КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Инерциальные измерения в организме позвоночных
Позвоночные являются наиболее развитыми и маневренными животными. Они обладают инерциальными органами чувств, имеющими единый принцип построения. Инерциальные измерители у позвоночных животных сосредоточены в особом анализаторе, который включает в себя два вестибулярных аппарата (левый и правый), нервные узлы и ядра, в которых осуществляется обработка инерциальной информации. Вестибулярные аппараты разнесены на некоторую базу и повернуты зеркально-симметрично относительно центра головы (рис. 15, а). Располагаются вестибулярные аппараты в одной плоскости со зрительными органами, а база между ними равна расстоянию между оптическими осями глаз. По своему устройству вестибулярный аппарат представляет собой тонкостенную замкнутую полость, заполненную жидкостью и подвешенную посредством соединительных перемычек в костном футляре. Между костным футляром и кожистой стенкой вестибулярного аппарата также содержится жидкость, защищающая внутренние чувствительные элементы от шумов и вибраций. Вестибулярная полость имеет форму лабиринта, в каждой полости которого располагается инерциальный биодатчик. Полости отделены друг от друга узкими каналами, в которых находятся клапаны, которые препятствует быстрому перетеканию жидкости.
а) б) в)
Рис. 15. Инерциальная система человека.
Вестибулярный аппарат включает несколько биодатчиков, воспринимающих активные силы, моменты, давление и вибрации. Конкретный состав органов определяется задачами управления и пространственной ориентировки, решаемыми данным видом живого существа. У человека вестибулярный аппарат включает (рис. 15, б) три датчика угловых ускорений (полуокружья), один двухосный акселерометр (утрикулус) и один многофункциональный датчик (саккулус), выполняющий функции одноосного акселерометра и вибрационного скоростного гироскопа. Оси чувствительности полуокружий ориентируются в трех взаимно перпендикулярных направлениях и повернуты зеркально симметрично относительно плоскости симметрии головы человека. Вследствие этого они выдают информацию о трех составляющих вектора углового ускорения на оси связанных систем координат. Утрикулус измеряет горизонтальную, саккулус – вертикальную составляющие вектора линейного ускорения от активных сил, действующих на голову. Разделение вертикального и горизонтального каналов измерения линейных ускорений в вестибулярном аппарате целесообразно, поскольку горизонтальная составляющая вектора ускорений вызывается движениями человека и, как правило, незначительна по величине и кратковременна по длительности. Вертикальная составляющая обусловлена действием реакции опоры, противодействующей силе гравитационного притяжения. Эта составляющая значительна и действует непрерывно.
Разделение измерения линейных ускорений также упрощает алгоритм управления угловой стабилизацией головы тела человека. Левый и правый утрикулусы физически воспроизводят направление результирующей активных сил, которое является положением устойчивого равновесия для тела человека, и поэтому моделируют главную ось базовой системы пространственной ориентации человека – направление биологической вертикали. Саккулусы измеряют скорость “рыскания” и углы поворота головы в азимуте, то есть выполняют функцию курсового гироскопа (рис. 15, в). Таким образом, в каждом вестибулярном аппарате моделируется вторая ось базовой системы координат – заданное направление в азимуте. Система стабилизации головы. Фронтальные угловые ускорения головы являются существенным возмущающим фактором для саккулусов как курсового гироскопа, поэтому в вестибулярном аппарате организована особая система стабилизации, обеспечивающая снижение влияния возмущающих моментов на эти биодатчики. В качестве источников информации эта система использует сигналы полуокружных каналов, а роль исполнительных элементов выполняют шейные мышцы головы.
Система стабилизации включается, когда человеку необходимо двигаться, строго выдерживая заданное направление в азимуте. Из нервных ядер вестибулярных аппаратов в центр управления движением головы поступает сигнал о величине фронтального углового ускорения головы. Если такие угловые движения отсутствуют, то измерительные сигналы от саккулусов поступают в центры управления движением человека. При появлении возмущающего момента связь саккулусов с центром управления движением прерывается, процесс управления блокируется, человек теряет равновесие и вынужден остановиться и зафиксировать положение головы. В случаях, когда требования к точности движения по заданному курсу высоки (например, при хождении по канату, гимнастическому бревну и т.п.), система стабилизации воздействует на мышцы шеи и тела с целью увеличения момента инерции вокруг фронтальной оси, что обеспечивает более высокую точность управления. Таким образом, голова человека для вестибулярного анализатора выполняет функцию стабилизированной платформы. В процессе движений она выдерживается в определенном положении, обеспечивающем оптимальные условия работы вестибулярных органов чувств: оси чувствительности измерителей ориентируются параллельно измеряемому вектору, демпфируются большие колебания тела, минимизируются воздействия кориолисовых и других возмущающих моментов. Система контроля вибраций жидкости. Связь вестибулярного и слухового аппаратов имеет весьма важное функциональное назначение для инерциальных измерений. Энергия звука, проникая сквозь систему клапанов, вызывает вибрацию жидкости в вестибулярной полости, что повышает чувствительность инерциальных биодатчиков, уменьшает погрешности, вызванные силами трения застоя, а также снижает влияние гистерезиса упругих связей рецепторных клеток. Звукоизоляция ушных отверстий или отсутствие акустических сигналов в окружающей среде значительно ухудшают характеристики всех вестибулярных измерителей, что проявляется в неуверенности при движениях и в нарушении до некоторой степени координации движений.
С другой стороны, чрезмерно сильные звуки, воздействуя на отолитовые пластины, увеличивают погрешности инерциальных измерений, а инфразвуки, частоты которых близки к собственным частотам вестибулярных измерителей, вызывают резонансные явления и могут разрушить эти органы чувств. Для защиты биодатчиков от чрезмерных звуковых воздействий в вестибулярных аппаратах имеется система контроля уровня вибраций жидкости. Измерительная часть этой системы, включает несколько вибродатчиков, распределенных по отдельным полостям вестибулярного аппарата. Каждый вибродатчик представляет собой бугорок, состоящий из желеобразной массы и пронизаный упругими волосками рецепторных клеток. Сигналы от вибродатчиков используются для регулировки пропускной способности клапанов, распределенных внутри вестибулярных полостей. Клапаны обеспечивают проникновение определенной порции звуковой энергии из слухового аппарата в вестибулярную полость. Тем самым инерциальным измерителям создаются оптимальные условия функционирования.
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 308; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |