1.3 Принципи сприйняття, обробки інформації і керування

1.3.1. Загальні відомості

     Як уже було відзначено раніше, роботів створювали з метою замінити людину в тих випадках, коли вона по тим або іншим причинам не може взяти безпосередню участь у виконанні досить складних операцій. Антропологічний підхід до термінології в робототехніці заснований на використанні прийнятих у біології, біофізиці й психології термінів для позначення відповідних робото-технічних категорій. У результаті виникли такі поняття, як сприйняття інформації роботом, прийняття їм рішень, штучний інтелект робота й т.п. Антропологічний підхід, що, можна назвати біонічним, був застосований при класифікації датчиків. У його основі лежить принцип заміщення або посилення деякої сенсорної функції людини.

     У ході еволюції у всіх організмів розвилися спеціалізовані сенсорні органи, влаштовані так, щоб оптимальним чином відповідати на певні стимули. Ці органи підрозділяють на три групи. Екстероцептори - це рецептори, які стимулюються навколишнім середовищем; вони беруть участь у реалізації слухової, візуальної і тактильної сенсорних функцій. Пропріоцептори визначають варіації довжини м'язів, натягу сухожиль і інших параметрів положення й руху. Ці рецептори беруть участь у формуванні кінестатичної та тактильної сенсорних функцій. До групи пропріоцепторів відноситься й вестибулярний апарат. Інтероцептори реєструють інформацію, що надходить від внутрішніх органів тіла. Це, зокрема, датчики температури, кров'яного тиску, складу крові й т.п. Більша частина інформації, що посилається в центральну нервову систему інтеро- і пропріоцепторами, не сприймається свідомістю.

     Сприйняття зовнішнього світу людиною здійснюється через шість основних каналів сенсорної рецепції, що утворять розподілену інформаційну мережу. Це канали органів почуттів - слух, зір, дотик, терморецепція, нюх і смак. У кожному з них збудження реєструється системою ЧЕ (рецепторів), специфічних для різних сенсорних модальностей, і передається по каналу зв'язку (нервовому волокну) у вигляді потенціалів дій. Система рецепторів кожної модальності пов'язана з певними відділами центральної нервової системи. Вид каналів зв'язку основних сенсорних модальностей наведено на рис. 1.4.

     Розпізнавання сенсорного образа у людини є результатом спільної роботи інформаційної системи й мозку. Значна частина інформації обробляється вже на рівні рецепторів. При цьому можливості рецепторів по передачі інформації істотно перевищують можливості інформаційної системи по її переробці, а отже, пропускна здатність рецепторних нейронів визначає максимальний потік інформації. Таким чином, кількість інформації надмірна й вона повинна бути скорочене завдяки попередній обробці в процесі передачі від рецепторів до мозку.

     Головна функція обробки інформації на рівні рецепторів полягає у виділенні певних важливих сторін і властивостей сигналів, які поступають ззовні, і усуненні надмірності. Найважливішим завданням тут є виділення контрасту стимулу. Інформація про стимул, який усе триває й триває, мозку потрібна істотно менше. Наприклад, у зорі основне значення має контурна інформація.

     У всіх типах рецепції діють загальні принципи інтегрального опису стимулів, засновані на аналізі їхніх ознак.

     Зупинимося на цьому більш докладно. Одним з основних принципів є використання декількох типів відчуттів для формування всієї їхньої розмаїтості. Всю гаму смакових відчуттів уявляють у вигляді суперпозиції чотирьох основних смакових якостей: солодке, солоне, кисле й гірке. У цьому легко переконатися при аналізі органа смаку. Так, кінчик язику чутливий до солодкого і солоного, бічні його поверхні - до кислого, а спинка - до гіркого. Смак будь-якої речовини імітується змішуванням двох-трьох основних якостей смаку. Приблизно такі ж принципи й з нюхом. Людина здатна розпізнати запах біля сотні тисяч різних речовин, однак на відміну від смаку, що характеризується абстрактним поданням, наприклад про кислий, подання про запахи конкретні й пов'язані з якою-небудь речовиною (мигдалем, камфорою й ін.). Відповідно до пануючої в цей час стереохімічної теорії нюху Монкриффа - Эймура, виділяють сім первинних запахів: мускусний, камфорний, квітковий, ефірний, м'ятний, гострий і гнильний. З'ясувалося, що речовини, які відносяться до однієї групи, мають подібність у стереомоделі. Зокрема, для молекул речовин, що володіють камфорним запахом, характерні округла форма й розмір близько 1 нм. Передбачається, що існує від 4 до 12 типів рецепторів, що відповідають основним запахам.

     Найважливішу роль в підвищенні чуття робота грають кінестетичні сенсори. Кінестетична функція служить для забезпечення погоджених рухів опорно-рухового апарата людини. Вона реалізується нелокалізованою системою рецепторів, у якій досить складно виділити окремі датчики параметрів. З позиції біоніки кінестетичні рецептори, що знаходяться в кожному м'язі, є інформаційними елементами виконавчого рівня керування (як би датчиками відповідних контурів регулювання). Вони реєструють зміни відносного положення окремих елементів рухової системи. Кінестетична функція, пов'язана із забезпеченням належної орієнтації в просторі всього організму, реалізується вестибулярним апаратом. У цьому змісті він відповідає інформаційній системі тактичного рівня керування. Його функціонування здійснюється під керуванням нервової системи.

     Виконавчим механізмом організму є кістяк, рухова активність якого формується за допомогою зв'язок та суглобів (кінематичних пар), а також м'язів (приводів).

     М'язова тканина являє собою найважчий і об'ємний орган. На кістяку міститься 639 м'язів. Кожний грам м'язів містить близько 5000 нервових волокон, що зв'язують їх з мозком. Приводна система організму має досить високу потужність.

     У фізіології кінестетичну сенсорну функцію зв'язують із рецепторами трьох підсистем: м'язової й сухожильної (вони контролюють характеристики переміщення, швидкості й зусилля), шкірної (пов'язаної з виміром параметрів тиску й проковзування) і вестибулярним апаратом. Відносячи шкірну підсистему до розділу тактильної рецепції, можна вважати, що стосовно до робота кінестетична функція описується в термінах пози й руху. Почуття пози визначається кутами між суглобами, воно дозволяє, наприклад, синхронізувати рух обох рук у тестах із зав'язаними очами. Почуття руху пов'язане зі сприйняттям напрямку й швидкості відносного переміщення суглобів. Амплітудний поріг цього сприйняття залежить від кутової швидкості. Так, для плечового суглоба при мінімальній кутовій швидкості руху 0,06 рад/с він становить 2-4 , а при кутовій швидкості 1,7 рад/с - близько 30 . Почуття сили відчувається як ступінь м'язового зусилля, необхідного для виконання руху й підтримки пози. Завдяки йому людина може оцінити, наприклад, різницю мас предметів при їх «зважуванні» обома руками, що не перевищує 3...10 %.

     Найважливішу роль у кіностетичній функції грають м'язові веретена, що являють собою рецептори розтягання. Інша численна група рецепторів - сухожильні органи (або рецептори Гольджі). Розташовуються вони в сухожиллях всіх м'язів і також являють собою рецептори розтягання.

     Передача інформації в кінестетичній системі здійснюється шляхом частотно-імпульсної модуляції: під час розтягання рецепторів частота імпульсації збільшується. При цьому м'язові веретена збуджуються головним чином при зміні довжини м'яза, а сухожильні органи - при її напрузі. Отже, у кожного м'яза є дві системи зворотного зв'язка: регуляція довжини з м'язовими веретенами як датчики положення й регуляція напруги, датчиками в якій служать сухожильні органи. З позицій теорії керування наявність двох таких контурів дозволяє контролювати зміну навантаження на м'яз зміною або її довжини при кінцевій напрузі (ізотонічно), або напруги при постійній довжині (ізометрично) м'яза. Можливо, що в такий спосіб підтримується сталість твердості м'яза, обумовлена як відношення зміни напруги до зміни довжини.

     Вестибулярний орган, відповідальний за почуття рівноваги, філогенетично близький органу слуху. Вестибулярний апарат складається із заповнених рідиною (ендолімфою) отолітового апарата й напівкружних каналів. В отолітовому апарату перебуває желеобразна структура із включеннями кам'янистих утворень, що одержала назву отолітової мембрани. Переміщення мембрани (її густина становить близько 2,5 ) в ендолімфі під дією сили ваги сприймається рісничками. Рецептори формують імпульсні посилки в будь-якому положенні вестибулярного органа. Поворот голови в одному напрямку збільшує частоту імпульсації, поворот в іншому - зменшує. Таким чином, при будь-якій орієнтації голови виникає специфічна картина збудження нервових волокон. Дана система може визначити положення організму в полі дії сил. Оскільки в повсякденному житті прискорення сили ваги набагато перевищує інші прискорення (наприклад, що виникають при розгоні автомобіля), останні грають для вестибулярної системи підлеглу роль. Напівкружні канали, розташовані в трьох взаємно перпендикулярних площинах і також заповнені ендолімфою, містять желеобразну структуру - купулу, щільність якої дорівнює щільності ендолімфи. Канали діють як замкнуті кругові трубки. Внаслідок рівності густин купули й ендолімфи лінійні прискорення, включаючи гравітаційні, на цей орган не впливають. При поворотах же голови (і напівкружних каналів) у результаті інерційності виникає різниця тисків з обох сторін купули, вона відхиляється убік, протилежний руху, збуджуючи тим самим відповідні ріснички. При обертанні голови щодо будь-якої діагональної осі мозок, виконуючи векторний аналіз інформації, визначає щиру вісь обертання. Купулярна система досить точна (фіксується поворот на кут, рівний 0,005 ), але інерційна (її постійна часу ).

     Для звукового сприйняття характерні чотири виміри: обсяг, гучність, щільність і висота. Ці суб'єктивні властивості звуку визначаються двома фізичними змінними сигналу: його амплітудою й частотою.

     Слуховий апарат тварин і людини складається із трьох основних частин: зовнішнього, середнього й внутрішнього вуха. Зовнішнє вухо являє собою резонатор; у людини він має власну резонансну частоту близько 3 кГц. Середнє вухо містить систему дрібних кісточок - молоточок, наковаленка й стремінце, відділені від зовнішнього вуха барабанною перетинкою. Абсолютна чутливість вуха досить велика. Людина, наприклад, здатна чути удари молекул повітря об барабанну перетинку. Діапазон амплітуд коливань барабанної перетинки становить . Внутрішнє вухо - равлик - являє собою спірально закручений кістковий канал (у людини він має 2,5 витки, у тварин до 5). У равлику перебуває основний орган слуху - базилярна мембрана з розташованими на ній волосяними рецепторами. Для пояснення ефекту слуху використовують теорію « хвилі, що біжить» Д. Бекеші, відповідно до якої при сприйнятті звуку на базилярній мембрані виникає хвиля, що рухається від основи равлика до її вершини. Амплітуда хвилі, що біжить, залежить від твердості мембрани в конкретній точці. Таким чином, базилярна мембрана являє собою своєрідний фільтр, у якому високочастотні коливання поширюються лише в області, де твердість мембрани висока, а низькочастотні проходять всю мембрану, аж до її вершини.

     Поріг чутності (мінімальний рівень звукового тиску) залежить від частоти звуку. Людське вухо найбільше відчутно в діапазоні частот 2000...5000 Гц. Гучність звуку (рівень звукового тиску) є амплітудною характеристикою. Звуки рівної гучності чуються по-різному залежно від їхньої частоти. Поріг розрізнення частот досить суб'єктивний і залежить від частоти сигналу. При оптимальній частоті 1000 Гц він становить 0,3 % або 3 Гц.      Слухова орієнтація в просторі визначається бінауральним ефектом. Він заснований на тім, що відстані від кожного вуха до джерела звуку різні, а отже, різні рівні звукових тисків у барабанних перетинках.

     Візуальні аналізаторні системи людини - це складні багаторівневі утворення, що служать для аналізу оптичних сигналів. Те, що сприймається зором, є результат взаємодії сенсорних і рухових механізмів ока й центральної нервової системи, оскільки як довільні, так і мимовільні рухи очей і голови змушують зображення зміщатися кожні 200...600 мс. Мозок створює цілісну картину з послідовності дискретних зображень. Рухи, що змінюють напрямки погляду, встановлюють око в таке положення, при якому зображення попадає в ту точку сітківки, де гострота зору максимальна. Великий об'єкт сканується оком внаслідок різких стрибків - саккад з амплітудою від декількох кутових хвилин до 90 і кутовою швидкістю до 9 рад/с. Стосовно до дрібних об'єктів характерні мікро-саккади із частотою 20... 150 Гц і амплітудою в кілька кутових хвилин. У той же час при скануванні об'єктів, що швидко рухаються (зі швидкістю більше 1,5 рад/с) око відстає й зображення «розмивається», тобто не попадає в область максимальної гостроти зору.

     Зорова система організована за явно вираженому ієрархічним принципом. Її основними рівнями є: фоторецептори сітківки ока, зоровий нерв, область перетинання зорових нервів (хіазму), зоровий канатик (місце виходу зорового шляху з області хіазми), а також нервові шляхи до зорової кори головного мозку.

     Сітківка ока являє собою дуже складний орган. Її рецепторний шар містить два типи рецепторів: біля колбочок (утворюючих апарат денного, фотопічного зору) і біля паличок ( що відносяться до апарату сутінкового, скотопічного зору). Колбочки й палички нерівномірно розподілені в різних областях сітківки. Колбочок значно більше в її центральній частині - центральній ямці й жовтій плямі, тобто в зоні максимально ясного зору. Палички тут відсутні, вони розподілені навколо ямки. Жовта пляма трохи зрушена убік від місця виходу зорового нерва. Ця зона, де рецепторів ні, називається сліпою плямою.

     Людина ставиться до числа так званих фронтальних ссавців, у яких зорові поля перекриваються. Це дозволяє людині виконувати точні маніпуляції руками під контролем зору й забезпечує точність і глибину бачення (стереоскопічне, або бінокулярний зір). Бінокулярний зір характеризує можливість змішення образів об'єкта, що виникають у кожній сітківці. Зона перекриття зорових полів обох очей близько 120 , у той час як зона монокулярного бачення становить близько 30 для кожного ока (саме такий кут зору має око щодо його центральної точки).

     Візуальна інформація передається в головний мозок по зоровому нерву, що складається з аксонів. Зорові волокна, що йдуть від носових половин сітчаток, перетинаються в хіазмі й переходять на протилежну частину зорової кори, волокна ж скроневих областей не перетинаються. Отже, розташовані до носа від середньої лінії (назальні відділи) ділянки сітківки беруть участь у механізмах бінокулярного, а розташовані в скроневих відділах (темпоральні відділи) ділянки - у механізмах монокулярного зору.

     У наш час думають, що сприйняття глибини простору залежить також від ряду додаткових факторів, у тому числі зорового досвіду. Зображення об'єкта проектується на сітківку праворуч від центральної ямки в лівому оці й ліворуч від її в правом. Це дозволяє при бінокулярному зорі створити не перехресні подвійні зображення. Їхнє накладення здійснюється в так званому циклопічному оці уявлюваному органі, у якому проектуються сітківки правого й лівого очей (рис. 1.5). Встановлено, що зображення не буде двоїтися, якщо об'єкт перебуває в області гороптера - криволінійної поверхні, на якій лежать вузлові точки обох очей і точка фіксації.

     Біологічна значимість тактильної сенсорної функції, мабуть, найбільш висока. Якщо відсутність спеціальних видів чутливості - зору, слуху, нюху й т.д. не приводить до загибелі організму, то відсутність тактильної (шкірної) рецепції несумісно з життям. Тактильна рецепція й у філогенетичному змісті є самою древньою. Вона поєднує кілька видів чутливості, які можна розділити на дві категорії: чутливість, пов'язана зі шкірними рецепторами, і види чутливості, пов'язані з рецепторами, які перебувають у м'язах, суглобах і сухожиллях.

     Шкіра є запобіжною оболонкою організму. Її загальна площа досягає в середньому 2,5 . У шкірі, м'язах, суглобах і сухожиллях перебуває величезна кількість рецепторів. Усередині шкіри, наприклад, можна виділити принаймні чотири самостійних види рецепції: температурна (теплова й холодова), тактильна, болюча й вібраційна (іноді її характеризують як залежну від трьох інших). Цим чотирьом видам шкірної чутливості відповідають різні рецепторні апарати.

     До числа основних відносяться:

•      колбочки Краузе, роздратування яких дає відчуття холоду;
•      циліндричні рецептори Руффіні, що формують теплові відчуття;
•      корзинчасті сплетення й тельця Меснера, відповідальні за виникнення      відчуттів дотику й тиски;
•      так звані вільні нервові закінчення, пов'язані з болючими функціями.

     Крім шкірних рецепторів існують розглянуті вище рецептори м'язів, суглобів і сухожиль, пов'язані із пропріоцептивною (кінестетичною) чутливістю. Вони виробляють сигнали в той момент, коли відбувається зміна силових факторів в опорно-руховому апарату, будучи в такий спосіб носіями інформації про розташування й рух м'язово-суглобного комплексу.

     У цілому шкіра й опорно-м'язовий апарат являють собою як би величезний розподілений рецептор, що винесений назовні для первинної обробки контактних впливів. Шкіра неоднорідна по кількості й характеру представлених у ній рецепторів. Рецептори шкіри у фізіології прийнято ділити на три групи: повільно адаптуються, що швидко адаптуються й тельця Пачині. Перші формують безперервний потік імпульсів при постійному механічному стимулі (наприклад, дії ваги людини на стопу). Другі реєструють механічні стимули, що змінюються в часі, при цьому величина реакції буде пропорційна швидкості стимулу. Треті являють собою рецептори, що дуже швидко адаптуються. У цьому змісті доречні наступні біонічні аналогії. Повільно, що адаптуються рецептори, можна розглядати як ЧЕ датчиків сили (тиску) або деформації шкіри; швидко, що адаптуються рецептори, час адаптації яких 50...500 мс, подібні до датчиків швидкості, а тельця Пачіні є аналогами ЧЕ датчиків прискорення або вібрації шкіри. У тактильних системах їхню функцію виконують датчики проковзування.

     Для передачі збуджень від рецепторів шкіри й опорно-рухового апарата в організмі існує три типи волокон: А, У и С. Ці канали зв'язку передають різну інформацію й відрізняються діаметром і ступенем мієлінізації, і тим самим швидкістю проведення нервового імпульсу. Волокна типу А мають найбільший діаметр (8...12 мкм) і сильно мієлінізовані, що дозволяє передавати збудження зі швидкістю до 120 м/с. Ці волокна є каналами передачі сигналів тактильної й кінестетичної природи, що йдуть від м'язів, сухожиль і суглобів. Волокна типу В, обладнані тонкої миелиновой оболонкою, мають діаметр 4...8 мкм, проводять збудження зі швидкістю 15...40 м/с і зв'язані в основному з температурною й болючою рецепцією. Нарешті, волокна типу Із взагалі не містять мієлінову оболонку, мають діаметр < 4 мкм і швидкість передачі збудження 0,5...15 м/с. Вони пов'язані з болючими й частково температурними відчуттями. У тактильній рецепції поряд з певною спеціалізацією спостерігається також перекриття рецепторних каналів, відповідальних за різні функції. Так, болюча й температурна чутливості переважно пов'язані із самими тонкими волокнами З, а тактильні відчуття проводяться по більших волокнах А и В.

     Ми розглянули найважливіші біологічні механізми сенсорних функцій, які є прототипом інформаційної (сенсорної) системи робота. Помітимо, що в багатьох випадках те саме поведінкове завдання може бути вирішене шляхом об'єднання декількох сенсорних модальностей.