Устройство для оценки психофизиологических характеристик оператора систем управления Советский патент 1983 года по МПК G09B9/00 A61B5/10 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам дли регистрации движений человека-оператора в арготи ческих системах, является средством передачи командной информации от one ратора к машине и предназначено для повышения эффективности биотехнического управления в системах человек техника и гибридного интеллекта. Известно устройство для оценки психофизиологических характеристик оператора систем управления, содержа щее датчик (электроды для съема биопотенциалов соответствующих мышц), усилитель биопотенциалов, фильтры вы деления огибающей и сервопривод 11 3. Недостатком этого устройства явля ется бедность спектра возможных команд, снимаемых каждым каналом биоэлектрического управления. Устройств не позволяет выявлять разнообразие кодов психической деятельности опера тора, разнообразия, достаточного в целях создания эффективного терминала для биотехнического управления в системах гибридного интеллекта, . Известно также устройство, которое выявляет паттерн-коды сенсорных образов слов при молчаливом оперировании ими в интеллектуально-мнестических процессах. Это устройство содержит датчик (электроды из золотой проволоки, вживляемые в мозг испытуемого), уси/ 1тели биопотенциалов, и гнитофоны, чернилописец, блок ограничителей, формирователей и интеграторов, цифровой анализатор с аналогоцифровым преобразователем, вычислительные машины с блоками цифропечати и перфорации, а также стимулятор, проектор, громкоговоритель и микрофон 2. Основные недостатки этого устройства - паттерн-коды сенсорных образов слов могут быть выявлены только у больных в процессе психологических

310

тестов, осуществляемых исключительно для лечебно-диагностических целей; недостаточная информация от одного испытуемого ввиду того, что датчик может быть вживлен в соответствии с поставленным диагнозом только в одну из областей мозга; необходимость вживления датчика в мозг испытуемого,,

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее датчик движений испытуемого блок управления, цифровой регистратор, усилитель, графический регистратор, фильтр верхних частот, измеритель мощности тремора, триггер Шмидта, счетчик импульсов,ключи, причем выход датчика движений испытуемого соединен с входом усилителя, выход которого подключен к входам графического регистратора и фильтра верхних частот, выход последнего соединен с входами измерителя мощности тремора и триггера Шмидта, выход которого через схему совпадения., подключенную к блоку управлен1}д г связан со счетным входом счетчика,, вход Установка нуля которого подключен к блоку управления, а выход через ключи, связанные с блоком управления, соединен с цифровым регистратором Датчик движеНИИ испытуемого содержит источник рассеянного света, круговой экран с равномерно увеличивающейся от центра плотностью затемнения, указку с фотодиодом на конце, причем фотодиод элекрический подключен к входу усилителя 3

При использовании известного усТ ройства получают недостаточную информацию, так как из тремора конечности испытуемого., который происходит в тремерном пространстве, оптикомеханической частью датчика воспринимаются только вертикальная и горизонтальная составляющие движения и то не раздельно, а, суммируясь, прейбразуются в электрический сигнал на входе усилителя Кроме того, устройство невозможно использовать в качестве терми нала, так как не выявляются паттернкоды моторных образов, графи си словр букв и рисунков, которые содержатся в пространственном треморе при оперировании соответствующими графемами в интеллектуально-мнестических процессахо

Указанные недостатки ограничивают быстродействие процесса оценки психо304

физиологических характеристик оператора.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства за счет созда ия быстродействующего и не требующего хирургического вмешательства для установки датчика терминала для биотехнического управления в системах человек - техника и гибридного интеллекта на основе устройства, выявляющего в микротреморе мышц паттерн-коды моторных образов, графики слов, букв и рисунков при оперировании ими в интеллектуально-мнестических процессах.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок управления, соединенный с блоками согласования и регистрации, введены последовательно включенные генератор, трехкоординатный преобразователь напряжения и синхронный детектор, подключенный к блоку согласования и генератору

Блок управления содержит вычислители, подключенные через коммутатор к блоку памяти, а также к входам и выходам- блока о

Блок согласования содержит последовательно включенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь, соединенные с входами и выходами блока соответственно„«

Трехкоординатный преобразователь напряжения содержит элемент обратной связи, связанный с соленоидами или с конденсаторами и выполненный в виде шарика, соединенного посредством пружин с корпусом преобразователя,

На фиго 1 изображена схема микро„треморного терминала; на фиг«2-5 трехкоординатный преобразователь, общий вид, разрез по одной из координат.

Устройство (фиг. 1 содержит блок 1 согласования, состоящий из усилителя 2 и аналого-цифрового преобразователя 3 которьй подсоединен к блоку k управления, блок 5 регистрации, представляющий собой дисплей 6 со световым пером 7о

Устройство также содержит трехкоординатный преобразователь 8 напряжения, три выхода которого подсоединены соответственно к трем входам трехканального усилителя 2 через трехканальный синхронный детектор 9, причем к входам опорного сигнала преобразователя 8 и синхронного детектора 9 подключен трехчастотный генератор 10 Преобразователь 8, детектор 9 и гене ратор 10 используются в устройстве в качестве датчика движений человекаоператора, который может быть выполнен на постоянном токе, тогда три выхода преобразователя 8 подсоединены соответственно к трем входам трех канального усилителя 2 непосредствен но, а питание постоянным током трехкоординатного преобразователя 8 осуществляется от стабилизатора питания Блок управления включает три идентичных вычислителя 11, подключён ных через коммутатор 12 к блоку 13 памяти, и подключен к аналого-цифровому преобразователю 3 и блоку, 5 регистрации через коммутатор 12„ Блок управления обеспечивает динамический факторный анализ оцифрованных при помощи трехканального анг1логоцифрового преобразователя 3 трех составляющих пространственно-временной организации микротремора. Такая или аналогичная корреляционная обработка пространственно-временной организации микротремора руки человека в том случае, если он внимательно наблюдает за динамикой писания текста или зарисовками, выявля ет, что наряду с шумами и физиологическими ритмами (пульс, дыхание), в микротреморе содержатся паттерн-коды моторных образов, графики текста или зарисовок. Мозг наблюдателя автоматически кодирует паттернами микротре мора графемы, т.е. знаки текста или штрихи рисунка, так, как будто они н осознанно рисуются самим наблюдателем. Если путем несложных тренировок добиться, чтобы, подавая команды, человек-оператор представлял их в ви де написанного текста или стилизован ного рисунка, то в динамике пространственно-временной организации микротремора в реальном масштабе вре мени появляются паттерн-коды, взаимнооднозначно соответствующие графема мысленных команд. Трехкоординатный преобразователь .напряжения (фиг, 2) содержит три соленоида , расположенные в трех взаимно перпендикулярных пересекающихся плоскостях. В точке пересечения плоскостей упомянутых соленси10дов Ц на системе мягкой подвески (пружинах 15) расположен шарик 1б из магнитомягкого материала, представляющий собой элемент обратной связи (фигд 2 и З) Каждьй из соленоидов }k содержит .две обмотки 17 и 18 Тремор руки человека-оператора вызывает смещение шарика 16 относительно плоскостей соленоидов Ц, Трехкоординатный преобразователь 8 напряжения (фиг, и 5) содержит три конденсатора 19, обкладки которых помещены в жидкий диэлектрик 20, имею щий высокую диэлектрическую постоянную о Между обкладками каждого из конденсаторов 19 помещены гибкие зонды 21, объединенные шариком 1б, Обкладки каждого из трех конденсаторов 19 образующих Трехкоординатный преобразователь, расположены в трех взаимно перпендикулярнь(х плоскостях. Шарик 16 установлен в центре при помощи системы мягкой подвески ( пружин 15 ). Так ж.е, как и в предыдущей реализации, тремор руки человекаоператора вызывает дрожание шарика 16 относительно центра преобразователя и, тем самым, вибрацию всех трех гибких зондов 21 в поле пластин конденсаторов 19 Устройство работает следующим образом. Вначале человек-оператор, который начинает работать с устройством, представляется ему, ,, пользуясь световой клавиатурой, предъявленной ему на экране дисплея 6, и световым пером 7, набирает свою фамилию, имя и отчество, а также прикасается к световой кнопке Знакомство С почерком. После этого на экране дисплея 6 оператору предъявляется только что набранный им текст, а также образцовый текст, состоящий из отдельных букв, цифр, слов и стилизованных рисунков. Пользуясь световым пером 7 обычным своим почерком оператор повторяет предъявленный ему текст и рисунки на экране дисплея 6, После обработки полученной инфор- мации блоком управления в блоке 13 образуется взаимооднозначное соответствие между машинными кодами букв, цифр и стилизованных рисунков, а кодами развертки графем в реальном масштабе времени. После окончания этой части процедуры оператор прикасается световым пером 7 X световой кнопке Знакомство с микротремором и обеспечивает кон такт руки с трехкоординатным преобра зователем 8о Пользуясь хранящимися в блоке 13 .кодами разверток графем, блок управления поочередно высвечи вает на экране дисплея 6 в увеличен ном масштабе все графемы, причем луч повторяет обход знаков образцового текста и рисунков тем самым индивиду альным стилем, присущим именно этому конкретному человеку оператору„ В результате того, что оператор следит за движе№1ем луча, выписывающего графемы на экране дисплея 6, в динамике пространственно-временной организации микротремора его руки наряду с шумами и физиологическими ритмами (пульс, дыхание) появляются корреляты графем„ Первичные обмотки 17 трех сдвоенных соленоидов 1 (фиг 2 и 3) трехкоординатного преобразователя 8 (фиг. 1) питаются соответственно каж дая своей частотой от генератора 10„ Тремор руки человека-оператора вызывает вибрацию шарика 16„ Перемещение шарика 16 относительно соленоидов lA вызывает изменения коэффициентов трансформации между первичной 17 и вторичной 18 обмотками в кахадом из со леноидов lAo Соответственно меняется ЭДС, наводимая во вторичных обмотках 18 каждого из этих соленоидов 1 Каждая вторичная обмотка 18 подсоеди нена к своему каналу трехканпльного синхронного детектора 9 Благодаря разным опорным частотам от генератора 10, подаваемым по отдельности в каждый из каналов синхронного детек тора 9 на трех выходах последнего выделяются огибающие, ;соответствующие трем взаимно перпендикулярным составляющим вибрации -шарика 1б„ Полученные с выхода детектора 9 три составляющие движения его руки усиливаются трехканальным усилителем 2, оцифровываются трехкаиальнын аналого-цифровым преобразователем 3 после чего при помощи блока управле ния методом динамического факторного анализа из оцифрованных трех компонент динамики пространственно-времен ной организации микротремора выделяют ся паттерн-кодьи Поскольку по времени своего появления эти паттерн-коды соответствуют предъявляемым на экране дисплея 6 графемам, то в блоке 13 устанавливается еще одно взаимооднозначное соответствие Таким образом, в результате своеобразного обучения блока управления в его блоке 13 устанавливается взаимооднозначное соответствие между машинными кодами букв, цифр и стилизованных рисунков - с одной стороны, соответствующими им индивидуальными паттерн-кодами данного конкретного человека - с другой . После полного окончания этой процедуры на экране дисплея 6 предъявляется надпись Диалог с ЭВМ через микротремориый терминал и стилизованный рисунок, обозначающий командный знак Включение Мысленно отработав графему рисунка Включение, оператор переключает устройство в режим диалога через канал связи с основной ЭВМ (на фиГо 1 не показана), когда вход в ЭВМ осуществляется путем трансляции блоком k управления паттерн-кодов соответствующим индивидуальным графемам букв, цифр и командных знаков в машинный кодо Для этого полученные с выхода детектора 9 три составлякзщие пространственного микротремора его руки усиливаются усилителем 2, оцифровываются трехканальным аналого-цифровым преобразователем 3 после чего выделенние блоком управления паттерн-коды заменяются соответствующими машинными кодами, котйрые передаются в канал связи и для контроля од новременно предъявляются оператору на экране дисплея 6. Приходяцие по каналу связи ответы основной ЭВМ также предъявляются оператору на экране дисплея 6 о Процедуре включения в работу упрощается, если оператор знаком терминалу, т„ео его образцы паттерн-кодов уже имеются в блоке 13 Представившись терминалу, т.е„, набрав свою фамилию, имя, отчество, на световой клавиатуре дисплея 6 оператор вместо кнопки Знакомство с почерком прикасается световым пером 7 к кнопке Диалог с ЭВМ через микротреморный терминал, в результате чего при наличии в блоке 13 набранных инициалов устройство переключается в режим диалога через канал связи с основной ЭВМ. При реализации трехкоордииатного преобразователя В (фиг. 2 и З) первичные обмотки 17 соленоидов питаются постоянным током от ста{)илизатора питания. Перемещение шарика 16 относительно плоскостей соленоидов И вызывает изменение магнитного потока через вторичные обмотки 18 каждого из соленоидов k, что наводит в них ЭДС, которая подается непосредственно на соответствующий вход трехканального усилителя 2, Дальнейшая работа уст1ройства протекает, как было описано выше. Трехкоординатный преобразователь 8 напряжения (,фиг, 1, i и 5 ) Функционирует следующим образомо На пластины всех трех конденсаторов 19 подается переменное напряжение на каждую пару своей частоты от генератора 10, При изменении полох ения зондов 21 по отношению к пластинам конденсаторов 19 на каждом из них появляются сигналы, модулированные по амплитуде и фазе в зависимости от положений зондов 21 относительно центра преобразователя 8„ Напряжения, сннма|емые с зондов 21 через трехкональнь1Й синхронный детектор 9, подаются каждое на соответствующий вход трехканального усилителя 2, Дальне11шая работа устройства происходит, как было описано выше„ На каждую пару пластин всех трех .конденсаторов 19 может также подавать ся постоянное высокое напряжение. Перемещение каждого зонда 21 относительно пластин 19 вызывает появление сигналов, величина которых зависит от положений зондов 21 относительно цент ра преобразователя 8„ Напряжение, сни маемое с каждого из зондов 21,непосредственно подается на соотиетствующий вход трехканального усилителя 2, Дальнейшая работа устройства происходит так, как это было описано выше. Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения в динамике пространственно-временной органи зации микрртремора руки челоиека-оператора выявляются паттерн-коды моторных образов, графики слов, букв и рисунков при оперировании ими в интеллектуал ьно-мнестических процессах и, чем самым, обеспечивается более быстрое биотехническое управление в системах гибридного иителлекта и человек - техника Непосредственным практическим применением предлагаемого изобретения является создание на его основе более эффективных диалоговых систем, более быстродействующих систем управления, например, авиационными и кос «1ческини объектами, а также системами,.работающими в экстремальных условиях, например в условиях перегрузок. Кроме того, предлагаемое изобретение может быть использовано для контроля состояния человека-oneратора, а также для исследований в области искусственного интеллекта и человеко-машинных систем обучения,. Формула изобретения К Устройство для оценки психофизиологических характеристик оператора систем управления, содержащее блок управления, соединенный с блоками согласования и регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, оно содержит последовательно включенные генератор, трехкоординатный преобразователь напряжения и синхронный детектор, подключенный к блоку согласования и генератору, 2,Устройство по п, 1, отличающееся тем, что блок управления содержит вычислите/, подключенные через коммутатор к блоку памяти, а также к входам и-выходам блока, 3,Устройство по п„1, отличающееся тем, что блок согласования содержит последовательно включенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь, соединенные с входами и выходами соответственно, Устройство по п. 1 , о т л и чающееся тем, что трехкоординатный преобразователь напря)хения содержит элемент обратной связи, связанный с соленоидами, 5- Устройство по п, 1, отличающееся тем, что трехкоординатный преобразователь напряиения содержит элемент обратной связи, связанный с конденсаторами, 6, Устройство поп, , отличающееся тем, что элемент ообратной связи выполнен в виде шарика, соединенного посредством пружин с корпусом преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Патент США № ЗЮбЗ , кл, 2 |-83, 1961 .

11100313012

2 Бехтерев Н.П. и др. Нозгобые 3. Авторское свидетельство CCGP

коды психичесЬой деятельности. Л., . Н 556559, кл. А 61 Q З/Ю, 1976 Наука, 1977, с. 23-26.(прототип).

f-VWr{4 vC| fff 21 ФУ1.4

/ фуг.З фиг. 5