نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی ارومیه

2 دانشیار، آزمایشگاه سایبرنتیک و مدلسازی سیستم های بیولوژیکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22041/ijbme.2010.13332

چکیده

نوشتن از مهارت‌های حرکتی پیچیده در انسان به‌شمار می‌رود. مدل‌هایی که تاکنون در این زمینه ارائه شده‌اند؛ مدل‌هایی پائین به بالا هستند و در آنها توجه کمتری به جنبه‌های بیولوژیکی حرکات صورت گرفته است. همچنین مدلی کیفی از فرایند نوشتن که عملکرد نواحی مختلف مغزی را حین انجام این فرایند توجیه کند، وجود ندارد. در این مقاله با استناد به یافته‌های نورولوژیکی و فیزیولوژیکی، عملکرد نواحی مختلف مغزی در فرایند نوشتن شرح داده شده است. سپس شواهدی مبنی بر وجود پیش‌بینی در نوشتن و وجود مدلی درونی ازدینامیک اندام‌های بدن نظیر دست ارائه شده است. با توجه به شواهد موجود، مدلسازی فرایند نوشتن با استفاده از روش کنترل پیش‌بین امکان‌پذیر است. نتایج نشان دادند مدلسازی این فرایند با استفاده از کنترل‌کننده پیش‌بین مبتنی بر مدل، شباهت زیادی با واقعیت و ماهیت این مهارت انسانی دارد. از مزایای این مدل، می‌توان به این موارد اشاره کرد: انطباق بالای آن با اصول بیولوژیکی شناخته شده، مدلسازی پیش‌بینی در نوشتن، همبستگی بسیار زیاد مشخصه‌های استاتیکی و دینامیکی حروف تولیدی با نمونه‌های انسانی.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Kinematical Modeling of the Writing Process using Model Predictive Control

نویسندگان [English]

  • Mehdi Borjkhani 1
  • Farzad Towhidkhah 2

1 Instructor, School of Electrical Engineering, Urmia University of Technology

2 Associate Professor, School of Biomedical Engineering, Cybernetic and biological modeling laboratory, Amir Kabir University of Technology

چکیده [English]

Writing is one of the high practiced and complex movement skills of human. Most of the proposed models for writing are bottom-up models, and therefore they could not reflect the biological aspects of movements in this process. Also there is not any model for illustrating the role of different parts of the brain in this task. In this paper we are going to describe some neurological and physiological aspects of the brain operation in the writing task. Then some evidence of prediction in writing and existence of internal models for limbs such as hand are presented. According to these, modeling of writing using model predictive control (MPC) is possible. Based on the presented simulations and experimental results it seems that the modeling of writing by MPC is very similar to the real skill, The proposed model has some advantages such as being consistent with the biological evidence, modeling prediction in writing and high correlation of the statical and dynamical features of the generated letters with those written by human.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Writing process
  • Internal model
  • Cerebellum
  • model predictive control
  • prediction

[1]      Schomaker L.R.B., Simulation and recognition of hand writing movements: a vertical approach to modeling human motor behavior, Ph.D. thesis Nejmigen University Netherlands; 1991.      

[2]      Hollerbach J. M., An oscillation theory of handwriting, Biological Cybernetics, 1981; 39: 139-156.

[3]      Edelman S., Flash T., A model of handwriting, Biological Cybernetics, 1987; 57: 25-36.

[4]      Plamondon R., Guerfali, W., The generation of handwriting with delta-lognormal synergies, Biological Cybernetics, 1998; 78: 119-132.

[5]      Grossberg S., Paine R. W., A neural model of corticocerebellar interactions during attentive imitation and predictive learning of sequential handwriting movements, Neural Networks, 2000; 13: 999–1046.

[6]      نقیب الحسینی مریم، بهرامی فریبا، مدلی رفتار پایه جهت توصیف یادگیری نوشتن حروف فارسی، فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی، 1387، دوره 2؛ شماره 2: 75-84.

[7]      Guyton C., Hall J. E., Textbook of Medical Physiology, 10th edition, Saunders 2000.

[8]      Kandel E. R., Schwartz J. H., Jessell T. M., Principles of Neural Science, McGraw-Hill New York, 4th Edition 2000.

[9]      Towhidkhah F., Gander R., Wood H., Model predictive impedance control: a Model for Joint Movement, Journal of Motor Behavior, 1997; 29: 209-222.

[10]   Gangadhar G., Joseph. D., Chakravarthy V. S., An oscillatory neuromotor model of handwriting generation, Springer, IJDAR, 2007; 10: 69–84.

[11]   Miall R. C., Reckess. G. Z., The cerebellum and the timing of coordinated eye and hand tracking, Brain and Cognition, 2002; 48: 212-226.

[12]   Ito M., Neurophysiological aspects of the cerebellar motor control system. International Journal of Neurol, 1970; 7: 162-176.

[13]   Houk J.C, Buckingham J.T, Barto A.G, Models of the cerebellum and motor learning, Journal of Behavioral and Brain Sciences, 1996; 19: 368-383.

[14]   Kawato M., Internal models for motor control and trajectory planning, Journal of Current Opinion in Neurobiology, 1999; 9: 718–727.

[15]   Wolpert D. M., Doya K., Kawato M., A unifying computational framework for motor control and social interaction, J. R. Soc, 2000; 358: 593-602.

[16]   Kawato M., Internal models for motor control and trajectory planning, Journal of Curent Opinion in Neurobiology, 1999; 9: 718-727.

[17]   Shadmehr R., Generalization as a behavioral window to the neural mechanisms of learning internal models, Human Movement Science, 2004; 23: 543-568.

 

[18]   Ackermann H., Wildgruber D., Daum I., Grodd W., Does the cerebellum contribute to cognitive aspects of speech production? a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study in humans, Neuroscience Letters, 1998; 247: 187–190.

[19]   Ekeberg F. A., Forssberg H., Control strategies correcting inaccurately programmed fingertip forces: Model predictions derived from human behavior, Journal of Neurophysiology, 2003; 89: 2904–2916.

[20]   Shadmehr R., Ivaldi M., Adaptive representation of dynamics during learning of a motor task, Journal of Neuroscience, 1994; 14: 3208–3224.

[21]   Schwartz A. B., Motor cortical activity during drawing movements: single unit activity during sinusoid tracing, Journal of Neurophysiology, 1992; 68: 528–541.

[22]   Schwartz A. B., Useful signals from motor cortex, Journal of Physiology, 2007; 579.3: 581-601.

[23]   Moran D. W., Schwartz. A. B., Motor cortical representation of speed and direction during reaching, Journal of Neurophysiology, 1999; 82: 2676–2692.

[24]   Wang W., Sherwin S. Chan, Dustin A. Heldman, Moran D. W., Motor cortical representation of position and velocity during reaching, Journal of Neurophysiology, 2007; 97: 4258–4270.

[25]   Burton A. W., Pick H. L., Holmes C., The independence of horizontal and vertical dimensions in handwriting with and without vision, Acta Psychologica, 1990; 75: 201-212.