Research on Biomedical Engineering
/doi/10.4322/rbeb.2012.073
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Demanda do sistema nervoso central no controle da postura ereta humana: um modelo em malha aberta e malha fechada

Central nervous system demand on human erect posture control: an open and closed loop model

Coelho, Daniel Boari; Duarte, Marcos

Resumo

A maneira como os seres humanos controlam o equilíbrio na postura ereta não é ainda totalmente compreendida e como o sistema nervoso central controla e mantém a postura ereta quieta ainda é alvo de discussão. Nos modelos de controle postural existentes observa-se uma variação contínua do sinal do elemento final de controle, o que certamente pode comprometer a integridade do mesmo e provocar grande demanda de processamento. Visando sua preservação, uma solução seria aumentar o período de comutação, fazendo com que o elemento final de controle atue somente quando o balanço postural afastar-se consideravelmente do sinal de referência. Uma forma de implementar essa solução é em pregar controladores que possuam uma zona morta ou inter valo diferencial em torno do valor de referência, definida por um limite superior e um limite inferior. O presente trabalho teve como objetivo investigar se modelos de controladores com intervalo diferencial são adequados para representar o controle da postura ereta. Para tanto, foi implementado um modelo de pêndulo simples para representar a dinâmica do sistema músculo-esquelético humano no plano sagital, com o sistema de controle neural enviando comandos para gerar um torque corretivo que resiste ao desvio da posição do corpo. Implementou-se um modelo de controle por feedback, onde o desvio da posição de referência é percebido e cor rigido por um controlador PID que se assemelha a parâme tros neuromusculares, acrescido das características passivas visco-elásticas do músculo. O modelo foi simulado para limites superiores e inferiores de até 0,5º do sinal de referên cia, onde neste intervalo o sistema age como malha aberta. Observou-se que a opção do controlador com intervalo dife rencial piora a qualidade do controle, mas solicita menos o elemento final de controle.

Palavras-chave

Biomecânica, Controle postural, Pêndulo invertido, Zona morta, Feedback.

Abstract

The necessary demand to stabilize the human posture is associated with the way Central Nervous System controls and keeps the quiet erect posture. In existing posture control models, a continu ous variation of final element control signal is observed, which will certainly wear the controller. A solution to preserve it would be the increase in commutation period, causing the final control ele ment to act only when postural balance is distantly related to refer ence signal. A way to implement this solution is to use controllers with a differential gap around the reference signal, defined by a superior and inferior limit. A simple pendulum model is used to represent the dynamics of the human musculoskeletal system on sagittal plane, with neural control system sending instructions in order to produce a corrective torque that stand up to body position deviation. A feedback control model was carried out, where there reference position deviation is perceived and corrected by a PID controller, that resembles neuromuscular parameters, added to pas sive viscous-elastic properties of the muscle. A model for superior and inferior limits up to 0.5° of reference signal was simulated. In this gap the system acted as an open loop, therefore without the correction of reference signal. It was observed that the option of controller with differential gap worsens the quality of control, but demands less the final element of control.

Keywords

Biomechanics, Postural control, Inverted pendulum, Differential gap, Feedback.
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Res. Biomed. Eng.

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