Устройство для оценки психофизиологических характеристик оператора систем управления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К А6ФОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (t1) 40033 30 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (51)M. Кл. (22) Заявлено 21. 08. 78 (2 I ) 2659688/18-24

G 09 В 9/00

А 61 В 5/10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

I 7даРствевкык xowerer

СССР ае алкам N364pefeeel и еткрытий

Опубликовано 07.03. 83. Бюллетень М 9

Дата опубликования описания 09.03,83 (53) УДК 681.3., 071 (088. 8) (72) Авторы изобретения

А.А. Востриков, А.П. Ильинский и Я.M. Моргулис (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАТОРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

-1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для регистрации движений человека-оператора в эрготических системах, является средством передачи командной информации от one- > ратора к машине и предназначено для повышения эффективности биотехнического управления в системах "человектехника" и "гибридного интеллекта". о

Из вес тно ус тройс тво для о цен ки психофизиологических характеристик оператора систем управления, содержащее датчик (электроды для съема биопотенциалов соответствующих мышц),15 усилитель биопотенциалов, фильтры выделения огибающей и сервопривод-t.1).

Недостатком этого устройства является бедность спектра возможных команд, снимаемых каждым каналом биоэлектрического управления,. Устройство не позволяет выявлять разнообразие кодов психической деятельности оператора, 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 испыту.емого), усилители биопотенциалов, магнитофоны, чернилописец, блок ограничителей, формирователей и интеграторов, цифровой анализатор с аналогоцифровым преобразователем, вычислительные машины с блоками цифропечати и перфорации, а также стимуллтор, проектор, громкоговоритель и микрофон (2).

Основные недостатки этого устройства - паттерн-коды сенсорных образов слов могут быть выявлены только у больных в процессе психологических

3 10031 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 реше" нием к изобретению является устройст" 16 во, содержащее датчик движений испытуемого, блок управления, цифровой регистратор, усилитель, графический регистратор, фильтр верхних частот, измеритель мощности тремора, триггер 35

Шмидта, счетчик импульсов, ключи, причем выход датчика движений испытуемо- го соединен с входом ус или теля, 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 управлени, связан со счетным входом счетчика, вход "Установка ну" ля" которого подключен к блоку управления, а выход через ключи, связанные с блоком управления, соединен с цифровым регистратором. Датчик движе" ний испытуемого содержит источник рассеянного света, круговой экран с рав:номерно увеличивающейся от центра плотностью затемнения, указку с фото- диодом на конце, причем фотодиод электИ рический подключен к входу усилителя (3$

При использовании известного устройства получают недостаточную инфор48 мацию, так как из тремора конечности испытуемого, который происходит в трехмерном пространстве, оптикомеханической частью датчика воспринимаются только вертикальная и горизонтальная составляющие движения и то не раз«45 дельно, а, суммируясь, преобразуются в электрический сигнал на входе усилителя. Кроме того, устройство невозможно испольэовать в качестве терминала, так как не выявляются паттерн- - @ коды моторных образов, графики слов, букв и рисунков, которые содержатся в пространственном треморе при оперировании соответствующими графемами в интеллектуально-мнестических процессах.

Указанные недостатки ограничивают быстродействие процесса оценки психо30 физиологических характеристик оператора.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства за счет создания 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.

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

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

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

Устройство (фиг, ) содержит блок 1 согласования, состоящий из усилителя 2 и аналого-цифрового преобразователя 3, который подсоединен к блоку 4 управления, блок 5 регистрации, представляющий собой дисплей 6 со световым пером 7.

Устройство также содержит трехкоординатный преобразователь 8 напряжения, три выхода которого подсоединены соответственно к трем входам трехканального усилителя 2 через трехканальный синхронный детектор 9, причем

30 6 цифрового преобразователя 3 трех составляющих пространственно-временной 25 организации микротремора.

Такая или аналогичная корреляционная обработка пространственно-временной организации микротремора руки человека в том случае, если он вни- зо мательно наблюдает за динамикой писания текста или зарисовками, выявляет, что наряду с шумами и физиологическими ритмами (пульс, дыхание),. в микротреморе содержатся паттерн-коды моторных образов, графики текста или зарисовок. Иозг наблюдателя автоматически кодирует паттернами микротремара графемы, т.е. знаки текста или штрихи рисунка, так, как будто они не-,о осознанно рисуются самим наблюдателем.

Если путем несложных тренировок добиться, чтобы, подавая команды, человек-оператор представлял их в ви- де написанного текста или стилизованного рисунка, то в динамике пространственно-временной органиэации микротремора в реальном масштабе времени появляются паттерн-коды, вэаимнооднозначно соответствующие граФемам мысленных команд.

5 10031 к входам опорного сигнала преобразователя 8 и синхронного детектора 9 подключен трехчастотный генератор 10.

Преобразователь 8, детектор 9 и генератор 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- Io канального усилителя 2 непосредственно, а питание постоянным током трехкоординатного преобразователя 8 осуществляется от стабилизатора питания,.

Блок 4 управления включает три идентичных вычислителя 11, подкпюченных через коммутатор 12 к блоку 13 памяти, и подключен к аналого-цифровому преобразователю 3 и блоку. 5 регистрации через коммутатор 12. Блок 4 20 управления обеспечивает динамический факторный анализ оцифрованных при помощи трехканального аналогоТрехкоординатный преобразователь 8 напряжения (фиг, 2) содержи три соленоида 14, расположенные в трех взаимно перпендикулярных пересекающихся плоскостях. В точке пересечения плоскостей упомянутых соленоидов 14 на системе мягкой подвески (пружинах 15) расположен шарик 16 из магнитомя гкого материала, представляющий собой элемент обратной связи (фиr. 2 и 3) . Каждый из соленоидов 14 содержит.две обмотки 17 и 18.

Тремор руки человека-оператора вызывает смещение шарика 16 относительно плоскостей соленоидов 14.

Трехкоординатный преобразователь 8 напряжения (фиг. 4 и 5) содержит три конденсатора 19, обкладки которых no"" мещены в жидкий диэлектрик 20, имеющий высокую диэлектрическую постоянную. Между.обкладками каждого из конденсаторов 19 помещены гибкие зон" ды 21, объединенные шариком 16. Обкладки каждого из трех конденсаторов 19, образующих трехкоординатный преобразователь, расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Шарик 16 установлен в центре при помощи системы мягкой подвески (пружин 15 ). Так же, как и в предыдущей реализации, тремор руки человека" оператора 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, т.е., пользуясь световой клавиатурой, предъяв" ленной .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 информации блоком 4 управления в блоке 13 образуется взаимооднозначное соот" ветствие между машинными кодами букв, цифр и стилизованных рисунков, а также кодами развертки граф м в реальном масштабе времени.

После окончания этой части процедуры оператор прикасается световым петана вли вается еще одно взаимооднозначное соответствие.

Таким образом, в результате своеобразного "обучения" блока 4 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 микротреморный 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 фиг. 1 не показана), когда вход в ЭВМ осуществляется путем трансляции блоком 4 управления паттерн-кодов соответствующим индивидуальным графемам букв, цифр и командных знаков в машинный код. Для этого полученные с выхода детектора 9 три составляющие пространственного микротремора его руки усиливаются усилителем 2, оцифровываются трехканальным аналого-цифровым преобразователем 3, после чего выделенные блоком 4 управления паттерн-коды заменяются соответствующими машинными кодами, которые передаются в канал связи и для контроля од новременно предъявляются оператору на экране дисплея 6. Приходящие по каналу связи ответы основной ЭВМ также предъявляют ся опера тору на экране дисплея 6.

Процедура включения в работу упрощается, если оператор знакоми терминалу, т.е. 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 ЭВИ через микротреморный терминал", в результате чего при наличии в блоке 13 .набранных инициалов устроиство переключается в режим диалога через канал связи с основной ЭВМ.

При реализации трехкоординатного преобразователя 8 (фиг. 2 и 3) первичные обмотки 17 соленоидов 14 пита7 1003130 8 ром 7 к световой кнопке "Знакомство с микротремором" и обеспечивает контакт руки с трехкоординатным преобразователем 8. Пользуясь хранящимися в блоке 1З,кодами разверток графем, s блок 4 управления поочередно высвечивает на экране дисплея 6 в увеличен" ном масштабе все графемы, причем луч повторяет обход. знаков образцового текста и рисунков тем самым индивиду-1О альным стилем, присущим именно этому конкретному человеку-оператору„

В результате того, что оператор следит за движением луча, выписывающего графемы на экране дисплея 6, в динамике пространственно-временной организации микротремора его руки наряду с шумами и физиологическими ри мами (пульс, дыхание) появляются корреляты графем. 2О

Первичные обмотки 17 трех сдвоенных соленоидов 14 (фиг. 2 и 3) трехкоординатного преобразователя 8 (фиг, 1) питаются соответственно .каждая своей частотой от генератора 10.

Тремор руки человека-оператора вызывает вибрацию шарика 16. Перемещение шарика 16 относительно соленоидов 14 вызывает изменения коэффициентов трансформации между первичной 17 и Зо вторичной 18 обмотками в каждом из соленоидов 14. Соответственно меняется

ЭДС, наводимая во вторичных обмотках 18 каждого из этих соленоидов 14, Каждая вторичная обмотка 18 подсоеди-. нена к своему каналу трехканального синхронного детектора 9. Благодаря разным опорным частотам от генератора 1.0, подаваемым по отдельности в каждый из каналов синхронного детек= тора 9, на трех выходах последнего выделяются огибающие, соответствующие трем взаимно перпендикулярным составляющим вибрации шарика 16.

Полученные с выхода детектора 9 эти три составляющие движения его руки усиливаются трехканальным усилите.лем 2, оцифровываются трехканальным аналого-цифровым преобразователем 3, после чего при помощи блока 4 управле50 ния методом ди нами ческо го фа кторного анализа из оцифрованных трех компонент динамики пространственно-временной организации микротремора выделяются паттерн-коды. Поскольку по времени своего появления эти паттерн-коды соответствуют предъявляемым на экране дисплея 6 графемам, то в блоке 13 ус55

9 10031 ются постоянным током от стабилизатора питания. Перемещение шарика 16 относительно плоскостей соленоидов 14 вызывает изменение магнитного потока через вторичные обмотки 18 каждого из соленоидов 14, что наводит в них ЭДС, которая подается непосредственно на соответствующий вход трехканального усилителя 2. Дальнейшая работа уст,ройства протекает, как было описано ie выше.

Трехкоординатный преобразователь 8 напряжения (фиг. I, 4 и 5 ) функционирует следующим образом.

На пластины всех трех конденсато- 1S ров 19 подается переменное напряжение на каждую пару своей частоты от генератора 10. При изменении положения зондов 21 по отношению к пластинам конденсаторов 19 на каждом из них по-щ являются сигналы, модулированные no амплитуде и фазе в зависимости от положений зондов 21 относительно центра преобразователя 8. Напряжения, снима емые с зондов 21 через трехканальный 2 синхронный детектор 9, подаются каж- . дое на соответствующий вход трехканального усилителя 2. Дальнейшая работа устройства происходит, как было описано выше. 30

На каждую пару пластин всех трех конденсаторов 19 может также подаваться постоянное высокое напряжение. Перемещение каждого зонда 21 относительно пластин 19 вызывает появление з сигналов, величина которых зависит от положений зондов 21 относительно центра преобразователя 8. Напряжение, снимаемое с каждого из зондов 21,непосредственно подается на соответствую- 4в щий вход трехканального усилителя 2, Дальнейшая работа устройства происходит так, как это было описано выше.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретении в дина- 15

Ф мике пространственно-временной органи" зации микротремора руки человека-оператора выявляются паттерн-коды моторных образов, графики слов, букв и рисунков при оперировании ими в ин50 теллектуально-мнестических процессах и, тем самым, обеспечивается 6олее быстрое биотехническое управление в системах "гибридного интеллекта" и "человек - техника".

Непосредственным практическим применением предлагаемого и зобретения является создание на его основе более

30 10 эффективных диалоговых систем, более быстродействующих систем управления, например, авиационными H космическим объектали, а также системами, работающими в экстремальных условиях, например в условиях перегрузок.

Кроме того, предлагаемое изобретение может быть использовано для конт. роля состояния человека-оператора, а также для исследований в области

"искусственного интеллекта" и человеко-машинных систем обучения..

Формула изобретения

1. Устройство для оценки психофизиологических характеристик оператора систем управления, содержащее блок управления, соединенный с блоками согласования и регистрации, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройс-ва, оно содержит последовательно включенные генератор, трехкоординатный преобразователь напряжения и синхронный детектор, подключенный к блоку согласования и генератору.

2. Устройство по и . 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит вычислитеги, подключенные через коммутатор к блоку памяти, а также к входам и.выходам бло" ка.

3„Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок согла" сования содержит последовательно включенные усилитель и аналого-цифро" вой преобразователь, соединенные с входами и выходами блока соответствен" но.

4, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что трехкоорди" натный преобразователь напряжения содержит элемент обратной связи, . связанный с соленоидами, 5. Устройство по и . 1, о т л и - . ч а ю щ е е с я тем, что трехкоорди" натный преобразователь напрянения содержит элемент обратной связи, связанный с конденсаторами.

6. Устройство по и. 4, о т л ич а ю щ е е с я тем, что элемент ообратной связи выполнен в виде шарика, соединенного посредством пружин с корпусом преобразователя.

Ис то чни KN и нформа ци и, принятые во внимание при экспертизе

1 Патент США М 31ц6371, кл. 244-83, 1961 .

11

2 бехтерев Н.П. и др. Мозговые коды психической деятельности. Л., "Наука". 1977 с. 23-26. 003130

12

3. Авторское свидетельство ССОР и 556559, кл. A 61 В 5/10, 1976 (прототип).

1003130

4ЪГ 1 я. а i 6

Филиал illlll "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель A. Карлов

Редактор С. Пекарь Техред М. Коштура Корректор М. Йарови

Заказ 1573/35 Ти.раж 486 Подпи с мое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11 035, Москва Ж-35 Ра шская наб.. 4/5