내부 모델(모터 컨트롤)

Internal model (motor control)
암 이동의 전방 모델.암 이동의 모터 명령어 u(t)가 발전소에 입력되고 신체의 예측 위치인 x̃(t)가 출력된다.

제어 이론의 주제 영역에서 내부 모델은 시스템 교란의 결과를 추정하기 위해 시스템의 반응을 시뮬레이션하는 과정이다.내부 모델 원리는 1976년에 B에 의해 처음으로 표현되었다.A. Francis와 W. M. W. W. W. Wonham은[1] 코난트와 애쉬비 좋은 조절기 정리의 명시적 공식화.[2] 고전적 피드백 루프는 제어된 시스템을 명시적으로 모델링하지 못한다는 점에서 고전적 제어와 대조적이다(클래식 제어기가 암묵적 모델을 포함할 수 있지만).[3][4]

모터 제어의 내부 모델 이론은 모터 시스템이 "식물"과 "컨트롤러"의 지속적인 상호작용에 의해 제어된다고 주장한다.발전소는 제어되고 있는 신체 부위인 반면, 내부 모델 자체는 제어기의 일부로 간주된다.중추신경계(CNS), 피드백 정보, 효율 사본과 같은 제어기로부터의 정보는 발전소로 보내지고 그에 따라 움직인다.

내부 모델은 피드-포워드 또는 피드백 제어를 통해 제어될 수 있다.피드-포워드 제어는 시스템의 현재 상태와 모델만 사용하여 시스템에 대한 입력을 계산한다.피드백을 사용하지 않기 때문에 제어 오류에 대해 수정할 수 없다.피드백 제어에서, 시스템의 출력 중 일부는 시스템 입력으로 다시 공급될 수 있고, 시스템은 원하는 출력에서 오류를 조정하거나 보상할 수 있다.두 가지 주요 유형의 내부 모델이 제안되었다: 포워드 모델과 역 모델이다.시뮬레이션에서 모델은 더 복잡한 이동 작업을 해결하기 위해 결합될 수 있다.

전진 모델

그림 1.신체의 원하는 위치는 필요한 모터 명령을 생성하는 가상의 제어기에 대한 기준 입력이다.이 모터 명령은 본체를 이동시키기 위해 발전소로 보내지고 모터 명령의 유효 복사본은 전진 모델로 보내진다.전방 모델(예측된 신체 위치)의 출력은 발전소(신체 위치)의 출력과 비교된다.시스템이나 환경에서 발생하는 소음은 실제 신체 위치와 예측 신체 위치 간의 차이를 유발할 수 있다.실제 위치와 예측 위치 사이의 오차(차이)는 내부 모델의 다음 반복을 위한 이동을 개선하기 위한 피드백을 제공할 수 있다.

가장 간단한 형태에서 전방 모델은 모터 명령의 입력을 "식물"에 가져가고 신체의 예측 위치를 출력한다.

Forward 모델에 대한 모터 명령 입력은 그림 1에서 보는 바와 같이 효율적인 복사본이 될 수 있다.그 전방 모델, 즉 신체의 예측 위치로부터의 출력은 신체의 실제 위치와 비교된다.실제 및 예측된 신체의 위치는 내부(예: 차체 센서가 완벽하지 않음, 감지 소음) 또는 외부(예: 신체 외부에서 오는 예측 불가능한 힘) 선원에 의해 시스템에 유입되는 소음으로 인해 달라질 수 있다.실제 신체 위치와 예측 신체 위치가 다를 경우, 그 차이를 다시 전체 시스템에 입력으로 공급하여 조정된 모터 명령 집합을 형성하여 보다 정확한 움직임을 만들 수 있다.

역모형

그림 2.도달하는 작업의 역모형.암의 원하는 궤적인 Xref(t)는 모델에 입력되며, 이는 암을 제어하는 데 필요한 모터 명령인 ũ(t)을 생성한다.

역모형은 인체의 원하는 위치와 실제 위치를 입력으로 사용하여 현재 위치를 원하는 위치로 변환하는 필요한 모터 명령을 추정한다.예를 들어 암 도달 과제에서 암의 원하는 위치(또는 연속된 위치의 궤적)를 가정된 역모형에 입력하며, 역모형은 암을 제어하고 원하는 구성으로 가져오는 데 필요한 모터 명령을 생성한다(그림 2).역 내부 모형은 제어되지 않는 다지관 가설(UCM)과도 밀접하게 관련되어 있다(여기도 참조).

결합된 전진 및 역모형

이론적 연구는 모터 제어 모델에서 역 모델을 전진 모델과 결합하여 사용할 때 역 모델에서 나오는 모터 명령 출력의 유효 복사본을 추가 예측을 위한 전진 모델에 대한 입력으로 사용할 수 있다는 것을 보여주었다.예를 들어, 팔로 손을 뻗는 것 외에 물체를 잡기 위해 손을 제어해야 하는 경우 암 모터 명령의 효과적인 사본을 전방 모델에 입력하여 암의 예측 궤적을 추정할 수 있다.이 정보를 사용하여 컨트롤러는 손을 잡고 물체를 잡도록 지시하는 적절한 모터 명령을 생성할 수 있다.만약 그것들이 존재한다면, 이 역 모델과 전진 모델의 조합은 CNS가 원하는 행동을 취하도록 하고 (팔과 접촉) 리치를 정확하게 제어한 다음 손을 정확하게 제어하여 물체를 잡을 수 있도록 제안되었다.[5]

적응 제어 이론

새로운 모델을 획득할 수 있고 기존 모델을 업데이트할 수 있다는 가정 하에, 효율 복사본은 이동 작업의 적응적 제어를 위해 중요하다.모터 작업 기간 내내 효율 복사본은 모터 출력을 예측할 수 있는 동적 예측기로 알려진 전방 모델에 공급된다.모터 제어에 적응 제어 이론 기법을 적용할 때, 효율 복사본은 기준 모델에 대한 입력으로서 간접 제어 체계에서 사용된다.

과학자들

광범위한 과학자들이 내부 모델 가설의 진전에 기여한다.마이클 조던, 에마누엘 토도로프, 다니엘 울퍼트는 수학 공식화에 크게 기여했다.산드로 무사 이발디, 미츠오 가와토, 클로드 게즈, 레자 샤드메어, 랜디 플래너건, 콘래드 콕딩 등이 수많은 행동 실험에 기여했다.Frank H. Guenther와 동료들이 개발한 음성 생산의 DIVA 모델은 시뮬레이션 음성 아티큘레이터로 청각 궤적을 생성하기 위해 전방과 역방향 모델을 결합하여 사용한다.음성 생산의[6] 통제를 위한 두 가지 흥미로운 역내 모델들이 이아로슬라프 블라고우신과 에릭 모로에 의해 개발되었다.[7]두 모델 모두 최적 원리와 평형점 가설(동력 명령 λ은 내부 공간의 좌표로 취함)을 결합한다.입력 모터 명령어 λ은 음향적 제약조건(첫 번째 모델)이나 음향적 제약조건과 기계적 제약조건(두 번째 모델)에 따라 내부 공간에서 이동하는 경로의 길이를 최소화함으로써 찾을 수 있다.음향적 제약은 생산되는 언어의 질(포뮬러로 측정됨)과 관련이 있는 반면 기계적인 것은 혀의 신체의 뻣뻣함과 관련이 있다.강성이 제어되지 않은 상태로 유지되는 첫 번째 모델은 표준 UCM 가설과 일치한다.이와는 대조적으로, 강성이 규정되는 두 번째 최적 내부 모델은 언어의 좋은 가변성을 표시하며(적어도 강성의 합리적인 범위에서) 제어되지 않는 다지관 가설(UCM)의 최신 버전과 일치한다.존 크라카워,[8] 피에트로 마조니, 모리스 A의 작품을 포함한 내부 모델에 대한 풍부한 임상 문헌도 있다. 스미스, 커트 러버먼, 조른 디드리히센, 에이미 바스티안.

참조

  1. ^ B. A. 프랜시스와 W. M. 원함, "제어 이론의 내부 모델 원리", 오토매틱a 12 (1976년) 457–465.
  2. ^ 로저 C.코넌트와 W. 로스 애쉬비 "시스템의 모든 좋은 조절기는 그 시스템의 모델이어야 한다"는 국제 시스템 과학 저널 제1권(1970), 89–97.
  3. ^ Jan Swevers, "Internal Model Control(IMC) 2017-08-30 Wayback Machine에 보관", 2006년
  4. ^ 페리 Y. 리, "내부 모델 원리와 반복 제어"
  5. ^ Kawato, M (1999). "Internal models for motor control and trajectory planning". Current Opinion in Neurobiology. 9 (6): 718–727. doi:10.1016/S0959-4388(99)00028-8. PMID 10607637.
  6. ^ 또한 생체역학 언어 모델(BTM)과 같은 시뮬레이션된 음성 발현체도 있다.
  7. ^ 이아로슬라프 블라고우신과 에릭 모로.제약을 받는 최적의 신경망 기반 내부 모델을 통한 음성 로봇 제어IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, no. 1, 페이지 142—159, 2010년 2월.
  8. ^ "감각적 예측 오류 도달의 소뇌 의존적 적응을 촉진한다" 2007년 5월 16일 신경생리학 저널 98:54-62