenje z ro- kami in nogami lahko vidimo kot le zabavno dejavnost novorojenˇckov, lahko pa si jih razlagamo kot vzbujalne signale, s katerimi ˇzelimo razvozlati “ˇcrno ˇskatlo”, ki je dinamika naˇsega telesa [16].
Ko poskuˇsamo razumeti mehanizme, ki narekujejo naˇse gibanje in njegovo adaptacijo, se prav tako, kot dojenˇcki, posluˇzujemo tehnike vzbujalnih signalov, s katerimi perturbiramo sistem. To lahko doseˇzemo na primer z uporabo prizmat- skih oˇcal, ki translirajo vizualno informacijo, z generacijo polja sile preko uporabe robotskih manipulatorjev, ali pa celo s spremembo gravitacijskega okolja, kot se to zgodi pri centrifugah in paraboliˇcnih letih [20].
Z opazovanjem hitrosti in naˇcina adaptacije, lahko ocenjujemo lastnosti pro- cesa prilagajanja vizualno-motoriˇcnega naˇcrta. Vsi dosedanji rezultati kaˇzejo, da je to robusten in zelo fleksibilen proces, saj je centralni ˇzivˇcni sistem zmoˇzen ˇ
ze v nekaj poskusih zadostno prilagoditi motoriˇcne ukaze, da ti doseˇzejo ˇzeleni uˇcinek v novem okolju, ˇcetudi je to drastiˇcno drugaˇcno od tistega, ki smo ga navajeni – denimo okolje brez teˇznosti [21, 22]. V najrazliˇcnejˇsih okoljih so si, po konˇcani adaptaciji, gibi med seboj kinematiˇcno podobni, imajo primerljive hitrostne profile in prostorske trajektorije.
Centralni ˇzivˇcni sistem z vizualno-motoriˇcnim naˇcrtom zgradi ˇzelen kine- matiˇcni potek giba, ki je pogojen z dinamiˇcnim modelom. Tega centralni ˇzivˇcni sistem tekom adaptacije prilagaja, da se ˇcimbolj pribliˇza ˇzeleni kinematiki gibanja [23]. Postopek adaptacije, s ponavljanjem in postopno reinterpretacijo vhodnih senzoriˇcnih podatkov, tako konvergira proti ˇzelenem gibu[16]. V nekaterih prime- rih aplikacije konstantne sile, konvergira celo monotono, kar ni nepriˇcakovano, saj je taka perturbacija, na primer manipulacija bremena, v naravi najbolj pogosta.
V eksperimentih, kjer s posebnimi oˇcali, sliko, ki jo vidi merjenec, odklonijo za dani kot, bodo gibi, s katerimi merjenec izvaja zadano nalogo, sprva odklonjeni za enak kot, kot ga inducirajo oˇcala. Nato pa se bo, s postopno adaptacijo, vzpostavilo gibanje, ki zadovolji zadano nalogo, in to ˇze v le nekaj poskusih.
Ta nova interpretacija senzoriˇcne informacije, v tem primeru rotacije vizualne informacije za doloˇceno ˇstevilo stopinj, se zapiˇse v vizualno-motoriˇcni naˇcrt, tako
1.3 Vizualno-motoriˇcni naˇcrt 7
da, ko merjencu odstranimo motilna oˇcala, odklon informacije ostane. Zaradi adaptacije bodo gibi merjenca, po odstranitvi oˇcal, odklonjeni v nasprotno smer kot ob zaˇcetku noˇsenja oˇcal, dokler se vizualno-motoriˇcni naˇcrt ne adaptira nazaj v originalno stanje pred eksperimentom [24].
Enak vpliv posledic adaptacije je moˇzno opaziti tudi pri merjencih, na katere deluje polje sil. Ko se polje sil prvotno pojavi, so odkloni gibanja opazni v smeri delovanja polja sil. Po adaptaciji, ko ni veˇc odstopanj od ˇzelenega kinematiˇcnega profila giba, in ko se polje zunanje sile odstrani, se pojavi odklon v nasprotni smeri od prvotnega odklona [16]. Adaptacija vizualno-motoriˇcnega naˇcrta ima torej lastnost zadrˇzevanja informacije. To je tem bolj vidno, tem dlje ˇcasa je prisotna neka motnja. Dlje ˇcasa kot izvajamo neko nalogo v spremenjenem okolju, bolj prilagojen bo dinamiˇcni model. Centralni ˇzivˇcni sistem spremenjeno okolje vse manj smatra kot motnjo, ampak kot novo realnost, zaradi ˇcesar je napaka, ko se okolje ponovno spremeni, toliko veˇcja [25]. Moˇcan vpliv na adaptacijo ima tudi predvidevanje prihajajoˇcih sprememb. ˇCe ima centralni ˇzivˇcni sistem informacijo o prihodnji spremembi okolja, je tako ˇze pripravljen na adaptacijo, vendar pa je ta v veˇcini primerov na zaˇcetku nepopolna [26].
Hitrost in obseg adaptacije sta poleg trajanja in informacij o spremembi odvi- sna ˇse predvsem od tega, kako moˇcno sprememba okolja vzdraˇzi ˇcutno zaznavo.
Najbolj pogosto uporabljen pristop perturbacije sistema je uporaba robotskega manipulatorja, ki na merjenca generira silo, ki je odvisna od nekega kinematiˇcnega parametra gibanja, kot na primer hitrost gibanja. Pri takem pristopu so vzdraˇzeni le proprioceptivni organi tiste okonˇcine, na katero deluje robot. Nasprotno je pri uporabi centrifug in paraboliˇcnih letov, pri katerih je celotno telo podvrˇzeno spremenjenem okolju in so tako vzdraˇzeni ˇcuti celotnega telesa in razliˇcnih mo- dalitet, proprioceptivni in vestibularni. Ta poveˇcana ˇcutna zaznava spremembe okoliˇsˇcin povzroˇci hitrejˇso adaptacijo gibanja in nam hkrati ponuja tudi nekoliko drugaˇcen vpogled v delovanje centralnega ˇzivˇcnega sistema pri naˇcrtovanju gibov [27, 28, 29]. Ob spremembah gravitacijskega okolja s paraboliˇcnim letom ali cen- trifugo, se telo hitro in popolnoma adaptira na novo okolje. Glavni razlog za to je najverjetneje sinteza signalov vidne, haptiˇcne, proprioceptivne in vestibularne zaznave v spremenjenem gravitacijskem okolju, kar omogoˇca hitrejˇso adaptacijo kot pa v primeru, ko je vzbujan samo en od teh senzoriˇcnih sistemov [26].
1.4 Adaptacija na gravitacijo
Prav z integracijo gravitacije in sprememb le-te, se ukvarja magistrska naloga.
Centralni ˇzivˇcni sistem v celoti razvija dinamiˇcni model telesa v zemeljskem gra- vitacijskem polju [30]. Zaradi tega posebno zanimivost predstavlja raziskovanje dinamiˇcnih odzivov v spremenjenem gravitacijskem okolju. Integracija informa- cije o gravitaciji v motoriˇcne ukaze lahko poteka na dveh stopnjah. Lahko je v vizualno-motoriˇcni naˇcrt vkljuˇcena tekom izvajanja giba, kjer gravitacijsko silo centralni ˇzivˇcni sistem kompenzira kot motilni faktor. Vendar pa bi uporaba le tega pristopa vodila k zmanjˇsani natanˇcnosti izvedenih gibov. Natanˇcnost pa je veliko veˇcja, ˇce informacijo o gravitaciji centralni ˇzivˇcni sistem uporablja ˇze med naˇcrtovanjem giba, pri ˇcemer se v dinamiˇcni model gravitacijo doda kot vedno prisotno gonilno silo [31]. Gravitacija je tako parameter, ki modulira aktivacijo miˇsic med gibom [20, 32].
Drug pokazatelj parametriˇcnega upoˇstevanja gravitacije je odvisnost kinema- tike gibov zgornjih okonˇcin od vertikalne komponente gibanja. Gibi navzgor se razlikujejo od gibov navzdol, kar je direktna posledica prisotnosti gravitacije. ˇCe bi gravitacija nastopala kot motilni faktor, bi takoj ob vstopu v brezteˇznostno okolje opazili nemudno izenaˇcitev teh razlik v kinematiki gibov, ˇcesar pa doseda- nje ˇstudije niso pokazale [23]. Prav nasprotno, ˇstudije opravljene v spremenjenih gravitacijskih okoljih kaˇzejo na to, da je gravitacija vkljuˇcena v naˇcrtovanje gibov kot neodvisni parameter. Kinematiˇcne razlike v vertikalnih gibih se dinamiˇcno spreminjajo skupaj s spremembami gravitacijskega okolja, kar nakazuje na di- namiˇcno zaznavanje in ne le konstantno reprezentacijo gravitacije, kot bi morda bilo priˇcakovati za organizme, razvite v okolju s konstantno gravitacijo [23, 33].
Centralni ˇzivˇcni sistem ima torej notranji dinamiˇcni model gravitacije, ki pred- stavlja vhodni signal za vizualno-motoriˇcni naˇcrt [34].
1.5 Spremenjena gravitacijska okolja
Kot ˇze omenjeno, so najbolj pogoste perturbacije dinamike gibanja doseˇzene z robotskimi manipulatorji, vendar pa te povzroˇcajo le lokalne spremembe. Da bi dosegli in preuˇcevali spremembe, ki vplivajo na celotno telo, se moramo posluˇziti
1.5 Spremenjena gravitacijska okolja 9
spremenjene gravitacije [35]
Da bi lahko preuˇcevali vplive v drugaˇcnem gravitacijskem polju kot je zemelj- sko, bi morali zapustiti naˇs planet in eksperimente izvajati v vesolju ali na drugih planetih. To je seveda popolnoma nepraktiˇcno, zato se posluˇzujemo umetnega ustvarjanja neinercialnih sistemov, v katerih obˇcutimo spremenjene pospeˇske, ki imajo enak uˇcinek kot spremenjen gravitacijski pospeˇsek. Poveˇcanje gravitacij- skega pospeˇska je precej enostavno preko uporabe centrifug, kjer se ’centrifu- galna’ sila priˇsteje sili teˇze in tako dobimo veˇcji gravitacijski pospeˇsek. Teˇzje pa je zmanjˇsati gravitacijski pospeˇsek, saj je treba silo odˇsteti. To storimo z uporabo principa padanja. Sistem, ki prosto pada znotraj sebe ne ˇcuti nobene sistemske sile, vendar pa prosto padanje ni enostavno dosegljivo [36].
Za generiranje brezteˇznosti se tako uporabljajo dvigala s prostim padom, ra- kete s kapsulami, letala z moˇznostjo izvajanja paraboliˇcnih manevrov ter vesoljske postaje. Vsaka od moˇznosti ima svoje prednosti in slabosti, ki so zbrane v tabeli 1.1. Najveˇckrat narava eksperimenta diktira, katero od moˇznosti smo primorani uporabiti.
V naˇsem eksperimentu smo ˇzeleli opazovati vplive zmanjˇsanja gravitacije na ljudeh, hkrati pa si nismo mogli privoˇsˇciti logistiˇcnih in cenovnih zahtev , ki jih predstavlja izvajanje eksperimenta na vesoljski postaji. Tako smo se odloˇcili za uporabo letala, ki izvaja paraboliˇcne manevre. Tekom paraboliˇcnega leta le- talo izvaja letalske manevre hitrega dviganja in prostega padanja. Z natanˇcno kontrolo nad tema dvema manevroma lahko doseˇzemo kratke, a konstantne faze poveˇcane in zmanjˇsane gravitacije, v naˇsem primeru fazo podvojene gravitacije in fazo brezteˇznosti. Dejstvo, da imamo dostop tako do brezteˇznosti kot tudi do poveˇcane gravitacije je dobrodoˇslo, saj nam omogoˇca raziskovanje zaznavanja gravitacije v obeh smereh spreminjanja gravitacijskega okolja. Po drugi strani pa je slabost tega razdrobljenost razliˇcnih faz gravitacijskega okolja, saj to za- radi konstantnega spreminjanja oteˇzuje analizo rezultatov ter vrednotenje uˇcinkov adaptacije [37].
Tabela 1.1: Prednosti in slabosti razliˇcnih naˇcinov generiranja brezteˇznosti [2].
Delovanje Prednosti Slabosti
Dvigala s prostim padom
Dvigalo se dvi- gne na ˇzeleno viˇsino, nato pa se spusti v pro- sti pad.
Nizka cena,
enostavna uporaba,
moˇznih veˇc testov dnevno.
Nekaj sekund brezteˇznosti,
brez ˇcloveˇskih merjencev,
brez moˇznosti prisotnosti raziskovalca.
Rakete in kapsule
Izstreljena ra- keta doseˇze ˇzeleno viˇsino, nato pa kapsula pade nazaj proti Zemlji.
Srednje visoka cena,
nekaj minut
brezteˇznosti,
nekaj mesecev med zasnovo in izvedbo eksperimentov.
Brez ˇcloveˇskih merjencev,
brez moˇznosti prisotnosti raziskovalca,
omejena funkcionalnost.
Letala
Letalo izvede paraboliˇcni manever, tekom katerega nekaj 10 s prosto pada.
Sprejemljivo visoka cena,
enostavna uporaba,
sprejemljive tehniˇske omejitve,
moˇznost prisotnosti ˇcloveˇskih merjencev,
moˇznost prisotnosti raziskovalca,
nekaj mesecev med zasnovo in izvedbo ek- sperimentov.
Brezteˇznost razdeljena v veˇc 20 s inkrementov,
brezteˇznost v obmoˇcju 0,1 m/s2.
Vesoljske postaje
Vesoljske po- staje, ujete v Zemljino or- bito, so zaradi kroˇzenja v konstantnem prostem padu.
Casovno neomejenaˇ obdobja brezteˇznosti,
ˇcloveˇski merjenci,
moˇznost prisotnosti raziskovalca,
brezteˇznost v obmoˇcju 10−5 m/s2.
Visoka cena,
zapleteni postopki,
ostre tehniˇske in logistiˇcne omejitve,
nekaj let med zasnovo in izpeljavo eksperimentov,
moˇznost ˇcasovnih zakasni- tev pred pridobitvijo eksperi- mentalnih rezultatov.
1.6 Zgodovina paraboliˇcnih letov 11
1.6 Zgodovina paraboliˇ cnih letov
Z izvajanjem paraboliˇcnih manevrov so priˇceli z vojaˇskimi letali na zaˇcetku druge polovice 20. stoletja. Ker je bilo v teh letalih prostora le za pilota in kopilota, sta ta dva poizkuse izvajala na sebi. Letala so bila zmoˇzna generiranja do 30 s mikrogravitacije. Tekom letov so merili oziroma ocenjevali razliˇcne fizi- oloˇske parametre, denimo delovanje pljuˇc in srca ter razliˇcne sposobnosti, denimo motoriˇcne in mentalne sposobnosti ter sposobnost orientiranja v prostoru. Agen- cija Novespace, katera je omogoˇcila izvajanje eksperimenta, je s paraboliˇcnimi leti zaˇcela leta 1989 ter bila prva agencija, ki je priˇcela z izvajanjem paraboliˇcnih letov v Evropi. Tekom svojega delovanja so uporabljali tri letala. Zadnjega, ki smo ga uporabljali tudi tekom eksperimenta, Airbus A310 ZeroG, prikazan na sliki 1.4, so zaˇceli uporabljati aprila 2015 – z njim omogoˇcajo znanstvene eksperimente, pa tudi zasebne polete za pribliˇzevanje brezteˇznostne izkuˇsnje ˇsirˇsi javnosti [38].
Slika 1.4: Letalo, na katerem je bil izveden eksperiment.
1.7 Gibi zgornjih okonˇ cin v vertikalni ravnini
Cilj izvedenega eksperimenta je bil analiza vplivov gravitacije na premikanje roke, pri ˇcemer smo v eksperimentu ˇzeleli zdruˇziti uporabo paraboliˇcnega leta ter uporabo robotskega manipulatorja. Tako smo tekom paraboliˇcnega leta, ko je bilo celotno telo merjenca v spremenjenem gravitacijskem okolju, hkrati preko robotskega manipulatorja na dominantno roko merjenca izvajali ˇse perturbacijsko silo. Merjenci so tekom eksperimenta izvajali gibe od toˇcke do toˇcke v vertikalni smeri, tako da so bile smer gibanja, perturbacijska sila in sprememba gravitacij- skega pospeˇska, zaradi paraboliˇcnega leta, kolinearne.
Gibi od toˇcke do toˇcke so gibi, ki jih zelo pogosto uporabljamo v svojem vsakdanu – roko iz zaˇcetnega poloˇzaja premaknemo v doloˇceno konˇcno lego, kot na primer pri pritisku gumba v dvigalu oziroma pritisku doloˇcenega gumba v astronavtski kabini med vesoljskim poletom. Gibanje med zaˇcetno in konˇcno toˇcko je preteˇzno neovirano in za samo opravljanje naloge nepomembno, vendar pa v svojih lastnostih skriva mehanizme tvorjenja motoriˇcnih ukazov.
Gibe od toˇcke do toˇcke zazanamuje konstantno trajanje giba, ne glede na smer in obseg premika ter karakteristiˇcen profil tangencialne hitrosti glede na smer premika [39]. Povpreˇcen profil tangencialne hitrosti opisujeta dva karakteri- stiˇcna parametra. Profil ima zvonasto simetriˇcno obliko, prikazano na sliki 1.5, z maksimalno hitrostjo na sredini giba, kar opisuje parameter rTPV (ang. relative time to peak value), ki ima vrednosti okoli 0,5. Zvonasto obliko opisuje parame- ter C, ki ima vrednost 1,875, izraˇcuna pa se ga kot kvocient med maksimalno in povpreˇcno hitrostjo giba.
Invarianco teh dveh parametrov, torej dejstvo, da zasedata enake vrednosti pri kratkih in pri dolgih premikih, razlaga hipoteza Harrisa [40], ki pravi, da so trajektorije naˇcrtovane z namenom minimizacije variabilnosti giba zaradi zuna- njih motilnih dejavnikov. Enake rezultate prevideva hipoteza Flasha [3], ki pravi, da se gibi od toˇcke do toˇcke drˇzijo principa minimalnega sunka, ˇcasovnega odvoda pospeˇska, katerega matematiˇcni model vraˇca vrednosti parametrov rTPV = 0,5 in C = 1,875.
Invariantnost parametrov rTPV in C preneha veljati v vertikalni smeri, zaradi
1.7 Gibi zgornjih okonˇcin v vertikalni ravnini 13
0 0,25 0,5 0,75 1
0 0,25 0,5 0,75 1
normalizirana hitrost giba
Slika 1.5: Graf tangencialne hitrosti pri idealiziranem gibu od toˇcke do toˇcke.
vpliva gravitacije. Parametra sta odvisna le od smeri gibanja v vertikalni smeri, torej, ˇce roko spuˇsˇcamo ali jo dvigamo, medtem ko odvisnosti od smeri gibanja v horizontalni smeri ni [30]. Ta pojav lahko opazimo tako pri hitrih, kot tudi poˇcasnih gibih in gibih, ki vkljuˇcujejo dodatno breme v obliki uteˇzi. Pri gibih navzgor se rTPV giblje okoli 0,45, pri gibih navzdol pa okoli 0,55. Torej so gibi v smeri gravitacijske sile dalj ˇcasa pospeˇseni kot gibi v nasprotni smeri, ki so dalj ˇ
casa v fazi pojemanja [41]. Prav tako se pri vertikalnih gibih pojavi sprememba parametra C, a le pri hitrih gibih. Prav tako se spremembe kaˇzejo tudi v prostorski ukrivljenosti trajektorije gibanja, kjer so gibi navzdol bolj ravni, gibi navzgor pa bolj zaokroˇzeni [42].
Vemo, da spremembe v motoriˇcnih ukazih niso posledica kompleksne dinamike veˇcsklepnega uda. Razlike med gibi navzgor in navzdol se pojavijo tudi pri gibu iztegnjene roke z upogibanjem le v ramenskem sklepu, kar je enostaven gib z eno prostostno stopnjo. Iz tega lahko sklepamo, da centralni ˇzivˇcni sistem vkljuˇcuje gravitacijo v vizualno-motoriˇcni naˇcrt [23].
Centralni ˇzivˇcni sistem ima razliˇcne motoriˇcne naˇcrte za izvajanje gibov nav- zgor in navzdol, najverjetneje za namene minimizacije porabe energije. Tako zunanjo silo vkljuˇci v gibanje kot aktuator. Razliko v rTPV zaradi gravitacije bi
lahko razloˇzili s tem, da je med gibom navzdol roka dalj ˇcasa pospeˇsena preko gravitacije, medtem ko je pri gibih navzgor daljˇsi ˇcas zavirana. Tako centralni ˇ
zivˇcni sistem veˇc ˇcasa nameni delu giba, ki ga poganja zunanja sila, in si tako pusti veˇc ˇcasa za uravnavanje in korekcijo te sile [43]. Za poˇcasne gibe navzdol bo centralni ˇzivˇcni sistem izkoristil gravitacijo kot gonilno silo za pospeˇsevanje, obratno bo za gibe navzgor uporabil gravitacijo za potrebe zaviranja uda. To pa ne drˇzi povsem za hitre gibe, kjer gravitacija ni zadosten gonilni element [42].
Najveˇcji pospeˇski pri poˇcasnih gibih, s prosto roko ali z uteˇzjo, se gibljejo okoli 3 m/s2, medtem ko se pri hitrih gibih gibljejo okoli 55 m/s2 [41]. Gravitacijski pospeˇsek tako zadostuje za zaviranje roke v primeru poˇcasnih gibov, po drugi strani pa predstavlja le eno petino potrebnega pospeˇska pri hitrih gibih.
Na razlike med hitrimi in poˇcasnimi gibi, ki izhajajo zaradi prisotnosti gravi- tacije, lahko sklepamo tudi zaradi vse veˇcje prisotnosti vztrajnosti giba pri hitrih gibih. Aktivnost miˇsic kaˇze na razliko med ukazi za premagovanje gravitacije – toniˇcna komponenta, in motoriˇcnimi ukazi za premagovanje vztrajnosti – faziˇcna komponenta sile [44]. Toniˇcna komponenta sile je prisotna tako med gibanjem kot v mirovanju. Z njo poskrbimo, da se roka ne premika zaradi gravitacije. Faziˇcna komponenta sile pa je prisotna le med gibanjem in predstavlja silo potrebno za pospeˇsevanje in zaviranje roke, saj ima ta konˇcno maso in vztrajnost. ˇCe gravita- cija ne bi bila vkljuˇcena v naˇcrtovanje giba in bi centralni ˇzivˇcni sistem naˇcrtoval gibanje upoˇstevajoˇc le vztrajnostne sile, razlik med gibi navzgor in navzdol ne bi bilo, tako kot jih ni pri gibih v horizontalni ravnini [42].
Miˇsiˇcna aktivnost roke, ki izvaja gibe od toˇcke do toˇcke, se bistveno spremeni, ˇ
ce jo podpremo in s tem zmanjˇsamo vpliv gravitacije. Kot priˇcakovano, s tem namreˇc zmanjˇsamo aktivnost miˇsic, odgovornih za uravnavanje toniˇcne kompo- nente sile [45]. Podoben uˇcinek na spremembo kinematike gibov lahko opazimo tudi pri spremenjenem gravitacijskem okolju, ki vpliva na toniˇcno komponento, ne pa tudi na faziˇcno komponento. Pri poˇcasnih gibih je uˇcinek gravitacije veˇcji od vztrajnostnega, zaradi ˇcesar so poˇcasni gibi bolj dovzetni za spremembe gravi- tacije. V brezteˇznosti to pomeni potrebo po aktivaciji miˇsic, katerih aktivnost bi v normalnih pogojih nadomestila gravitacija. Vendar pa to ne velja za hitre gibe, pri katerih se vzorec ali velikost miˇsiˇcne aktivacije spremeni v relativno majhni meri, saj prevladuje faziˇcna komponenta gibanja [23].
1.8 Gibi od toˇcke do toˇcke v mikrogravitaciji 15
Izmed parametrov, s katerimi bi ocenili vpliv spremembe gravitacijskega oko- lja na kinematiko gibov, se rTPV smatra kot zanesljiv pokazatelj vpliva spre- membe gravitacijskega okolja na motoriˇcne ukaze [46]. V nekaterih eksperimen- tih, kjer je bila merjencem odvzeta vidna informacija, se je rTPV zmanjˇsal tako v mikrogravitaciji kot hipergrevitaciji ter padel na vrednost okoli 0,35. V spreme- njenem gravitacijskem okolju so bili priˇcakovani proprioceptivni signali drugaˇcni od priˇcakovanih, kar je centralni ˇzivˇcni sistem poskuˇsal popraviti v fazi zaviranja.
To bi razloˇzilo daljˇsi ˇcas zaviranja, torej rTPV<0,5. Ob kompenzaciji sile gravi- tacije z dodatno zunanjo silo pa so se proprioceptivni signali vrnili na priˇcakovane vrednosti, prav tako se je tudi vrednost rTPV zviˇsala na 0,45. Drugaˇce je bilo pri eksperimentih, kjer je bila prisotna povratna informacija v vizualni obliki, saj ta moˇcno pogojuje naˇso interpretacijo propriceptivnih signalov. Vrednosti rTPV v mikrogravitaciji so se poveˇcale, v hipergravitaciji pa zmanjˇsale [46].
1.8 Gibi od toˇ cke do toˇ cke v mikrogravitaciji
Gibi v mikrogravitaciji se bistveno razlikujejo od gibov v drugih gravitacij- skih okoljih. Pri prehajanju med razliˇcnimi gravitacijskimi okolji le skaliramo motoriˇcne naˇcrte, nauˇcene v zemeljski gravitaciji, kar pa ne velja ob pribliˇzevanju brezteˇznosti. V mikrogravitaciji, ko se pribliˇzujemo brezteˇznosti, se tako pojavi strukturna loˇcitev mase in teˇze, zaradi ˇcesar postanejo toniˇcne in faziˇcne kom- ponente sile popolnoma neodvisne – bolj natanˇcno, toniˇcna komponenta postane vse bolj niˇcna in neodvisna od orientacije telesnih delov [47]. V teoriji bi lahko bili faziˇcna in toniˇcna komponenta sile popolnoma loˇceni, vendar temu ni tako.
V spremenjeni gravitaciji in ˇse posebej v mikrogravitacijii, nismo zmoˇzni skalirati le faziˇcne komponente. To se s ˇcasoma in z adaptacijo spremeni, in tako po adap- taciji ponovno doseˇzemo pravilno povezavo med faziˇcno in toniˇcno komponento [23].
Do odstopanj od idealnih ukazov pride tudi pri faziˇcni komponenti. V nor- malnih pogojih sta teˇza in masa linearno povezani, zato lahko centralni ˇzivˇcni sis- tem spremembo gravitacije napaˇcno interpretira kot spremembo mase, kar vpliva na napaˇcno spremenjen dinamiˇcni naˇcrt giba [48]. Do tega pride, ker znotraj naˇsega obiˇcajnega gravitacijskega okolja veˇckrat doˇzivimo spremembe mase, de-
nimo zaradi prenaˇsanja bremena, ne pa tudi sprememb gravitacije. Centralni ˇ
zivˇcni sistem ima tako najverjetneje ˇze neko statiˇcno predstavo gravitacije, po- leg dinamiˇcne, ki izhaja iz sinteze ˇcutov. Taki dvojni mehanizmi, fleksibilni in nefleksibilni, niso redki v ˇcloveˇskem telesu, saj so tudi refleksni gibi posledica avtomatiˇcnih in prilagodljivih ukazov, ki se s ponovitvami kalibrirajo [49, 50, 51].
ˇStudije kaˇzejo na efektivno vkljuˇcevanje gravitacije v naˇcrtovanje in zmanjˇsevanje odstopanja gibov z zadostno prilagodljivostjo, za katero je potrebna le kratka iz- postavljenost novemu gravitacijskem okolju, nekaj 10 s. To zadostuje za delno ali celo popolno adaptacijo, preko uporabe le dinamiˇcne reprezentacije gravitacije [36].
Prav poskusi v brezteˇznosti so najboljˇsi pokazatelj vkljuˇcevanja gravitacije v vizualno-motoriˇcni naˇcrt in dokazujejo, da gravitacija ni le motilni element, saj se razlike med gibi navzgor in navzdol obdrˇzijo v zaˇcetni fazi izpostavljenosti brezteˇznosti [43]. ˇCe centralni ˇzivˇcni sistem gravitacije ne bi upoˇsteval pri mo- toriˇcnih ukazih, bi se v trenutku vstopa v mikrogravitacijo vzpostavila simetrija med gibi v vertikalni ravnini. Dejstvo, da temu ni tako, lahko interpretiramo kot obstoj statiˇcne komponente reprezentacije gravitacije [23, 52, 53].
V zaˇcetni fazi vstopa v mikrogravitacijo se gibi tudi upoˇcasnijo, kar bi lahko bilo zaradi razlike med statiˇcno predstavo gravitacije in zaznano gravitacijo [54].
Ta efekt upoˇcasnitve pa ni prisoten pri hitrih gibih, najverjetneje zato, ker je pri njih moˇcneje zastopana faziˇcna komponenta, ki ni odvisna od gravitacije [23].
Po zaˇcetni fazi vstopa v mikrogravitacijo se priˇcne postopna adaptacija no- vemu gravitacijskem okolju. Hitrost in obseg te adaptacije sta moˇcno odvisna od koliˇcine senzoriˇcnih informacij. Postopno kompenzacijo ob dovoljˇsni senzoriˇcni in- formaciji napoveduje tudi model optimalnega vodenja, ki minimizira energetsko porabo miˇsic in s tem napoveduje uporabo gravitacije za potrebe pospeˇsevanja in pojemanja gibanja, oziroma odsotnost teh zunanjih sil v primeru mikrogra- vitacije [52]. V eksperimentih s pomanjkljivo senzoriˇcno povratno informacijo se efekti spremenjenega okolja ohranijo dalj ˇcasa, ˇse posebej v vertikalni smeri [22, 26, 55]. Adaptacija se najbolj upoˇcasni v primeru odvzete vizualne informa- cije [56], obratno pa lahko s podajanjem novih, dodatnih informacij, ki pomagajo pri predvidevanju prihajajoˇcih sprememb, pohitrimo adaptacijo [57].
1.8 Gibi od toˇcke do toˇcke v mikrogravitaciji 17
Na adaptacijo lahko vplivamo tudi z uporabo robotskega manipulatorja, s katerim lahko kompenziramo spremembo v gravitacijski sili, ki deluje na roko – tako le vestibularna organa zaznavata spremembo v gravitaciji. Da na adaptacijo vpliva sinteza ˇcutil in ne le propriocepcija, so pokazali z uporabo kratke centrifuge, pri ˇcemer se je merjenˇceva glava nahajala v osi rotacije. Tako vestibularna organa nista zaznavala spremembe gravitacije, saj je bila glava v zemeljski gravitaciji, okonˇcine, in s tem ˇcutila propriocepcije, pa so bile v drugaˇcnem gravitacijskem okolju. Pri taki, zelo specifiˇcni, eksperimentalni postavitvi niso zaznali enake adaptacije, kot je bila prisotna v dolgih centrifugah, kjer sta bila in telo in glava v enakem spremenjenem gravitacijskem okolju [58].
Eksperimenti prav tako kaˇzejo, da z dodanim navorom v ramenskem sklepu, ki je enak kot navor, ki ga proizvaja toniˇcna komponenta miˇsiˇcne aktivnosti v zemeljski gravitaciji, v povpreˇcju postanejo kinematiˇcne lastnosti gibov v mikro- gravitaciji primerljive s tistimi v normalni zemeljski gravitaciji [46]. Kljub temu se vpliv kompenzacije sile pri gibih v mikrogravitaciji razlikuje od merjenca do merjenca. Pri veˇcini so kompenzirani gibi res podobni gibom v zemeljski gra- vitaciji, vendar pa nezanemarljivo ˇstevilo merjencev izkazuje opazne razlike v kinematiˇcnih parametrih obojih gibov [14, 45, 59]. Vkljuˇcitev kompenzacije gra- vitacije, napram sami spremembi gravitacije, se v korekciji upoˇsteva nemudoma, saj ni bilo opaˇzenih signifikantnih razlik med prvim in zadnjim gibom tekom kompenzacije [46].
Tako kot lahko kompenziramo gibe v brezteˇznosti z dodajanjem potrebnih navorov v sklepih, lahko v doloˇceni meri aplikacijo sile izvedemo tudi v obra- tni smeri - do neke mere lahko z dodajanjem navorov spremenimo kinematiˇcne parametre gibov tudi v smeri, ki merjenca razbremenijo gravitacije [60]. Z uva- janjem proprioceptivnih draˇzljajev, ki bi jih priˇcakovali v doloˇceni gravitaciji, se gibi spremenijo. Tako kot bi priˇcakovali, ˇce bi bil merjenec v gravitacijskem okolju, katerega simuliramo [36]. Z uporabo simulacije lahko med drugim poma- gamo astronavtom pri hitrejˇsem prilagajanju motoriˇcnih naˇcrtov ter poslediˇcno pripravi na novo gravitacijsko okolje, ki ni zemeljsko, saj preko tega vplivamo na razmerje med fleksibilno in nefleksibilno predstavo gravitacije [46].
2 Metode
Eksperiment je potekal na krovu letala Airbus A310 ZeroG in trajal 3 dni.
Vsak eksperimentalni dan je bil sestavljen iz ˇstirih eksperimentalnih sklopov: me- ritve pred letom, meritve med letom, meritve tik po letu in simulacijske meritve.
Vsak dan so bile v eksperiment vkljuˇcene 3 osebe, ki pred eksperimentom ˇse niso izkusile paraboliˇcnega leta. Skupno je bilo v eksperiment vkljuˇcenih 9 oseb, 2 ˇ
zenski in 7 moˇskih. Vsi merjenci so imeli dominantno desno roko. Njihova pov- preˇcna starost je znaˇsala 29,8 let±7,3 leta, v viˇsino so merili 176,0 cm±10,8 cm, tehtali pa 71,0 kg±15,7 kg. Za namene izraˇcuna kompenzacijske in simulacijske sile je bil izmerjen pribliˇzek toniˇcne sile, s prijemaliˇsˇcem v zapestju, potrebne za ohranjanje roke v horizontalnem poloˇzaju. Ta je v povpreˇcju znaˇsala 18,6 N ± 4,8 N. Kompenzacijsko silo imenujemo tisto silo, ki v spremenjenih gravitacij- skih pogojih, tekom paraboliˇcnega manevra, kompenzira spremembe gravitacije in poskuˇsa, na nivoju zapestja, vzpostaviti razmere enake tistim na Zemlji. Simu- lacijsko silo pa imenujemo tisto silo, ki v normalnih razmerah, na nivoju zapestja, simulira poveˇcano oziramo zmanjˇsano teˇznost.
Pred samim eksperimentom so vsi merjenci opravili zdravniˇski pregled in pod- pisali privolitev v sodelovanje v eksperimentu. Tik pred eksperimentom so se na merjencih opravile fizioloˇske meritve, meritve teˇze, viˇsine, efektivne teˇze roke in obˇcutljivosti blazinic prstov. Prejeli so tudi zdravilo proti slabosti Scopolamin, ki dokazano nima vplivov na psihofiziˇcne zmoˇznosti merjencev [61]. Tekom eks- perimenta se je merilo merjenˇcevo delovanje srca, miˇsiˇcno aktivnost desne roke, silo stiska prsta in kinematiko desne roke.
Z naˇcrtanim eksperimentom smo preuˇcili vplive spremembe gravitacije in zu- nanje perturbacijske sile na izvajanje gibov od toˇcke do toˇcke v vertikalni ravnini.
19
Merjenci so bili posedeni pred zaslon na dotik, kot prikazujeta sliki 2.1 in 2.2, ter z desno roko izvajali gibe iz srediˇsˇca zaslona navzgor in navzdol. Eksperiment je bil voden prek vizualne informacije, pri ˇcemer sta se prikazovali dve vrsti tarˇc – zaˇcetna tarˇca in konˇcne tarˇce. Zaˇcetna tarˇca je bila vedno na istem mestu, postavljena na sredino ekrana, in je predstavljala izhodiˇsˇce, ki je bilo v viˇsini ramenskega sklepa. Konˇcne tarˇce so se nahajale vertikalno pod in nad zaˇcetno tarˇco ter se prikazovale, v psevdonakljuˇcnem vrstnem redu, na skupno 14 moˇznih pozicijah. Merjenec je dobil navodila, da gib priˇcne z dotikom zaˇcetne tarˇce in, da se mora konˇcne tarˇce, ko se ta pojavi, dotakniti ˇcim hitreje in ˇcimbolj v sredini.
Konˇcna tarˇca se je pojavila po dotiku zaˇcetne tarˇce in obratno, zaˇcetna tarˇca se je pojavila po dotiku konˇcne tarˇce.
Slika 2.1: Shematski prikaz eksperimentalne postavitve z merjencem, dvema motorjema, oznaˇcenima z M, in treh Vicon kamer.
2.1 Eksperimentalna postavitev 21
2.1 Eksperimentalna postavitev
Slika 2.2: Eksperimentalna postavitev, z merjencem posedenim v dirkaˇski stol in aluminijasto nosilno strukturo, na kateri sta dva motorja (viden le zgornji) in zaslon na dotik.
Eksperimentalna postavitev je bila sestavljena iz dirkaˇskega stola s ˇstiritoˇckovnim pasom, ki onemogoˇci neˇzeleno gibanje merjenca, predvsem v mi- krogravitaciji, in aluminijaste strukture, na katero sta bila priˇcvrˇsˇcena dva mo- torja in zaslon na dotik. Stol in aluminijasta konstrukcija sta poravnana, s tem pa je poravnan tudi zaslon na dotik, motorja pa sta glede na merjenca zama- knjena v desno, in tako poravnana z merjenˇcevo desno roko. Merjenec je tekom eksperimenta pripet v stol, nogi ima iztegnjeni desno in levo od aluminijaste strukture ter privezani na aluminijasto strukturo (da se izognemo lebdenju noge v mikrograviticiji), desno roko pa privezano na vrviˇcno izvodila obeh motorjev.
Eksperimentalno postavitev, skupaj z merjencem, prikazuje slika 2.2.
Elektriˇcne komponente so bile povezane kot prikazuje slika 2.3. Poleg predsta- vljene sheme sta bila prisotna dva samostojeˇca sistema: en za zajem kinematike gibanja roke in drug za zajem delovanja srca.
Slika 2.3: Shema elektriˇcnih komponent in njihovih povezav.
Za pogon sta bila uporabljena dva elektriˇcna motorja (EMMS-AS-55-S- TM, Festo, Esslingen, Nemˇcija), povezana preko neelastiˇcne vrvice (Dyneema® 1.5 mm, YSM and Partners, Dobra, Poljska) in vsak zmoˇzen generiranja 50 N vleˇcne sile. Prvi motor je bil priˇcvrˇsˇcen na aluminijasto talno ploˇsˇco in je ge- neriral silo v smeri gravitacije, drugi pa je bil priˇcvrˇsˇcen 1,50 m nad prvim in generiral silo v nasprotni smeri gravitacije.
Slika 2.4: Mikroraˇcunalnik RaspberryPi 3B+ z ohiˇsjem, v katerega je bil priˇcvrˇsˇcen.
2.1 Eksperimentalna postavitev 23
Za grafiˇcni vmesnik eksperimenta je skrbel mikroraˇcunalnik (RaspberryPi 3B+, Raspberry Pi Foundation, Cambridge, Zdruˇzeno Kraljestvo), ki je prikazo- val vizualne tarˇce na zaslonu na dotik (Iiyama ProLite T2435MSC-B2, Iiyama, Tokio, Japonska) z dimenzijami slike 520 mm x 300 mm, postavljenim v portretni naˇcin. Mikroraˇcunalnik je prikazan na sliki 2.4, zaslon na dotik pa na sliki 2.5.
Slika 2.5: Zaslon na dotik, priˇcvrˇsˇcen na aluminijasto ogrodje, z aktivnim grafiˇcnim uporabniˇskim vmesnikom. Na zaslonu je prikazana siva zaˇcetna tarˇca.
Vidne so vse tri odsevne znaˇcke, nameˇsˇcene na ekran (desni zgornji kot, levi zgor- nji kot in levi spodnji kot). Na sredini slike je vidna ˇse Velcro zanka, namenjena fiksaciji zapestja in prenosu sile med motorji in desno roko merjenca.
Na mikroraˇcunalniku se je izvajal Python program, ki je skrbel za beleˇzenje dotikov zaslona. Program je deloval kot avtomat stanj (ang. state machine), ki je prehajal med stanji na podlagi komunikacije z glavnim raˇcunalnikom ter ˇ
casovnikom in preko interakcij z zaslonom. Vizualizacijo moˇznih stanj vidimo na sliki 2.6, ta stanja pa so sledeˇca:
stanje mirovanja: program ne prikazuje niˇcesar,
zaˇcetno stanje: program prikazuje zaˇcetno tarˇco, sive barve in premera 30 mm,
konˇcno stanje: program prikazuje konˇcno tarˇco, rdeˇce barve in premera 10 mm.
Slika 2.6: Slika zaslona, kot ga je videl merjenec. Levo: zaslon ko je prikazana zaˇcetna tarˇca – siva. Desno: zaslon ko je prikazana konˇcna tarˇca – rdeˇca. ˇCrtkani rdeˇci krogi predstavljajo ostale moˇzne pozicije konˇcne tarˇce in na zaslonu niso bili vidni.
Program je v neskonˇcnem teku in brez zunanjih ukazov v stanju mirovanja, kjer ˇcaka na ukaz s strani glavnega raˇcunalnika, da se je eksperiment zaˇcel. Ko ta ukaz dobi, se prestavi v zaˇcetno stanje. Kadarkoli program tekom eksperimenta prejme ukaz, da se je eksperiment zakljuˇcil, pa se iz kateregakoli stanja vrne v stanje mirovanja, kjer ˇcaka na ponovni priˇcetek. Ko je program v zaˇcetnem stanju, je na ekranu (vertikalno na polovici ekrana in horizontalno na 5/6 ekrana, zamaknjeno v desno) prikazana zaˇcetna tarˇca sive barve. Program ob prvem dotiku ekrana znotraj zaˇcetne tarˇce doloˇci nakljuˇcen ˇcas zakasnitve med 0 in 500 ms, ter tekom tega ˇcasa zakasnitve preverja vzdrˇzevanje dotika znotraj tarˇce.
Ce se po preteˇˇ cenem ˇcasu dotik ekrana ni spremenil, se program premakne v naslednje stanje. V nasprotnem primeru se ˇcas ponastavi, merjenec pa mora ponovno obdrˇzati stik z ekranom znotraj tarˇce tekom celotnega ˇcasa zakasnitve.
2.1 Eksperimentalna postavitev 25
Ko je program v konˇcnem stanju, je na ekranu prikazana konˇcna tarˇca. Pozicija te tarˇce je izbrana iz seznama tarˇc, ki je generiran tako, da zadosti obˇcutku merjenca za nakljuˇcnost, hkrati pa zagotovi enakomerno porazdelitev tarˇc, tudi v zelo kratko trajajoˇcem eksperimentu. Moˇznih lokacij konˇcne tarˇce je 14, 7 nad in 7 pod zaˇcetno tarˇco, simetriˇcno, z odmikom od zaˇcetne tarˇce med 80 mm in 200 mm, s korakom 20 mm. Program ob prehodu v konˇcno stanje zaˇzene ˇcasovnik in v tem stanju ostane najveˇc eno sekundo, nato pa se vrne v zaˇcetno stanje. Ob dotiku ekrana v radiju 60 mm od srediˇsˇca konˇcne tarˇce, se program premakne nazaj v zaˇcetno stanje.
Vsi prehodi stanj se dokumentirajo tako, da se shrani ˇcas njihovega nastopa, lokacijo dotika, ˇcas zakasnitve in morebitni preteˇceni ˇcas ene sekunde. Ti podatki se shranijo lokalno na mikroraˇcunalniku ter se, preko UDP komunikacije, poˇsljejo glavnemu raˇcunalniku.
Slika 2.7: Mikroraˇcunalnik formata PC104, ki deluje kot glavni raˇcunalnik eks- perimentalne postavitve.
V vlogi glavnega raˇcunalnika, ki je nadzoroval izvajanje eksperimenta in shra- njevanje podatkov, je bil uporabljen namenski mikroraˇcunalnik oblike PC104 (Advantech PCM-3355, Advantech Co., Taipei, Tajvan), prikazan na Sliki 2.7.
Raˇcunalnik je deloval v naˇcinu “XPC target”, na katerem se je izvajala Si-
mulink realnoˇcasovna shema. Naloga Simulink sheme je bila povezati zunanje komponente prek razliˇcnih komunikacijskih protokolov, krmiliti vodenje motor- jev in shranjevanje zajetih podatkov. Glavni raˇcunalnik je nadzoroval delova- nje RaspberryPi-a, prek Ethernet protokola in UDP povezave, s kontrolnimi sporoˇcili, hkrati pa shranjeval prejete asinhrone podatke o dotikih zaslona na dotik s ˇcasovnimi znaˇckami, ki so bile kasneje uporabljene za sinhronizacijo po- datkov.
Glavni raˇcunalnik je zunanje signale sprejemal preko dveh razˇsiritvenih kartic za zajem digitalnih in analognih signalov (Sensoray Model 526, Sensoray Co., Ti- gard, Oregon, ZDA), pri ˇcemer vsaka omogoˇca zajem osmih diferencialnih analo- gnih signalov in osmih digitalnih signalov. Slika 2.8 prikazuje eno od uporabljenih kartic.
Slika 2.8: Razˇsiritvena kartica Sensoray formata PC104, ki se preprosto natakne na glavni raˇcunalnik.
Na digitalne vhode so bila prikljuˇcena stikala za upravljanje z eksperimentom:
stikalo za priˇzig raˇcunalnika, stikalo za priˇzig motorjev, in s tem zagotavljanje na- petosti v povezovalni vrvici, ter stikalo za vklop kompenzacije gravitacije. Poleg stikal, so bile prikljuˇcene tudi informativne LED diode, ki so operaterju sporoˇcale stanje glavnega raˇcunalnika. Na analogne vhode so bile povezane 4 elektromio-
2.1 Eksperimentalna postavitev 27
grafske (EMG) elektrode ter ojaˇcan izhod 6 osnega merilnika sile.
Preko serijskega prikljuˇcka je bila na glavni raˇcunalnik prikljuˇcena inercialna merilna enota (IMU) (MTi, Xsens, Enschede, Nizozemska), ki je podatke o gra- vitacijskem pospeˇsku posredovala glavnemu raˇcunalniku s frekvenco 100 Hz. Ti podatki o pospeˇsku so bili uporabljeni za doloˇcanje magnitude trenutnega gravita- cijskega okolja. IMU je bila nameˇsˇcena na aluminijasto ogrodje eksperimentalne postavitve in tako ni bila v stiku z merjencem, ampak je merila pospeˇske letala.
Slika 2.9: Razˇsiritvena kartica za komunikacijo prek CAN vodila, formata PC104, ki se prav tako natakne na glavni raˇcunalnik.
Preko CAN prikljuˇcka, je glavni raˇcunalnik z uporabo razˇsiritvene kartice za CAN komunikacijo (Softing CAN-AC2-104, Softing, Haar, Nemˇcija), prikazane na sliki 2.9, komuniciral z gonilniki motorjev (CMMP-AS-C2-3A, Festo, Esslingen, Nemˇcija). Za motorja je bil spisan odprtozanˇcni proporcionalni krmilnik, ki je raˇcunal ˇzelene sile po enaˇcbi (2.1):
F= (gˇzelena−gtrenutna)·m (2.1)
pri ˇcemergˇzelena predstavlja ˇzeleno gravitacijo, ki je enaka trenutni gravitaciji, ˇ
ce je stikalo za kompenzacijo izklopljeno, ali enaka zemeljski gravitaciji, ˇce je
stikalo vklopljeno,gtrenutnapredstavlja trenutno gravitacijo, pridobljeno iz meritev pospeˇskomera, in m maso roke trenutnega merjenca, ki je bila izmerjena pred samim eksperimentom.
Ker sta motorja proizvajala le vleˇcno silo in nista bila zmoˇzna proizvajati potisne sile, sta delovala kot par agonist–antagonist, kjer je izmeniˇcno en motor vlekel, drugi pa sproˇsˇcal napetost, podobno kot pri ˇcloveku povezan par miˇsic, denimo biceps in triceps. ˇCe je bila izraˇcunana sila pozitivna, se je ukaz poslal na zgornji motor, ˇce pa je bila negativna, se ga je poslalo na spodnjega, upoˇstevajoˇc da je vrednost gtrenutna v normalnih pogojih na Zemlji -9,81 m/s2. Da pa za- gotovimo konstantno napetost v povezovalni vrvici in zvezne premike le–te, oba motorja konstantno proizvajata 10 N vleˇcne sile.
2.2 Biofiziˇ cne meritve
Tekom eksperimenta se je merilo merjenˇcevo miˇsiˇcno aktivnost, srˇcno aktiv- nost, sile v prstih ter kinematiko desne roke.
Merjenje miˇsiˇcne aktivnosti je bilo izvedeno z uporabo ˇstirih EMG elektrod.
EMG elektrode so merile spremembe elektriˇcnega potenciala na koˇzi zaradi ak- tivnosti miˇsic, pri ˇcemer je sprememba potenciala premosorazmerna z silo, ki jo miˇsica proizvaja. Merili smo aktivnost ˇstirih miˇsic, ki so najbolj vkljuˇcene v gib.
Te miˇsice so bile velika prsna miˇsica (m. pectoralis major), zgornja vlakna tra- pezaste miˇsice, (m. trapezius superior) ter sprednja in zadnja vlakna deltaste miˇsice (m. deltoideus anterior, posterior). EMG elektrode so bile pritrjene po priporoˇcilih SENIAM [63], pritrditev treh elektrod pa je razvidna s slike 2.10.
Izhodi EMG elektrod so bili povezani na skupno maso ter nato prikljuˇceni na analogne vhode Sensoray kartice, ki je vzorˇcila EMG meritve s 1000 Hz.
Merjenje srˇcne aktivnosti je bilo izvedeno z dvotoˇckovnim elektrokardiogram- skim (EKG) merilcem. Podobno kot EMG, so EKG elektrode merile spremembe elektriˇcnega potenciala na koˇzi, ki so bile posledica aktivnosti srˇcne miˇsice.
Casovni potek elektriˇˇ cnih sprememb nam prikazuje delovanje srca, zaporedje krˇcenja ventriklov in prekatov ter frekvenco bitja srca. Uporabljeni EKG me- rilec je imel vgrajen pospeˇskometer, ki je uporabljen za sinhronizacijo meritev
2.2 Biofiziˇcne meritve 29
EKG z glavnim raˇcunalnikom, saj je EKG merilec samostojna enota, nepovezana z glavnim raˇcunalnikom, in kot tak sam shranjuje svoje podatke.
Slika 2.10: Postavitev elektrod in odsevnih znaˇck. Vidne so tri EMG elektrode (zelena barva) nameˇsˇcene na trapezno miˇsico (zgoraj), deltoidno miˇsico (levo) in prsno miˇsico (spodaj). Vidni sta tudi odsevna znaˇcka priˇcvrˇsˇcena na ramo (siva krogla, levo zgoraj) in ena od dveh EKG elektrod s prikljuˇceno EKG merilno enoto (rdeˇca barva, desno).
Slika 2.11: Levo: merilnik sile, sestavljen iz valja za prijem in preˇcno vstavljenega
“stylus” pisala. Desno: merilnik sile, kot je bil uporabljen tekom eksperimenta, z vidnima dvema odsevnima znaˇckama.
Merjenje sile v prstih je bilo izvedeno z po naroˇcilu narejenim 6 osnim me- rilnikom sile, prikazanim na sliki 2.11. Oblika merilnika je bila zasnovana tako, da je omogoˇcala ergonomski prijem, s teˇziˇsˇcem v srediˇsˇcu merilnika, ter vsebo- vala “stylus” pisalo, ki je omogoˇcalo interakcijo z zaslonom na dotik. Merilnik je meril sile v vseh treh karteziˇcnih koordinatah ter navore okoli vseh treh kar- teziˇcnih osi. Tako je deloval kot pritiskovna ploˇsˇca, pri ˇcemer smo lahko izraˇcunali lokacijo in silo na merilnik, ter spremljali ˇcasovno spreminjanje teh parametrov, denimo pri drsenju prstov. Izhod merilnika sile je bil ojaˇcan z instrumentacijskim ojaˇcevalnikom in nato povezan na analogne vhode Sensoray kartice, ki je vzorˇcila meritve sile s 1000 Hz.
Merjenje kinematike gibanja desne roke je bilo izvedeno z uporabo treh in- frardeˇcih kamer (Bonita, VICON, Oxford, England), prikazanih na sliki 2.12, ki so bile zaradi prostorskih omejitev postavljene desno od merjenca, na viˇsini 1,57 m, tako kot je prikazano na sliki 2.13. Uporaba veˇc kamer je omogoˇcila natanˇcen izraˇcun pozicije odsevnih znaˇck.
Slika 2.12: Infrardeˇca kamera Vicon uporabljena za zajem pozicije odsevnih znaˇck, z oznaˇceno dimenzijo kamere.
Uporabljene so bile pasivne krogeljne odsevne znaˇcke, ki so bile pritrjene na merjenca, merilec sile ter ekran na dotik. Za koordinatno izhodiˇsˇce so bile uporabljene tri znaˇcke na ekranu, levo zgoraj, desno zgoraj in desno spodaj, saj
