Delay and Uncertainty in Human Balancing Tasks

این کتاب نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از معادلات دیفرانسیل تاخیر (DDEs) برای تکمیل تحقیقات آزمایشگاهی وظایف تعادل انسان استفاده کرد. این رویکرد با مقایسه پیش‌بینی‌های ریاضی و مشاهدات تجربی برای افراد غیرمتخصص قابل دسترسی است. به عنوان مثال، مشاهده این که یک قطب بلندتر در نوک انگشت راحت تر از یک قطب کوتاه تر متعادل می شود، نقش اساسی تاخیر زمانی در مکانیسم کنترل تعادل را نشان می دهد. یکی دیگر از وظایف متعادل کننده در نظر گرفته شده، نوسان وضعیتی در هنگام ایستادن آرام است.

با آونگ معکوس به عنوان محرک و کنترل بازخورد بسته به متغیرهای حالت یا مدل داخلی، بازخورد را می توان با تعیین طول پاندول بحرانی و/یا تشخیص داد. تاخیر بحرانی این رویکرد برای شناسایی ماهیت بازخورد برای مثال‌های تعادل قطب و نوسان وضعیتی استفاده می‌شود. با انگیزه این سوال که سیستم عصبی چگونه با این چالش‌های کنترل بازخورد برخورد می‌کند، بحثی در مورد نوسانات "میکروآشوب" در کنترل تعادل و چگونگی دستیابی به کنترل قوی در مواجهه با عدم قطعیت‌ها در برآورد پارامترهای کنترل وجود دارد. فصل پایانی موضوعاتی را برای تحقیقات آتی پیشنهاد می کند.

هر فصل شامل یک چکیده و یک خلاصه نقطه به نقطه از مفاهیم اصلی است که ایجاد شده است. یک روش ادغام عددی مخصوصاً مفید برای DDEهایی که در کنترل تعادل ایجاد می‌شوند، نیمه گسسته‌سازی است. این روش توضیح داده شده و یک الگوی متلب ارائه شده است.

این کتاب منبع مفیدی برای هر کسی که تعادل را در انسان، دیگر موجودات دوپا و روبات‌های انسان‌نما مطالعه می‌کند، خواهد بود. بسیاری از مطالب توسط نویسندگان برای آموزش به دانشجویان ارشد در علوم اعصاب محاسباتی و دانشجویان در سیستم‌های زیستی، زیست پزشکی، مکانیک و مهندسی عصبی استفاده شده است.

This book demonstrates how delay differential equations (DDEs) can be used to compliment the laboratory investigation of human balancing tasks. This approach is made accessible to non-specialists by comparing mathematical predictions and experimental observations. For example, the observation that a longer pole is easier to balance on a fingertip than a shorter one demonstrates the essential role played by a time delay in the balance control mechanism. Another balancing task considered is postural sway during quiet standing. 

With the inverted pendulum as the driver and the feedback control depending on state variables or on an internal model, the feedback can be identified by determining a critical pendulum length and/or a critical delay. This approach is used to identify the nature of the feedback for the pole balancing and postural sway examples. Motivated by the question of how the nervous system deals with these feedback control challenges, there is a discussion of ‘’microchaotic’’ fluctuations in balance control and how robust control can be achieved in the face of uncertainties in the estimation of control parameters. The final chapter suggests some topics for future research.

Each chapter includes an abstract and a point-by-point summary of the main concepts that have been established. A particularly useful numerical integration method for the DDEs that arise in balance control is semi-discretization. This method is described and a MATLAB template is provided.

This book will be a useful source for anyone studying balance in humans, other bipedal organisms and humanoid robots. Much of the material has been used by the authors to teach senior undergraduates in computational neuroscience and students in bio-systems, biomedical, mechanical and neural engineering.