II. По типу соединения:

с горизонтальными зубьями

с вертикальными зубьями

Антиподлипы

Перевозка

Уход и эксплуатация

Заточка зубьев

Хранение

Пример таких кошек.

«Вместо босоножек пару триконей
Забирают девочки в поход,
И глядят на них глазами дикими
Папа, мама и сиамский кот.»
(с)

Альпинистские кошки являются одним из важнейших элементов снаряжения для горных походов и альпинизма. Ими неизменно пользуются и альпинисты, и горные туристы.

Существует два подхода к выбору кошек:
1. Покупка ботинок, после – подбор к ним кошек
2. Покупка кошек, после – подбор к ним ботинок

Думаю, очевидно, что первый способ лучше, ведь ботинки подобрать намного труднее. Купив сначала кошки, мы увеличиваем требования к выбору ботинок.

Итак, вы решили сделать все «по науке» – сначала купили ботинки, а затем пришли с ними в магазин за альпинистскими кошкам. Тут-то вы и столкнетесь с огромным разнообразием этих «зверей». Давайте разбираться!

Кошки можно классифицировать по-разному. Ниже мы классифицировали кошки по следующим признакам: по типу крепления, по типу соединения, по виду передних зубьев.

I. По видам креплений:

II. По типу соединения:

с горизонтальными зубьями — для классических альпинистских восхождений и горного туризма «горизонтальных» альпинистских кошек вполне достаточно. «Горизонтальные» кошки хорошо работают на снегу, фирне, летнем льду, скалах. Если в планы не входит ледолазание и восхождения по длинным ледяным стенам – кошки с горизонтальными передними зубьями вам отлично подойдут.

с вертикальными зубьями — предназначены в первую очередь для работы на крутом, в том числе и отвесном, или нависающем жёстком льду. Кошки с такими зубьями необходимы на технически сложных ледовых и микстовых (скалы+лед) маршрутах.

Антиподлипы

Очень важным дополнением к кошкам являются «антиподлипы». В большинстве случаев, совершая восхождение, альпинист имеет дело не с чисто ледовым рельефом, а с чередующимися участками снега, фирна, льда, льда покрытого снегом, скал и т.д. При влажном состоянии снега возможно его подлипание к колодке кошки. Налипший комом на колодке снег сводит на нет эффективность зубьев, делая возможным проскальзывание и последующий срыв. Кошки с налипшим на них снегом могут превратиться в смертельно опасную ловушку, поэтому восходитель должен принять все меры к недопущению подобного разворота событий. Выбивание снега из кошек древком ледоруба или палками, следует признать крайней мерой, а не рекомендованным приемом. Следовательно, какими кошками вы бы не обзавелись, вам не обойтись без так называемых антиподлипов, то есть закрепляемых на кошке пластиковых или резиновых пластин, отражающих снег и не позволяющих ему прилипнуть к колодке кошки. На всех современных кошках антиподлипы установлены сразу, но если на ваших их нет — не беда! Антиподлипы продаются и по отдельности.

Перевозка

Чтобы не порвать и не попортить остальное снаряжение во время транспортировки кошек — удобно использовать специальную резиновую защиту зубьев. Можно приобрести и специальный чехол для кошек. Другой вариант — изготовить такой чехол самостоятельно из куска плотной ткани (старые джинсы) или иного материала, который кошками не разорвать.

Уход и эксплуатация

Проверяйте свои кошки перед использованием дома до выезда в горы!

• Проверьте, нет ли болтающихся болтов или заклепок. Если нужно — завинтите или замените.
• Проверьте, нет ли поношенных ремешков/пряжек. Если требуется – замените.
• Убедитесь, что скобы в хорошем состоянии и подходят к радиусу ботинка.
• Проверьте места крепления кошек к ботинку: плотно ли сидит кошка на заднем и переднем ранте?
• Носите с собой или хотя бы держите в базовом лагере: железную проволоку, репшнур и запасные части (ремешки, пряжки, скобы, болты).

Заточка зубьев

Зубья на альпинистских кошках надо периодически затачивать! В «тупых» кошках при выходе на лед сильно возрастает угроза срыва! Быстрее всего кошки тупятся при передвижении в них по скалам. Для заточки используйте обычный ручной напильник. Нельзя использовать точильную машинку, ибо она перегревает металл, тем самым ослабляя его твердость и прочность. Заточите края и острие как можно острее, но не делайте из зубьев «иголки» — иначе при выходе на рельеф они сразу же затупятся/сломаются. Выпрямляйте любые погнутые зубья, если это возможно.

Хранение

Большинство альпинистских кошек сделано из ржавеющей стали, так что протирайте и сушите кошки, прежде чем класть их в шкаф. Бывает полезно обработать их антикоррозийным средством (WD-40)

Если резюмировать все вышесказанное, то идеальным вариантом для начинающего туриста/альпиниста будут кошки с мягким креплением, с горизонтальными передними зубьями, полужесткие (не платформенные!), с антиподлипами. Пример таких кошек.

Как правило, у альпинистов со стажем со временем появляется не одна пара кошек для разных маршрутов. Если у вас еще остались вопросы по выбору альпинистских кошек в целом, или для какого-либо определенного маршрута — напишите нам, мы обязательно их решим 🙂

границ | Взаимный возбуждающий рефлекс между экстенсорами воспроизводит удлинение фазы опоры у идущих кошек: анализ на роботизированной платформе

1. Введение

Четвероногие животные могут немедленно реагировать на различные нарушения окружающей среды и достигать устойчивых движений. Было проведено множество экспериментов по выявлению механизма генерации движения у четвероногих. Grillner (1975) сообщил, что центральный генератор паттернов (ЦГП) в спинном мозге генерирует ритмичный паттерн походки, даже когда нервы от головного мозга и проприорецепторы приостановлены.Однако сенсорная обратная связь от рецепторов вносит значительный вклад в движение животных. Пирсон (2004) продемонстрировал, что сенсорная обратная связь через рефлекторные пути определяет время фазовых переходов в шаговом цикле и формирует характеристики движений, что в значительной степени способствует активации разгибателей у гуляющих кошек.

Функции моторной координации рефлексов у шагающих четвероногих исследованы в экспериментах на животных. В экспериментах Whelan et al.(1995), электрическая стимуляция афферентных нервов мышц-разгибателей голеностопного сустава продлевала фазу стойкости у гуляющих кошек. Этот результат предполагает, что разгрузка мышц-разгибателей голеностопного сустава инициирует переход от стойки к замаху. В экспериментах McVea et al. (2005), содействие движению мышц-сгибателей у гуляющих кошек во время фазы качания ускоряет время активации мышц-разгибателей голеностопного сустава. Этот результат говорит о том, что угол тазобедренного сустава инициирует переход от качания к стойке.Эти исследования подчеркивают индивидуальные рефлекторные механизмы в фазах стойки и поворота; однако весь рефлекторный контур, который генерирует ходьбу, еще не идентифицирован.

В последние годы конструктивистский подход был использован для исследования механизма передвижения животных путем воспроизведения двигательного контроля животных с помощью роботов и компьютерного моделирования. Habu et al. (2018) предложили нервно-мышечную модель, воспроизводящую опорно-двигательную систему и подробные нейронные пути кошек.В моделировании ходьбы они разработали сеть CPG для создания походки рысью, и когда они ввели в CPG обратную связь сил реакции земли, модель изменила походку с рыси на шаг и галоп. В качестве более простой модели для понимания механизма передвижения животных Maufroy et al. (2010), Aoi et al. (2013), а Оваки и Исигуро (2017) предложили модель осциллятора, которая регулирует фазу ноги на основе информации о контакте с землей. В эксперименте с ходьбой их роботы могут воспроизводить несколько моделей походки, похожие на животных, в зависимости от скорости.

Несколько исследований показали важный результат в этой области исследований: траектории ног и стабильная походка могут быть достигнуты за счет взаимодействия между спинальными рефлексами, динамикой тела и окружающей средой без использования моделей осцилляторов или сложных моделей CPG. Модель опорно-двигательного аппарата человека, разработанная Гейером и Херром (2010), воспроизводила устойчивую переменную походку с использованием только рефлекторных правил. Модель задней лапы кошки Ekeberg and Pearson (2005) также показала альтернативную походку только с рефлекторными правилами, а Rosendo et al.(2014) исследовали эту идею в реальных экспериментах с использованием опорно-двигательного робота. Однако в этих исследованиях разработчики разделили шагающее движение на несколько этапов (например, этап стойки, отрыва, поворота и приземления) и разработали отдельное правило рефлекса для каждой фазы. Поэтому неясно, как эти многочисленные рефлекторные правила интегрированы в тело животного, то есть в общую структуру рефлекторного контура, обеспечивающего устойчивую походку и траекторию ног.

Чтобы прояснить структуру рефлекторного контура, который генерирует устойчивое движение кошек, мы исследовали рефлекторный контур, используя платформу четвероногого робота, которая имитирует нервно-мышечную динамику животных.

В результате мы нашли простую рефлекторную схему, которая могла обеспечивать устойчивую походку и траектории ног, а также воспроизводить экспериментальное поведение кошек. Основным вкладом этого исследования является выяснение основной структуры рефлекторной цепи для обеспечения устойчивой походки, которая является взаимным возбуждающим рефлексом между тазобедренными и коленно-лодыжными мышцами-разгибателями. Чтобы оценить предложенную рефлекторную схему, мы провели эксперименты по ходьбе и воспроизвели нейрофизиологический эксперимент, основанный на кошках на четвероногом роботе.В экспериментах с ходьбой у четвероногого робота не было центрального генератора образов; тем не менее, он автономно воспроизводил схему походки и траектории ног. В эксперименте по воспроизведению поведения кошек при ходьбе робот воспроизводит переход от качания к стойке на основе угла бедра в McVea et al. (2005) и функция продления фазы опоры со стимуляцией нервов-разгибателей голеностопного сустава, как у Whelan et al. (1995). Более того, используя робота с репрограммируемым законом рефлексов в реальном времени, мы провели эксперимент по удалению реципрокного возбуждающего пути между разгибателями (функция удлинения фазы опоры) во время ходьбы. Отсутствие реципрокного возбудительного пути снижало стабильность походки робота. Этот результат предполагает, что функция удлинения, обеспечиваемая реципрокным возбуждающим путем между бедром и разгибателями колено-голеностопный сустав, стабилизирует характер походки.

В разделе 2 мы объясняем механическую конструкцию и систему управления платформы четвероногого робота. В разделах 3 и 4 описываются модели мышц и рефлексов и их реализация на роботе. В разделе 5 представлены результаты экспериментов по ходьбе, а в разделе 6 обсуждается механизм появления походки и сравнение с предыдущим исследованием.Раздел 7 суммирует эффект предложенной рефлекторной схемы и обращается к будущей работе.

2. Четвероногий робот, воспроизводящий мышечные свойства и рефлексы

Чтобы воспроизвести и понять рефлекторный механизм животных, мы сконструировали четвероногую роботизированную платформу, показанную на рисунке 1, которая может воспроизводить характеристики мышц и рефлексы, подобные тем, которые описаны в Zhao et al. (2020). Этот четвероногий робот имеет ноги с отличным поворотом назад, воспроизводящие гибкость животных, и двигатели с регулируемым крутящим моментом, которые позволяют роботу виртуально имитировать характеристики мышц.

Рисунок 1 . Снимок четвероногой роботизированной платформы, которая может воспроизводить характеристики мышц и рефлексы.

Сначала мы объясним механическую конструкцию платформы четвероногого робота. Как показано на рисунке 2, каждая нога состоит из двух звеньев, и ноги могут свободно перемещаться в сагиттальной плоскости, приводя в движение верхние и нижние вращательные суставы. Модуль ноги также может вращаться в направлении вращения как движение приведения и отведения; Таким образом, ноги имеют три степени свободы.Каждое соединение приводится в движение бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC) (MN6007 KV160, T-Motor, Китай). Крутящий момент передается шестернями и зубчатыми ремнями в нижних шарнирах вращения и только шестернями в двух других шарнирах. Мы встроили моторы в тазобедренную часть модуля ноги, чтобы уменьшить момент инерции ноги. Передаточное число составляет всего 1: 7, так что все шарниры обеспечивают высокую управляемость назад, а измерение тока двигателя позволяет контролировать крутящий момент. Датчик вращения (ATM102-V, CUI Devices, США) установлен на задней части каждого двигателя для измерения угла поворота.Длина тела, расстояние между бедрами, длина звеньев ног и вес составляют 470 мм, 289 мм, 152 мм и 7,6 кг соответственно.

Рисунок 2 . Конструкция ноги четвероногого робота. (A) Степень свободы ног. (B) Детальный механизм ножек.

Далее мы опишем систему управления четвероногим роботом. Эта система управления состоит из контроллера низкого уровня для двигателя BLDC и контроллера высокого уровня, который воспроизводит характеристики мышц и рефлексы.Драйвер двигателя (v3.6 24V, ODrive) обеспечивает низкоуровневое управление крутящим моментом двигателя с помощью обратной связи по току и измеряет угол с помощью энкодера на частоте 8 кГц. Микроконтроллер (Teensy 3.6) обеспечивает управление на высоком уровне. Он имитирует виртуальные мышцы и рефлекторные схемы на основе информации об угле, полученной от водителя мотора, и выдает целевые крутящие моменты для воспроизведения их характеристик водителю мотора. Частота связи между контроллерами — 1 кГц.

3.Воспроизведение мышечных свойств

Чтобы воспроизвести и понять рефлекторные механизмы животных, мы имитируем мышцы и нейронные модели с помощью программного обеспечения четвероногого робота.

3.1. Модель мышц

Мы представляем модель мышц типа Хилла, разработанную Гейером и Херром (2010), которая показана на рисунке 3А. Модель мышцы типа Хилла состоит из сократительного элемента (CE), который вызывает напряжение в соответствии с активацией мышцы, параллельно соединенного эластичного элемента (PE) и последовательно соединенного эластичного элемента (SE).CE имеет свойство, зависящее от длины, при котором сила сжатия максимизируется при оптимальной длине, и свойство, зависящее от скорости. Сила сжатия становится относительно небольшой и большой во время сжатия и разгибания соответственно. Эластичные элементы PE и SE обладают нелинейными упругими свойствами, которые создают напряжение, когда они превышают определенную длину.

Рисунок 3 . Свойства мышц воспроизведены на четвероногом роботе. (A) Модель мышц холма. (B) Сила-длина и сила-скорость характеристики сократительного элемента (СЕ).

Далее мы формулируем детали модели мышц типа Хилла, разработанной Гейером и Херром (2010). Используя мышечную активность A ∈ [0, 1], мы выражаем генерируемую силу CE, F _ce , как

, где F _max — максимальная изометрическая сила, а l _ce и v _ce — длина и скорость CE соответственно.Характеристики сила-длина и сила-скорость, f _l ( l _ce ) и f _v ( v _ce ), соответственно, представлены как

, где l _opt — длина f _l ( l _opt ) = 1, и c , ω, v _max , K и N — это параметры, которые используются для определения характеристик мышц.Графики функций f _l ( l _ce ) и f _v ( v _ce ) представлены на рисунке 3B. Сила PE, F _pe и сила SE, F _se , выражаются как

, где l _se — длина SE, l _{провисание} — оставшаяся длина SE, а ϵ _pe и ϵ _ref — эталонные деформации PE и SE, соответственно.

3.2. Реализация моделей мышц на роботе

В этом подразделе мы обсудим размещение мышц на четвероногом роботе. Хотя четвероногие животные имеют многочисленные мышцы ног, мы классифицируем их на радиальные и угловые мышцы в зависимости от направления генерирования силы, чтобы лучше понять феномен ходьбы. Согласно классификации мышц, двухзвенные ноги четвероногого робота считаются имеющими виртуальные вращательные тазобедренные суставы и линейные суставы между бедрами и пальцами ног, как показано на рисунке 4.Разгибатели и сгибатели размещаются на каждом виртуальном суставе. Мышцы виртуальных вращательных и линейных суставов примерно соответствуют мышцам бедра и коленно-голеностопным мышцам у животных соответственно.

Рисунок 4 . Размещение моделей мышц на четвероногом роботе.

Мы воспроизводим характеристики мышц четвероногого робота, используя следующий метод, разработанный ван Состом и Боббертом (1993):

1) Вычислите длину мышцы l _mtu на основе измеренных углов суставов ног.

2) Обновите длину CE l _ce . Поскольку SE соединен последовательно с CE и PE, мышечная сила F _mtu выражается как

Используя уравнения (1) и (6), скорость CE деформируется как

и l _ce вычисляется путем интегрирования уравнения (7).

3) Мышечная сила, F _mtu , получается путем вычисления F _se в уравнении (5) с использованием l _se = l _mtu — l _ce .Характеристики мышц воспроизводятся путем создания моторных моментов, соответствующих мышечным силам.

Подробнее см. Geyer and Herr (2010).

4. Реализация рефлексной схемы

Чтобы воспроизвести и понять рефлекторный механизм ходьбы животных, мы построили рефлекторную цепь, которая может воспроизводить функции ходьбы кошек. В этом разделе мы предлагаем простую рефлекторную схему, основанную на результатах предыдущих экспериментов с гуляющими кошками.

4.1. Дизайн рефлекторного пути

Мы описываем два результата предыдущих экспериментов с гуляющими кошками по построению рефлекторного пути для четвероногого робота. В экспериментах Whelan et al. (1995), электрическая стимуляция афферентных нервов мышц-разгибателей голеностопного сустава увеличивала фазу опоры. Этот результат предполагает, что разгрузка мышц-разгибателей голеностопного сустава инициирует переход от стойки к качанию. В экспериментах McVea et al. (2005), содействие движению мышцы-сгибателя во время фазы качания ускоряет время активации мышц-разгибателей голеностопного сустава.Это говорит о том, что угол тазобедренного сустава инициирует переход от качания к стойке.

Мы разработали рефлекторные пути, показанные на рисунке 5, используя эти результаты. Начиная с первого эксперимента, мы встроили возбуждающие рефлекторные пути от силовых рецепторов разгибателей колено-голеностопный сустав к мышцам бедра и колено-разгибателям голеностопного сустава. Эти пути обеспечивают функцию; если колено-голеностопные рецепторы продолжают ощущать силу реакции опоры, мышцы продолжают разгибать колено-голеностопные и тазобедренные суставы.Из второго эксперимента мы встроили возбуждающий рефлекторный путь от силовых рецепторов разгибателей бедра к мышцам-разгибателям колена и лодыжки. При использовании этого пути, если мышцы-разгибатели бедра полностью растянуты и создают напряжение, сенсорный сигнал инициирует переход от качания к стойке. Важно отметить, что для подавления чрезмерного возбуждения разгибателя бедра в конце фазы качания мы внедрили тормозной рефлекторный путь от рецепторов силы сгибателей колена и голеностопного сустава к разгибателям бедра методом проб и ошибок.

Рисунок 5 . Рефлекторные пути встроены в четвероногого робота.

4.2. Моделирование рефлекторной цепи

В этом подразделе представлена ​​модель спинномозгового рефлекса, который может генерировать движения при ходьбе с помощью четвероногого робота. Мы реализовали простую рефлекторную схему, показанную на рисунке 6A, которая является частью модели нейронной цепи, предложенной Рыбаком и др. (2006).

Рисунок 6 . Воспроизведена нейронная схема четвероногого робота. (A) Рефлекторная схема, извлеченная из модели нейронной схемы Рыбаком и др. (2006). (B) Реализационная модель рефлекторного контура для мышц бедра. Та же нервная цепь используется для мышц колено-голеностопный сустав.

Сформулируем модель рефлекторной цепи. В следующих уравнениях надстрочный индекс мышц ног обозначается как M = {HE, HF, KE, KF}, где HE, HF, KE и KF обозначают разгибатели бедра, сгибатели бедра, разгибатели колена и лодыжки и колено – сгибатели голеностопного сустава соответственно.Для состояния мышцы, i∈M, в момент времени t , мы обозначим активацию мышцы как A ⁱ ( t ), мышечная сила, масштабированная на F _max как F ⁱ ( t ), а возбуждение интернейрона как S ⁱ ( t ).

Модель реализации рефлекторной схемы показана на рисунке 6B. Поведение мотонейрона, определяющего мышечную активность A ⁱ ( t ), описано Geyer et al.(2003) как

, где τ _mn — постоянная времени связи возбуждения-сжатия. Возбуждение интернейрона, S ⁱ ( t ), определяется как

, где s ⁱ ( t ) — внутреннее состояние интернейрона. Второй член в правой части уравнения (9) выражает рефлекторные пути, которые обеспечивают обратную связь мышечной силы с интернейронами, а третий член выражает пути реципрокного торможения интернейронов.В уравнении (9) верхний индекс i¯∈M обозначает мышцу-антагонист мышцы i , а ī представляет HF, HE, KF и KE, когда i обозначает HE, HF, KE и KF, соответственно. Кроме того, s0i — смещение нейронного входа, τ _в — постоянная времени интернейронов, GFji — усиление обратной связи по мышечной силе, Gmi — усиление обратного торможения, а Δ _f — время задержка распространения сигнала.

5. Эксперименты по ходьбе с использованием четвероногого робота с рефлексивными и мышечными характеристиками

Чтобы оценить предложенную рефлекторную схему, основанную на поведении кошек при ходьбе, мы провели эксперименты по ходьбе и воспроизвели физиологический эксперимент, основанный на кошках на четвероногом роботе.Кроме того, используя робота с репрограммируемым законом рефлексов в реальном времени, мы провели эксперимент по удалению реципрокного возбуждающего пути между разгибателями (функция удлинения фазы опоры) во время ходьбы.

5.1. Условия эксперимента

Параметры для мышц бедра были установлены как l _opt = π / 6 рад, l _{провисание} = π / 6 рад и F _max = 5 Н · м, а для колено-голеностопные мышцы были установлены как l _opt = 80 мм, l _{провисание} = 80 мм и F _max = 80 Н.Кроме того, мы расположили мышцы так, чтобы они соответствовали требованиям l _ce = 0,9 l _opt для мышц бедра и l _ce = 0,8 l _opt для мышц колена и лодыжки, когда палец ноги координаты по отношению к тазобедренному суставу ( x, z ) = (0 м, -0,21 м). Другие параметры мышц были получены от Geyer and Herr (2010).

Мы применили виртуальную пружинно-демпферную характеристику к валковому шарниру опорного модуля с естественным углом в направлении вниз.Жесткость пружины была установлена ​​на 100 Н · м / рад, а коэффициент демпфирования был установлен на 1 Н · м · с / рад.

Параметры рефлекторной цепи в уравнении (9) представлены в таблице 1. В таблице 1 GFKEHE, GFKFHE, GFHEKE и GFKEKE представляют коэффициенты усиления возбуждающей обратной связи от разгибателя колена – лодыжки к разгибателю бедра, тормозящего обратная связь от сгибателя колено-голеностопного сустава к разгибателю бедра, возбуждающая обратная связь от разгибателя бедра к разгибателю колено-голеностопный сустав и самовозбуждающая обратная связь от разгибателя колено-голеностопный сустав, соответственно.Параметры рефлекторного контура были скорректированы для создания ходьбы. Время задержки мышечной информации, Δ _f , было установлено равным 15 мс, а постоянные времени мотонейронов, τ _mn , и интернейронов, τ _в , были установлены на 10 и 5 мс, соответственно. .

Таблица 1 . Значения параметров рефлексной цепи в уравнении (9).

На рисунке 7 изображена экспериментальная среда. Четвероногий робот ходил по беговой дорожке, и система захвата движения измеряла его движения.

Рисунок 7 . Снимок экспериментальной среды.

5.2. Ходьба на беговой дорожке

Сначала мы провели эксперимент с ходьбой, используя предложенную рефлекторную схему. Периодическое движение ног не появлялось в воздухе, потому что этот робот, имеющий рефлекторный контур, генерирует движение посредством своего взаимодействия с окружающей средой. В начале эксперимента по ходьбе мы держали робота с каждой ногой в покое и поместили его на беговую дорожку, чтобы активировать рефлекторный контур.

Четвероногий робот генерировал устойчивую походку, даже несмотря на то, что в нем не было центрального генератора ритма или генератора паттернов. На рисунке 8 представлена ​​схема походки робота. RF, LF, RH и LH на рисунке 8 представляют правую переднюю ногу, левую переднюю ногу, правую заднюю ногу и левую заднюю ногу соответственно, а цветные области указывают на контакт с землей. Результат показывает, что время контакта каждой ноги с землей постепенно регулируется со временем. Через 4 с время фаз стойки между RF – RH и LF – LH было одинаковым, и каждая из них находилась в противофазе; таким образом, возникли ворота.

Рисунок 8 . Диаграмма походки. RF, LF, RH и LH представляют правую переднюю ногу, левую переднюю ногу, правую заднюю ногу и левую заднюю ногу соответственно, а цветные области указывают на контакт с землей.

На рисунке 9 показано положение носка правой ноги относительно тазобедренного сустава (по оси x) и земли (по оси z) для одного цикла ходьбы от 6,95 с, когда нога касалась земли. Стрелки на рисунке 9 указывают направление движения зацепа.Результат показывает, что предложенная рефлекторная схема создает траекторию ходьбы автономно, без заранее разработанной траектории.

Рисунок 9 . Траектория пальца правой задней ноги. Положение стопы основано на тазобедренном суставе по оси x и земле по оси z. Показан только один цикл ходьбы с момента контакта с землей в 6,95 с.

Кроме того, мы исследовали механизм явления генерации движения с помощью предложенной рефлекторной схемы.На рисунке 10 представлены значения каждого члена в правой части уравнения (9) для разгибателей бедра и колено – голеностопный сустав, отображая нервный вход от каждого пути обратной связи и общий нервный вход в интернейроны. На рисунке 10 перед приземлением разгибатель бедра неактивен, разгибатель колено – голеностопный сустав активирован, а нога расположена впереди. После касания создается напряжение в разгибателях бедра и колена-лодыжки, и условия обратной связи по мышечной силе, F ^HE и F ^KE , становятся больше, что приводит к активации обоих бедер. и разгибатели колена и лодыжки.Во время перехода из стойки в замах условия F ^HE и F ^KE становятся меньше из-за разгрузки веса на ноге; мышцы-разгибатели бедра и колено – голеностопный сустав становятся неактивными. В это время активируются сгибатели бедра и колено-голеностопный сустав из-за сниженного тормозящего эффекта со стороны интернейронов-разгибателей, которые производят раскачивающее движение. В момент опускания ноги, когда нога перемещается вперед, член F ^HE на разгибателе колено – голеностопный сустав становится больше.Это означает, что мышца-разгибатель бедра полностью растянута и создает напряжение в поздней фазе качания. Это активирует разгибатель колена и лодыжки, что приводит к раскачиванию ноги вниз. Впоследствии переход от качания к стойке происходит во время касания, и движение ходьбы генерируется путем повторения этих последовательностей.

Рисунок 10 . Нейронный вход в интернейроны разгибателя бедра (HE) и колено-голеностопного разгибателя (KE) и разрывы. F ^KE , F ^KF и F ^HE — величина обратной связи мышечной силы, а S ^HF — тормозящий нервный сигнал от интернейрона мышцы-антагониста.Следует отметить, что сумма нервных импульсов от разгибателей коленного и голеностопного суставов включает смещение –0,1.

5.3. Ходячий эксперимент с разными начальными состояниями

Чтобы исследовать свойство сходимости походки, возникающей из рефлекторного контура, мы проводим эксперименты по ходьбе при различных начальных условиях. При использовании параметров рефлекса в таблице 1 все ноги остаются вперед и неподвижны в воздухе. Поэтому, чтобы подготовить различные начальные условия, мы устанавливаем входное смещение s0HE разгибателей бедра на разные значения до самого начала эксперимента с ходьбой.Различные значения смещения для s0HE вынуждают активировать или деактивировать разгибатели бедра, в результате мы готовим две исходные позиции: одну с ногой вперед (s0HE = -1) и одну с ногой назад (s0HE = 1). Комбинируя две исходные позиции каждой ноги, мы подготовили исходное состояние таблицы 2.

Таблица 2 . Список начальных условий (значение s0HE) в начале эксперимента с ходьбой.

Обратите внимание, что мы зафиксировали начальное состояние правой задней ноги на s0HE = -1, чтобы оценить стабильность походки по разности фаз между каждой ногой и правой задней ногой.

Разность фаз ноги k ∈ {RF, LF, LH} к правой задней ноге, Φ _k , была рассчитана по следующему уравнению на основе Rosendo et al. (2014) с использованием времени контакта с землей;

, где T _{k (фактическое)} — время контакта каждой ноги k , T _{RH (предыдущее)} и T _{RH (следующее)} — время предыдущего и следующего контакта правой задней лапы соответственно.В уравнении (11), поскольку разность фаз между ногой k и правой задней ногой вычисляется в диапазоне [0, 2π), значение Φ _k резко изменяется в районе 0 и 2π, например, он становится 0 при превышении 2π и 2π при падении ниже 0. Поэтому, чтобы предотвратить это резкое изменение значения, когда разность фаз Φ _k сходится около 0 или 2π, мы вычисляем разность фаз в пределах диапазона из [−π, π), используя следующее уравнение;

Рисунок 11 иллюстрирует экспериментальные результаты для начального состояния в таблице 2. В результатах для всех начальных условий разность фаз RF – RH Φ _RF сходится около 0 рад, а разность фаз RF – RH Φ _LF и Разность фаз LH – RH Φ _LH сходится около π рад. Результаты показывают, что передние и задние лапы находятся в синфазе, а левая и правая ноги находятся в противофазе, поэтому во всех экспериментах робот демонстрировал походку с устойчивым темпом.

Рисунок 11 .Разность фаз между каждой ногой и правой задней ногой в эксперименте из разных начальных условий. Начальные состояния (A – H) соответствуют состояниям в таблице 2. На рисунке также показаны среднее значение и стандартное отклонение каждой разности фаз через 4 с, когда походка стабилизировалась.

5.4. Эксперимент по воспроизведению продления фазы стойки с помощью нервной стимуляции

В экспериментах Whelan et al. (1995), электрическая стимуляция афферентных нервов от мышц-разгибателей голеностопного сустава продлевала фазу стойкости у гуляющих кошек.В этом разделе мы проводим роботизированный эксперимент, используя условия, аналогичные условиям эксперимента с кошками, чтобы оценить предложенную рефлекторную схему.

В эксперименте путь обратной связи по мышечной силе стимулировался после того, как четвероногий робот начал устойчивую походку в тех же условиях, что описаны в разделе 5.2. Чтобы воспроизвести стимуляцию афферентного нерва, который, как считается, несет информацию о мышечной силе голеностопного сустава, значение обратной связи по афферентной силе от разгибателя колено-голеностопный сустав было установлено как F ^KE = 0.5 на четвероногом роботе. Время стимуляции составляет 200 мс после активации разгибателей колена и голеностопного сустава, как в эксперименте с кошкой. На рисунке 12 показан контакт каждой ноги с землей во время эксперимента по ходьбе. Мы стимулировали афферентный афферент колено – голеностопный сустав правой ноги от 2 до 3,5 с. Время контакта правой ноги на Фигуре 12 во время стимуляции увеличилось на 1,37 с по сравнению с нормальной походкой. Это указывает на то, что фаза стойки была продлена. Таким образом, предложенная схема с реципрокным возбуждающим рефлексом воспроизводит функцию продления фазы стойки, наблюдаемую в экспериментах с гуляющей кошкой.

Рисунок 12 . Схема походки в эксперименте по стимуляции рефлекторного пути. Цветные области указывают на контакт с землей.

5.5. Эксперимент по отключению функции продления фазы опоры

В разделе 5.4 мы продемонстрировали, что предложенная схема воспроизводит функцию продления фазы стойки, наблюдаемую в экспериментах по ходьбе кошек, проведенных Уиланом и др. (1995). В этом разделе исследуется влияние предложенного рефлекторного пути, обеспечивающего функцию продления фазы опоры при ходьбе.

Мы исследовали эффекты удаления реципрокного возбуждающего пути во всех ногах после того, как четвероногий робот начал устойчивую походку в тех же условиях, что и в разделе 5.2. В эксперименте мы установили F ^KE = 0, чтобы отключить афферентную обратную связь от разгибателя колена и голеностопного сустава к разгибателям бедра и колено-голеностопный сустав, когда угол тазобедренного сустава был больше 1,68 рад, тем самым вынуждая принять стойку. -шарнирный переход. Это соответствует временному отключению афферентного нерва от мышцы-разгибателя голеностопного сустава у гуляющих кошек.

На рисунке 13A представлен контакт с землей для каждой ноги во время эксперимента по ходьбе, а на рисунке 13B изображена разность фаз каждой ноги относительно правой задней ноги. Как показано на Рисунке 13, когда афферентная обратная связь от разгибателей коленного и голеностопного суставов была отключена через 2 с, походка была неустойчивой. Этот результат указывает на то, что реципрокный возбуждающий рефлекс с функцией продления фазы стойки стабилизирует характер походки.

Рисунок 13 .Экспериментальный результат по отключению функции продления фазы опоры. (A) Диаграмма походки. Цветные области указывают на контакт с землей. (B) Разность фаз между каждой ногой и правой задней ногой.

6. Обсуждение

6.1. Механизм возникновения походки с предложенным рефлекторным контуром

Чтобы выявить рефлекторный механизм при ходьбе животных, мы предложили простую рефлекторную схему, основанную на экспериментах с ходящей кошкой, и оценили ее с помощью четвероногого робота.В эксперименте с ходьбой у робота нет CPG или нейронных связей между его ногами; однако предложенная рефлекторная схема демонстрирует генерацию ритма и настройку модели походки, как показано на рисунке 8. В этом подразделе мы обсуждаем механизм возникновения ритма и походки.

В предлагаемой рефлекторной схеме функция генерации ритма рассматривается как результат самовозбуждающей силовой обратной связи разгибателя колено-голеностопный сустав и реципрокного торможения колено-голеностопных интернейронов.Эти цепи активируют разгибатель колена и лодыжки, чтобы оттолкнуться от земли, когда сила реакции приложена к ноге. Кроме того, они активируют сгибатель колена и голеностопного сустава, чтобы поднять ногу, когда она не нагружена.

Есть две возможные причины корректировки модели походки. Первый — это силово-скоростные характеристики мышцы. Предыдущее исследование Masuda et al. (2017) продемонстрировали, что четвероногий робот без каких-либо контроллеров с обратной связью может привести к появлению некоторых походок в зависимости от приложенного напряжения.Это явление появления походки было вызвано характеристиками двигателей постоянного тока, которые регулируют фазы ног, снижая скорость вращения под действием силы реакции земли. Модель мышц типа Хилла, использованная в этом исследовании, также демонстрирует характеристики силы и скорости, которые вызывают замедление скорости сокращения при приложении силы реакции. Это показано на рисунке 3B и аналогично характеристикам двигателя постоянного тока. Следовательно, скорость сокращения мышц-разгибателей бедра регулировалась свойством мышцы во время фазы поддержки в ответ на силу реакции опоры, и это могло вызвать появление походки.

Второй причиной изменения модели походки является функция продления фазы опоры за счет обратной связи по мышечной силе. Опорные ноги продолжают продлевать фазу стойки, когда другие ноги находятся в фазе поворота, из-за концентрации нагрузки на опорных ногах. Они переходят в фазу качания сразу после распределения нагрузки, когда другие ноги соприкасаются с землей, тем самым управляя разностью фаз между ногами. В исследованиях (Ekeberg and Pearson, 2005; Maufroy et al., 2010; Rosendo et al., 2014; Habu et al., 2018), фокусируясь на функции удлинения, также продемонстрировали аналогичный феномен стабилизации походки.

6.2. Основные рефлекторные пути, способствующие созданию движений при ходьбе и воспроизведению поведения кошек

Это исследование представило простую рефлекторную схему, которая генерировала траектории ног и устойчивую походку, а также воспроизводила поведение кошек. Этот рефлекторный контур состоит из реципрокного возбуждающего рефлекса между разгибателями бедра и колено-голеностопного сустава, самовозбуждающего рефлекса разгибателей колено-голеностопный сустав и тормозного рефлекса от сгибателей колено-голеностопного сустава к разгибателям бедра.В этом разделе мы обсудим, что реципрокный возбуждающий рефлекс между мышцами-разгибателями особенно важен для создания движений при ходьбе.

Во-первых, есть две основные двигательные функции, обеспечиваемые реципрокным возбуждающим рефлексом между разгибателями. Первый — это разгибание колена, связанное со сгибанием бедра в конце фазы маха. Когда разгибатель бедра полностью растягивается инерцией ноги в конце фазы замаха, активируется рефлекс от разгибателя бедра к разгибателю колено-голеностопный сустав.В результате робот раскачивается по конечности. Второй — толчок, связанный с нагрузкой на ноги во время фазы стойки. Когда внешняя сила прилагается к разгибателю колено-голеностопный сустав из-за нагрузки на ногу на ранней стадии фазы стойки, активируется рефлекс от разгибателя колено-голеностопный сустав к разгибателю бедра, что приводит к разгибанию бедра. Благодаря рефлекторным путям разгибатель бедра активируется в соответствии с силой реакции опоры на колено-разгибатель голеностопного сустава, в результате чего разгибатель бедра создает движение вперед, когда усиливаются силы реакции опоры и силы трения.

Далее мы объясним, как реципрокный возбуждающий рефлекс между мышцами-разгибателями влияет на воспроизведение поведения кошки. Эксперимент McVea et al. (2005) показывают, что содействие движению мышцы-сгибателя во время фазы качания ускоряет время активации мышц-разгибателей голеностопного сустава. В реципрокном возбуждающем рефлексе между мышцами-разгибателями, который мы предложили, когда мах ногой ускоряется за счет помощи сгибанию бедра, активация разгибателей колена и голеностопного сустава увеличивается в соответствии с сгибанием бедра, таким образом воспроизводя тот же феномен, что и у идущей кошки.Более того, в эксперименте по выгулу кошек Whelan et al. (1995) показали, что электрическая стимуляция афферентных нервов мышц-разгибателей голеностопного сустава продлевает фазу опоры. То же явление наблюдалось и в реципрокном возбуждающем рефлексе, как показано в разделе 5.4. Следовательно, реципрокный возбуждающий рефлекс между мышцами-разгибателями способствует формированию траекторий ног и воспроизведению поведения у кошек и может быть многообещающим кандидатом на структуру рефлекторных путей у животных.

6.3. Сравнение с предыдущими исследованиями

В качестве исследования, тесно связанного с нашим результатом, модель фазового осциллятора Maufroy et al. (2010), сосредоточив внимание на продлении фазы стойкости у кошек, в экспериментах с роботами была получена стабильная походка.

Напротив, чтобы прояснить структуру рефлекторного контура, который генерирует устойчивое движение кошек, мы реализовали модель рефлекторного контура вместо фазового генератора. Предложенное нами взаимное возбуждение согласуется с уже известными ранее моделями.Несмотря на различные реализации, поскольку результат этого исследования аналогичен результатам предыдущих исследований, реципрокный возбуждающий рефлекс между разгибателями, который мы предложили, имеет такие же функции, что и предыдущая модель Maufroy et al. (2010).

В исследованиях без использования моделей осцилляторов или сложных моделей CPG была использована человеческая модель Гейера и Герра (2010), кошачья модель Экеберга и Пирсона (2005) и модель гепарда Розендо и др. (2014) создавали траектории ног и устойчивую походку за счет взаимодействия между спинальными рефлексами, динамикой тела и окружающей средой.Однако в этих исследованиях разработчики разделили шагающее движение на несколько этапов (например, этап стойки, отрыва, поворота и приземления) и разработали отдельное правило рефлекса для каждой фазы. Поэтому неясно, как эти многочисленные рефлекторные правила интегрированы в тело животного, то есть в общую структуру рефлекторного контура, обеспечивающего устойчивую походку и траекторию ног.

С другой стороны, основной вклад этого исследования состоит в выяснении основной структуры рефлекторной цепи для обеспечения устойчивой походки, которая является реципрокным возбуждающим рефлексом между тазобедренными и разгибающими мышцами колена и голеностопного сустава.Этот взаимный возбуждающий рефлекс между разгибателями, который активирует разгибатель бедра при нагрузке на разгибатель колена, является механически разумной структурой для создания толчка вперед при увеличении силы реакции опоры и силы трения. Насколько нам известно, не существует примеров такой простой рефлекторной схемы, которая автономно генерирует траекторию ног и устойчивую походку. Предлагаемая рефлекторная схема может быть существующей минимально достаточной структурой для рефлекторных схем, воспроизводящих походку животных.

В моделировании задних лап идущей кошки, проведенной Ekeberg и Pearson (2005), угол бедра и сила разгибателей голеностопного сустава считались сенсорными кандидатами на инициирование перехода из стойки в движение; для этих двух кандидатов было выполнено моделирование ходьбы. В результате четвероногое животное падало при фазовом переходе с использованием угла бедра, а в случае фазового перехода с разгрузкой разгибателя голеностопного сустава ходило устойчивой походкой. С другой стороны, эксперимент, который отключил функцию продления фазы стойки с использованием угла бедра в разделе 5.5 продемонстрировали, что функция удлинения, основанная на силе разгибателя колена и голеностопного сустава, более важна для устойчивой походки, чем фазовый переход, основанный на угле бедра. Таким образом, результаты этого исследования подтверждают гипотезу Ekeberg and Pearson (2005) о том, что разгрузка разгибателей голеностопного сустава является доминирующим фактором при переходе от стойки к маху, а не угол бедра.

6.4. Ограничения исследования

В этом исследовании мы показали, что рефлекторная цепь с реципрокным возбуждением между мышцами-разгибателями обеспечивает траектории ног и устойчивую походку, но единственная походка, наблюдаемая в рамках параметров, изученных авторами, — это походка темпа.Непонятно, почему четвероногий робот произвел шаговую походку, которая не является типичной для кошек. Однако модели Оваки и Исигуро (2017) и Хабу и др. (2018), в котором основное внимание уделялось продлению фазы стойки, было выявлено несколько моделей походки, таких как ходьба, рысь и галоп. Следовательно, как и в предыдущих исследованиях, наша модель может также генерировать другие походки, кроме темпа, путем изменения параметров тела, параметров нейронов или добавления рефлекторных путей. Например, робот Оваки и др.(2013) изменили походку с рыси на темп, добавив веса роботу и подняв его центр тяжести. Поскольку у нашего робота также может быть более высокий центр тяжести, чем у других роботов в предыдущих исследованиях, мы ожидаем, что наш робот генерирует другие походки, изменяя параметры тела, связанные с центром тяжести. Кроме того, в рефлекторной цепи есть 10 регулируемых параметров. Трудно исследовать влияние всех этих параметров на походку, поэтому изучение этого вопроса — задача будущего.

7. Заключение

В этом исследовании, чтобы прояснить структуру рефлекторной цепи, которая генерирует устойчивое движение кошек, мы исследовали рефлекторную цепь, используя платформу четвероногого робота, которая имитирует нервно-мышечную динамику животных. Этот контур состоит из обратной связи по силе возбуждающих мышц между бедром и разгибателями колено-голеностопный сустав, обратной связи по самовозбуждающей мышечной силе в разгибателях колено-голеностопный сустав и тормозящей обратной связи по силе мышц от сгибателя колена-голеностопного сустава к разгибателю бедра. который разработан на основе результатов экспериментов с выгуливающими кошками.

Основным вкладом этого исследования является выяснение основной структуры рефлекторной цепи для обеспечения устойчивой походки, которая является взаимным возбуждающим рефлексом между тазобедренными и разгибающими мышцами колена и голеностопного сустава. В экспериментах по ходьбе, проведенных на четвероногом роботе с виртуальными мышцами и рефлекторным контуром, выявились траектория ноги и паттерн походки, хотя между ногами не было CPG или нейронных связей. Кроме того, робот воспроизвел функцию продления фазы опоры, используя стимуляцию нервов-разгибателей голеностопного сустава, что наблюдалось в экспериментах с гуляющими кошками.Более того, используя робота с репрограммируемым законом рефлексов в реальном времени, мы провели эксперимент по удалению реципрокного возбуждающего пути между разгибателями (функция удлинения фазы опоры) во время ходьбы. Отсутствие реципрокного возбудительного пути снижало стабильность походки робота. Результаты показывают, что реципрокный возбуждающий рефлекс между мышцами-разгибателями способствует формированию траекторий ног и воспроизведению поведения у кошек. Поэтому мы полагаем, что это может быть многообещающим кандидатом на роль ключевой структуры для создания выгула животных.

Заявление о доступности данных

Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Авторские взносы

TT разработал робота, провел эксперименты и анализ, а также написал черновик рукописи. YM разработал исследование, участвовал в экспериментах и ​​интерпретации данных, а также помогал в подготовке рукописи.МИ способствовал интерпретации данных и помогал в подготовке рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Это исследование было частично поддержано JSPS KAKENHI [Grant-in-Aid for Scientific Research (S)], номер гранта JP17H06150, JSPS KAKENHI (грант в помощь для сложных исследовательских исследований) номер гранта JP19K21974, JSPS KAKENHI (Grant-in- Помощь молодым ученым) номер гранта JP20K14695 и грант Киотского научно-технического центра на исследования и разработки.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Editage (www.editage.com) за редактирование на английском языке.

Сноски

Список литературы

Aoi, S., Katayama, D., Fujiki, S., Tomita, N., Funato, T., Yamashita, T., et al. (2013). Основанный на стабильности механизм гистерезиса перехода шаг-рысь при передвижении четвероногих. J. R. Soc. Интерфейс 10: 20120908. DOI: 10.1098 / rsif.2012.0908

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Экеберг, О., и Пирсон, К. (2005). Компьютерное моделирование шага на задних лапах кошки: исследование механизмов, регулирующих переход из стойки в замах. J. Neurophysiol. 94, 4256–4268. DOI: 10.1152 / jn.00065.2005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гейер, Х., и герр, Х.(2010). Модель мышечного рефлекса, которая кодирует принципы механики ног, дает человеку динамику ходьбы и мышечную активность. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Англ. 18, 263–273. DOI: 10.1109 / TNSRE.2010.2047592

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хабу Ю., Ямада Ю., Фукуи С. и Фукуока Ю. (2018). «Простое правило перехода на четвероногую походку, предложенное смоделированной моделью четвероногого, управляемой мышцами, с двухуровневым cpgs», в Международной конференции IEEE 2018 по робототехнике и биомиметике (ROBIO) (Куала-Лумпур: IEEE), 2075–2081.DOI: 10.1109 / ROBIO.2018.8664855

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Масуда, Ю., Нанива, К., Исикава, М., и Осука, К. (2017). «Слабые исполнительные механизмы генерируют адаптивные походки животных без мозга», — в , 2017 Международная конференция IEEE по робототехнике и биомиметике (ROBIO), (Макао: IEEE), 2638–2645. DOI: 10.1109 / ROBIO.2017.8324817

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Maufroy, C., Nishikawa, T., and Kimura, H. (2010). «Стабильная динамическая ходьба четвероногого робота« котецу »с использованием фазовой модуляции на основе нагрузки / разгрузки ног», в Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации 2010 г. (Анкоридж, AK: IEEE), 5225–5230.DOI: 10.1109 / ROBOT.2010.5509692

CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакВи, Д. А., Донелан, Дж. М., Тачибана, А., и Пирсон, К. Г. (2005). Роль положения бедра в инициировании перехода от качания к стойке у гуляющих кошек. J. Neurophysiol. 94, 3497–3508. DOI: 10.1152 / jn.00511.2005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оваки Д., Исигуро А. (2017). Четвероногий робот, демонстрирующий спонтанные переходы походки от ходьбы к рыси к галопу. Sci. Реп. 7, 1–10. DOI: 10.1038 / s41598-017-00348-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оваки Д., Морикава Л. и Исигуро А. (2013). Почему четвероногие демонстрируют исключительно рысь или темп? Proc. Dynam. Ходьба 11: 20120669. DOI: 10.1098 / rsif.2012.0669

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Росендо, А., Накацу, С., Нариока, К., и Хосода, К. (2014). Создание попеременной походки на несвязанных задних конечностях кошек: правило мышечной разгрузки на биомиметическом роботе. Adv. Робот. 28, 351–365. DOI: 10.1080 / 01691864.2013.870495

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рыбак И. А., Стецина К., Шевцова Н. А., МакКри Д. А. (2006). Моделирование спинномозговых цепей, участвующих в генерации локомоторных паттернов: понимание эффектов афферентной стимуляции. J. Physiol. 577, 641–658. DOI: 10.1113 / jphysiol.2006.118711

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уилан, П., Хиберт, Г., и Пирсон, К. (1995). Стимуляция афферентов разгибателей I группы продлевает фазу стойкости у гуляющих кошек. Exp. Brain Res. 103, 20–30. DOI: 10.1007 / BF00241961

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, Г., Шимански, Ф., и Сейфарт, А. (2020). Контроллер прыжков на основе нервно-мышечного рефлекса, созданный на основе биологических препаратов, для сегментированной роботизированной ноги. Bioinspir. Биомимет. 15: 026007. DOI: 10.1088 / 1748-3190 / ab6ed8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гибкая онлайн-платформа для компьютеризированного адаптивного тестирования | Международный журнал образовательных технологий в высшем образовании

В предыдущем разделе мы представили нашу архитектуру и прототипную реализацию с тестовым механизмом с использованием catR.Мы смогли показать, что наша архитектура может удовлетворить CAT-ориентированные требования R1 – R3. Техническая возможность интеграции платформы с другими системами на уровне представления или данных (R4) была продемонстрирована в принципе путем принятия структуры Vaadin для отображения информации и XML в качестве одной из возможных форм представления данных элемента.

R4, однако, также имеет измерение функциональной интеграции. Платформа должна позволять интегрировать в тест внешний контент или функциональность.Это можно использовать для обеспечения мер поддержки для конкретной предметной области (например, ссылки на языки с возможностью поиска для тестов программирования и т. Д.) Во время тестов. Кроме того, еще предстоит продемонстрировать возможность отображать и оценивать элементы, происходящие из произвольных доменов (R5). Оба требования относятся к предметно-ориентированной части архитектуры. Таким образом, ниже мы покажем, как адреса R4 и R5 адресованы в разных типах элементов.

Тип элемента 1: бизнес-администрирование — влияние на прибыль

Первый пример типа элемента взят из пула элементов, предназначенного для проверки навыков бухгалтерского учета студентов профессиональных бизнес-школ в Австрии.Подробности о результатах этих тестов описаны в (Helm, 2016). Тип элемента является прототипом дихотомических элементов с простыми требованиями к отображению и вариантам ответа, которые также поддерживаются на существующих платформах.

Цель типа задания

Задания этого типа ставят перед экзаменуемым краткое текстовое описание бизнес-операции и просят их решить, влияет ли эта транзакция на прибыль компании. Есть три возможных варианта ответа, из которых ровно один подходит для любой бизнес-операции.Таким образом, элементы следует рассматривать как дихотомические.

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс для этого типа элемента (как показано на рис. 5) содержит текстовое описание бизнес-модели. Варианты ответа представлены в раскрывающемся списке.

Пользовательский интерфейс типа элемента для оценки влияния бизнес-операции на прибыль

Представление данных и оценка

Доменное представление данных в XML для типа элемента показано на рис.4 показан пример того же элемента, что и на рис. 6.

XML для хранения данных элементов для оценки влияния бизнес-операции на прибыль

Формат XML-вопроса состоит из трех тегов второго уровня, которые остаются стабильными для всех типов элементов. Тег dataStorage содержит данные, необходимые для оценки ответа экзаменуемого. Тег-вопрос содержит контент, который будет отображаться в пользовательском интерфейсе. Здесь это содержимое представлено в виде обычного текста.Сложность тега содержит параметры, необходимые для сортировки предмета в правильную сумку в пуле предметов и для последующей оценки предполагаемого уровня навыков испытуемого. Пункты этого теста описываются с помощью модели Раша. Если используются более сложные модели тестирования, соответствующие классы данных элемента должны быть расширены необходимыми типами информации.

Тип позиции 2: бизнес-администрирование — бухгалтерский учет

Второй тип позиции берется из того же теста, что и описанный выше.Оба типа использовались в комбинации для оценки навыков бухгалтерского учета учащихся школ профессионального бизнес-образования в Австрии (Helm, 2016). Ожидаемый формат ответа для этого типа элемента более сложен. Задания следуют формату сконструированных ответов, требующему от испытуемых давать ответы в заранее заданной структуре.

Цель типа заданий

Задания этого типа снова предлагают экзаменуемым краткое текстовое описание бизнес-операции, идентичное типу заданий, описанному выше.

Экзаменуемые должны правильно описывать бухгалтерскую запись в бухгалтерском учете с двойной записью для бизнес-операции. Они должны идентифицировать затронутые счета, назначить их либо для дебетования, либо для кредита и рассчитать соответствующую сумму денег, которая будет зарезервирована на каждом счете. Ответ будет правильным только в том случае, если все компоненты правильно описаны (то есть все затронутые счета правильно назначены для дебета или кредита, указаны с правильными суммами денег).

Студентам разрешается использовать план счетов с возможностью поиска при решении задачи.Доступный для поиска план счетов хранится как внешний ресурс, отделенный от платформы тестирования, и функционально встроен в пользовательский интерфейс только для элементов текущего типа (после R4).

Пользовательский интерфейс

Верхняя часть пользовательского интерфейса остается идентичной элементу типа 1. Нижняя часть, предназначенная для предоставления построенного ответа, напоминает так называемые Т-счета, которые являются обычным обозначением для бухгалтерских записей в бухгалтерском учете с двойной записью. (см. рис. 7).

Пользовательский интерфейс типа позиции для заполнения Т-счета для бизнес-операции

План счетов предоставляется двумя способами. Сначала он кодируется как раскрывающийся список фильтрации для каждого поля с именем учетной записи, извлекающий только данные из внешнего компонента (см. Рис. 8).

Динамически фильтруемый список счетов как мера поддержки для правильного заполнения Т-счета

Вторая мера поддержки — это фактический план счетов (см.Рис.9). Он предоставляет информацию о числовых идентификаторах учетных записей, которые необходимо ввести в T-счет. Студентам разрешено просматривать таблицу в любое время. Здесь внешний компонент также обеспечивает презентацию, которая встроена только в тестовый дисплей.

План счетов как мера поддержки для правильного заполнения Т-счета

Представление данных и оценка

Основная структура XML-представления элементов остается идентичной формату, представленному выше.Однако фундаментальное различие можно найти в содержимом dataStorage-Tag. Он содержит доменно-ориентированную структуру, содержащую правильный ответ, т.е. заполненный T-аккаунт, сериализованный в XML-представление (см. Рис. 10).

XML для хранения данных товаров для заполнения Т-счета для бизнес-операции

Информация, содержащаяся в тегах дебета и кредита, оценивается процедурно в методе оценки, реализованном в предметном классе, зависящем от предметной области.Это позволяет оценивать ответы в соответствии с правилами, зависящими от предметной области. В данном случае, например, ответы должны быть оценены как правильные независимо от последовательности, в которой счета перечислены в T-счете. Такое поведение оценки, зависящее от предметной области, не может быть легко реализовано на существующих платформах.

Тип элемента 3: моделирование бизнес-процессов — синтаксис концептуальных моделей

Третий тип элемента является частью продолжающихся усилий по созданию теста для оценки навыков моделирования бизнес-процессов.В этом случае не только формат ответа требует многоэтапного взаимодействия с экзаменуемым, но и представление вопроса требует более сложных визуализаций. Таким образом, он используется здесь в качестве примера, чтобы продемонстрировать гибкость подхода спецификации элементов, использованного в настоящей работе.

Цель типа элемента

Моделирование бизнес-процессов — это деятельность, выполняемая в области управления бизнес-процессами (Weske, 2010). Это задача концептуального моделирования, которая направлена ​​на то, чтобы организационные процессы представлялись и поддерживались информационными системами (Recker, Rosemann, Indulska, & Green, 2009) и были более прозрачными для членов организации (van der Linden, Proper, & Hoppenbrouwers, 2014). .Оценка навыков концептуального моделирования все еще находится в зачаточном состоянии и стала предметом исследований только в последние годы, с упором на формирующие исследования, изучающие потенциальные аспекты оценки и их практическую реализацию во время тестирования (Bider & Perjons, 2015; Frederiks & van der Weide , 2006).

Один навык, который считается необходимым в этой области, — это способность преобразовывать утверждения естественного языка в абстрактные концептуальные структуры, которые придерживаются определенных синтаксических структур, определенных в языке моделирования (Frederiks & van der Weide, 2006).Одним из предварительных условий для этой способности является способность определять, является ли данная модель синтаксически правильной (Overhage, Birkmeier, & Schlauderer, 2012).

Для проверки этой способности элементы содержат графическое представление модели бизнес-процесса с использованием языка моделирования BPMN (White & Miers, 2008). Экзаменуемые оценивают эти предметы в два этапа. Во-первых, они обнаруживают потенциальную ошибку в модели, щелкнув ошибочную конструкцию модели. В выбранном в настоящее время подходе каждая модель либо верна, либо содержит максимум одну ошибку.Если ошибка была обнаружена, экзаменуемые должны выбрать предполагаемый тип ошибки из набора заранее заданных вариантов. Таким образом, двухэтапный подход здесь объединяет формат сконструированного ответа (щелчок в произвольной позиции в модели для обнаружения ошибки) с форматом выбранного ответа (выбор типа ошибки из предоставленного списка). Правильность в настоящее время оценивается дихотомически (то есть должны быть правильными как обнаруженная ошибка, так и причина). Расширение к политомическим ответам (например,g., путем включения нескольких ошибок или рассмотрения частично правильных ответов) в настоящее время оценивается с точки зрения теории тестирования и в настоящее время не является частью реализации.

Пользовательский интерфейс

На рисунке 11 показан пользовательский интерфейс в состоянии после того, как был предоставлен полный ответ и до нажатия кнопки следующего вопроса.

Пользовательский интерфейс типа элемента для оценки навыков моделирования BPMN

Как описано выше, тип элемента требует двухэтапного ответа.Во-первых, предполагаемую ошибку в модели необходимо выбрать, щелкнув по ней. Выбранный элемент выделяется красным контуром. Доступные для выбора элементы могут быть указаны в определении элемента — таким образом, можно настроить сложность элемента.

Параметры ответа динамически загружаются в раскрывающийся список в зависимости от выбранного элемента. Для этого каждый выбираемый элемент набирается с классом элементов, к которому он принадлежит. Если, как показано в примере, выбран «закрывающийся шлюз», загружается набор типов ошибок, которые в принципе могут возникнуть в таком элементе.Затем экзаменуемые должны выбрать правильный вариант.

Тип элемента также содержит меру поддержки, аналогичную плану счетов, представленному для типа элемента 2. Здесь графическая сводка нотации BPMN может быть загружена как внешний ресурс и отображена в виде наложения.

Представление данных и оценка

Чтобы реализовать возможности взаимодействия в пользовательском интерфейсе, описанном выше, данные, хранящиеся для представления вопроса, являются более сложными, чем в предыдущих пунктах.Рисунок 12 показывает это представление.

XML для хранения данных элементов для оценки навыков моделирования BPMN

Семантика описания задачи уточняется на более детальном уровне, что позволяет более гибко строить пользовательский интерфейс. Модель тега связана с изображением графической модели, которая должна отображаться, и определяет произвольное количество выбираемых областей модели с их соответствующим типом элемента. Выбор элемента на рис.10 представлен тегом элемента с идентификатором 6 и хранится с типом = «gw-cl», который представляет «закрывающийся шлюз».

Правильный ответ, представленный в теге dataStorage, следовательно, также является более сложным, поскольку решение элемента состоит из двух частей. Формат данных в принципе позволяет хранить модели с несколькими ошибками. Однако эта опция потребует политомической обработки элементов и в настоящее время не используется.

Обсуждение требований R4 и R5

Три описанных выше примера продемонстрировали, что архитектура платформы позволяет гибко предоставлять предметно-ориентированный элемент в CAT в отношении представления данных, оценки ответов и представления элементов.Это также позволяет функционально включать в тест интерактивные внешние ресурсы.

Хранение данных элемента является гибким не только в отношении хранения специфичных для предметной области деталей, необходимых для представления и оценки ответа, но также и в отношении хранения параметров элемента, необходимых для различных IRT-алгоритмов. То же самое верно и для параметров, необходимых для правильной оценки политомических элементов.

Оценка ответа выполняется процедурно, специфично для каждого типа элемента.Процедурная оценка позволяет легко сформулировать гибкие ограничения ответа (например, переменный порядок учетных записей в примере 2) или включить многоэтапные ответы (как используется в примере 3), которые в настоящее время недоступны на существующих платформах и способствуют выполнению R5.

Представление элемента и включение мер внешней поддержки реализуется путем встраивания в платформу визуализации элементов, зависящих от типа элемента, а также структур ответов (таких как подготовленный пустой T-счет для примера 2 типа элемента).Платформа также позволяет предоставлять интерактивные визуализации элементов (например, список потенциальных ошибок в модели в примере 3 типа элемента, который динамически изменяется в зависимости от выбранного элемента модели). Те же механизмы используются для интегрирования мер поддержки, предоставляемых извне, для экзаменуемых во время тестирования в контролируемой манере (например, предоставляя их только для определенных заданий). Примеры таких мер поддержки включают интерактивный план счетов в примере 2 или нотацию BPMN в примере 3.Варианты поддержки, более глубоко интегрированные в тип элемента, такие как динамически фильтруемый список учетных записей для поддержки правильного ввода имен учетных записей, используемых в примере 2, могут быть реализованы путем извлечения данных из внешних источников при создании процедур отображения для конкретных элементов.

В целом, мы смогли показать, как архитектура платформы в целом и текущая реализация в частности позволяют удовлетворить проектные требования R4 и R5. Таким образом, представленная платформа обеспечивает некоторую гибкость для разработки и внедрения CAT в подходы к онлайн-обучению, которые еще не были доступны ни на одной другой платформе, обсуждаемой в соответствующей работе.Его цель — способствовать распространению CAT как практически осуществимого подхода к образовательной оценочной деятельности. Развертывание CAT по-прежнему требует больших предварительных усилий для создания действительного, откалиброванного пула элементов. Однако усилия по технической реализации инструмента тестирования, адаптированного для конкретного сценария, значительно сокращаются с платформой, представленной в этой статье.

Внешний обогреваемый домик для кошек Деревянный укрытие на платформе

Открытый укрытие должно выдерживать холодный зимний снег, весенний дождь и непрекращающиеся солнечные дни, поэтому этот деревянный домик для кошек с подогревом — идеальный выбор.Кедр устойчив к погодным условиям и отпугивает насекомых, таких как термиты и муравьи, поэтому ваш домик прослужит долгие годы. Укрытие имеет теплоизоляцию на полу, потолке и четырех стенах, что обеспечивает теплый дом, похожий на пещеру, зимой и прохладное место для сна летом. Есть две палубы для отдыха: нижняя на сваях, чтобы она оставалась сухой от дождя и снега, и верхняя палуба, которая идеально подходит для принятия солнечных ванн и создает глубокую крышу для нижней палубы!

Внешний вид дома : 23 дюйма Ш x 24 дюйма x 20 дюймов
Интерьер дома : 19 дюймов Ш x 18 дюймов
Дверной проем : 7 дюймов Ш x 9 дюймов
Нижняя платформа : 16 дюймов от земли с палубой для отдыха 22 x 9 дюймов
Верхняя платформа : 36 дюймов от земли с платформой для отдыха 34 x 22 дюйма (Г x Ш)

Особенности и преимущества

• ВОДОНЕПРОНИЦАЕМАЯ КРЫША : Она сделана из фанеры, покрыта водонепроницаемой войлочной бумагой, а затем обшита западным кедром поверх этого
• ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЗАПАДНОГО КРАСНОГО КЕДРА: Кедр отпугивает насекомых и сопротивляется гниению, поэтому ваш домик для кошек прослужит долгие годы!
• ТЕРМО— ИЗОЛЯЦИЯ: Пол, потолок и стены покрыты термоизоляцией, чтобы держать вашего питомца в тепле и защищать его от ветра!
• ДВА УРОВНЯ: Палуба для отдыха на первом уровне покрыта чердаком, который действует как крыша , и предоставляет вашим кошкам место для принятия солнечных ванн и кошачьего сна!
• ПОДЪЕМ НА ПЛАСТИНЕ ФОРМА: Платформа, поднятая на несколько дюймов над уровнем земли, сохраняет пол более сухим и теплым для комфортных кошек!
• ТРЕБУЕТСЯ ПРОСТОТА СБОРКИ: отвертка с батарейным питанием и простые инструкции — все, что вам нужно для сборки этого дома!
• СЪЕМНАЯ КРЫША: легко снимается, вывернув пару винтов.
• ВЕС: 33 фунта
• БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА в континентальные США и Канаду. сделайте его более комфортным местом для вашего питомца холодными зимними ночами.

Дополнительные функции:

Жесткая / подогреваемая подушка : Подставка с подогревом — самый безопасный, надежный и энергоэффективный способ обеспечить вашему питомцу теплые и комфортные условия в самые холодные периоды. зимы. Это может быть 9 дюймов x 12 дюймов или 12 дюймов x 18 дюймов и потребляет только 25 Вт мощности. Внутренний термостат поддерживает желаемую температуру 102 градуса во время использования. Когда вы приобретаете грелку вместе с домом, мы подготовим ее для электрического шнура.

Дополнительная дверь (побег): Дайте вашему кошачьему другу дополнительный выход на случай, если хищники начнут обнюхивать. Имея те же размеры, что и входная дверь, эта дверь может быть установлена ​​на задней стене, левой стене или правой стене, если смотреть лицом к входной двери.

Виниловая дверная створка: Используется винил, достаточно тяжелый, чтобы действовать как барьер. Мы разрезаем створку на полоски, чтобы кошке было легче входить и выходить. Окончательно закрепляем его с внутренней стороны сверху дверной коробки.

Вставка для круглой двери : Если ваша кошка любит протискиваться через отверстия в заборе или находить изолированный угол, чтобы свернуться калачиком, ей может понравиться этот стиль круглой двери. Вкладыш имеет круглое отверстие диаметром 6 дюймов и может быть легко удален, если кошка слишком велика, чтобы пройти через него или просто не любит его.

Доставка: Доставка из Канады через FedEx Ground. Время доставки: 3-7 рабочих дней в зависимости от того, куда он направляется.

Проблемы дикой природы | Alley Cat Allies

Проблемы дикой природы

Если вы ухаживаете за колонией местных кошек или выполняете ловушку-кастрат-возвращение (TNR), вы обязательно встретите в своих приключениях различные виды диких животных.Общинные кошки часто делят свои дома на открытом воздухе с такими животными, как опоссумы, еноты, кролики и скунсы. Эти маленькие существа могут иногда проникать в укрытия, предназначенные для кошек, съедать кошачий корм и даже попадаться в ловушки, установленные для TNR. Защита всех животных важна, поэтому прибегайте к этим методам гуманного отпугивания диких животных от ваших кормовых пунктов, убежищ и ловушек.

Уход за колонией

• Протоколы кормления. Содержите места кормления кошачьих колоний в чистоте.Чем меньше еды вокруг, тем меньше шансов привлечь других диких животных. Дайте котятам достаточно еды в течение 30 минут, а затем уберите все миски и корм. Поскольку еноты, опоссумы и скунсы не умеют прыгать и карабкаться так же хорошо, как кошки, подумайте о том, чтобы поставить миски с едой на высокой платформе, на которую могут взобраться только кошки. Хранение пищи над землей также предотвратит попадание насекомых в пищу. См. Некоторые варианты станций кормления.
• Уличные укрытия . Поднимите укрытия на платформах, чтобы жители из семейства кошачьих были единственными жителями.Опять же, поскольку большинство диких животных не могут прыгать так же высоко или так же хорошо, как кошки, вам не нужно беспокоиться о том, чтобы они достигли приподнятых укрытий. Сделайте дверь в приют достаточно большой, чтобы кошки могли пройти через нее (около 6 дюймов в ширину). Поскольку не существует надежного способа отпугнуть диких животных от уличных приютов для кошек, воспитатели часто предоставляют несколько приютов, чтобы разместить их всех. Ознакомьтесь с некоторыми вариантами укрытий на открытом воздухе.
• Безопасность от хищников. Есть несколько мест, где кошкам угрожают хищники, например, койоты.Предоставление укрытий на открытом воздухе поможет кошкам оставаться в безопасности, но важно, чтобы в приютах было несколько дверных проемов, чтобы кошки могли легко вбегать и выбегать. Вы также можете построить забор вокруг своей собственности, чтобы не допустить хищников.
• Угроза бешенства со стороны дикой природы. Дикие животные, такие как скунсы и еноты, в значительной степени поражены бешенством. Вы можете защитить кошек от заражения бешенством, сделав им прививку во время процесса TNR. Эти прививки длятся несколько лет, но мы рекомендуем следовать вашим местным постановлениям, чтобы постоянно обновлять записи о кошках и вашей колонии.

Ловушка-нейтраль-возврат

• Не допускайте попадания диких животных в ловушки. Поскольку вы будете следить за ловушками во время ваших усилий TNR, вы можете следить за дикой природой, пытающейся проникнуть в ваши ловушки. Большинство диких животных, таких как опоссумы, скунсы и еноты, выходят только ночью. Если эти животные мешают вам отловить ловушку, измените свое расписание на отлов в начале дня. Если они все еще попадают в ловушки, используйте капельные ловушки, чтобы вы могли контролировать, когда ловушка срабатывает и кто в ловушке.
• Отлов дикой природы. В случае, если дикие животные случайно попадут в ловушку, будьте очень осторожны. Немедленно накройте ловушку одеялом, чтобы животное успокоилось. Обязательно наденьте толстые перчатки, чтобы не поцарапать или укусить. Медленно поднимите крышку с раздвижной задней двери ловушки, повернув заднюю дверь в сторону от вас. Если животное не уходит немедленно, немного наклоните ловушку, чтобы оно выскользнуло из спины.

Влияние кошек на дикую природу

• Часть пейзажа. Кошки веками жили на открытом воздухе и приспособились к приспособленческим падальщикам, что означает, что они с большей вероятностью будут питаться отходами и мусором, оставленными людьми. Прочтите о нашей кампании «Спасем птиц» и о том, как нельзя обвинять кошек в сокращении популяций птиц.
• Реальные угрозы дикой природе. Люди — угроза номер один для всей дикой природы. Постоянное разрушение среды обитания и более широкое использование ресурсов оставляют дикой природе все меньше мест, которые можно было бы назвать своим домом, и меньшее количество источников пищи.Узнайте больше о воздействии человека на дикую природу и о том, что вы можете сделать, чтобы спасти и защитить всех животных.

KIYUMI Cat Tree Cat Tower для котенка Сизаль когтеточки Cat Condo Play House Jump Platform Мебель для кошек Центр деятельности, серый

KIYUMI Cat Tree Cat Tower for Kitten Сизаль когтеточки Cat Condo Play House Платформа для прыжков Мебель для кошек Центр деятельности, серый