MPI CyberMotion Simulator: Implementatie van een nieuwe Motion Simulator uw zintuigen Pad Integratie Onderzoek in drie dimensies

Barnett-Cowan, M., Meilinger, T., Vidal, M., Teufel, H., Bülthoff, H. H. MPI CyberMotion Simulator: Implementation of a Novel Motion Simulator to Investigate Multisensory Path Integration in Three Dimensions. J. Vis. Exp. (63), e3436, doi:10.3791/3436 (2012).

Pad integratie is een proces waarbij zelf-beweging wordt geïntegreerd over de tijd om een schatting van je huidige positie ten opzichte van een startpunt ^{1 te} verkrijgen. Mensen kunnen doen pad integratie uitsluitend op basis van visuele ^2-3, auditieve ⁴ of inertie signalen ^5. Echter, met meerdere signalen aanwezig zijn, inertie aanwijzingen - in het bijzonder kinesthetische - lijken te domineren ^6-7. Bij het ​​ontbreken van visie, mensen hebben de neiging om korte afstanden (<5 m) en het draaien van hoeken (<30 °) te overschatten, maar langere, onderschatten ^5. Beweging door fysieke ruimte is derhalve niet zo nauwkeurig wordt vertegenwoordigd door de hersenen.

Er is al veel gedaan op het evalueren van het pad integratie in het horizontale vlak, maar er is weinig bekend over verticale beweging (zie ³ voor virtuele bewegingen van visie alleen). Een reden hiervoor is dat de traditionele beweging simulatoren hebben een klein bereik van de beweging beperkingented vooral het horizontale vlak. Hier hebben we gebruik maken van een motion simulator ^8-9 met een groot bereik van de beweging om te beoordelen of het pad integratie is vergelijkbaar tussen horizontale en verticale vlakken. De relatieve bijdragen van inertie en visuele cues voor navigatie pad werden ook beoordeeld.

16 waarnemers zat rechtop in een stoel gemonteerd op de flens van een gemodificeerde KUKA antropomorfe robotarm. Zintuiglijke informatie werd gemanipuleerd door middel van visuele (optic flow, levenslange beperkte ster veld), vestibulaire-kinesthetische (passieve beweging zelf met de ogen gesloten), of visuele en vestibulaire-kinesthetische beweging cues. Beweging trajecten in het horizontale, sagittale en frontale vliegtuigen bestond uit twee segment lengtes (1e: 0,4 m, 2e: 1 m; ± 0,24 m / s ² piek versnelling). De hoek van de twee segmenten was 45 ° of 90 °. Waarnemers wezen terug naar hun oorsprong door het bewegen van een pijl die werd bovenop een avatar gepresenteerd op de screen.

Waarnemers hadden meer kans om de hoek grootte onderschatten voor beweging in het horizontale vlak ten opzichte van de verticale vlakken. In het frontale vlak waarnemers hadden meer kans om de hoek grootte te overschatten, terwijl er geen bias in het sagittale vlak. Tot slot, de waarnemers reageerden trager bij het beantwoorden op basis van vestibulaire-kinesthetische informatie alleen. Human pad integratie op basis van vestibulaire-kinesthetische informatie alleen duurt dus langer dan wanneer visuele informatie aanwezig is. Dat wijst in overeenstemming is met onderschatting en overschatting van de hoek heeft men bewogen door respectievelijk de horizontale en verticale vlakken, suggereert dat de neurale representatie van het zelf-motion door de ruimte is niet-symmetrisch, die betrekking kunnen hebben op het feit dat mensen ervaring beweging meestal binnen de horizontale vlak.

1. KUKA Roboter GmbH

1. De MPI CyberMotion Simulator bestaat uit een zes-joint seriële robot in een 3-2-1 configuratie (figuur 1). Het is gebaseerd op het commerciële KUKA Robocoaster (een gemodificeerd KR-500 industriële robot met 500 kg lading). De fysieke wijzigingen en de software controle structuur die nodig is om een flexibele en veilige experimentele opstelling hebben eerder zijn beschreven, waaronder de snelheid van de beweging simulator en de acceleratie beperkingen, en de vertragingen en overdrachtsfunctie van het systeem ^9. Wijzigingen van deze vorige installatie worden hieronder gedefinieerd.

Figuur 1. Grafische weergave van de huidige MPI CyberMotion Simulator werkruimte.

2. Complexe beweging profielen die zijwaartse bewegingen combineren met rotaties zijn mogelijk met het MPI CyberMotion Simulator. Assen 1, 4 en 6 ca n continu draaien. 4 paar hardware einde stopt maximum as 2, 3 en 5 in beide richtingen. De straal van lineaire verplaatsingen is sterk afhankelijk van de positie van de beweging begint. De huidige hardware einde stopt de MPI CyberMotion Simulator zijn weergegeven in tabel 1.

   As	Range [deg]	Max. snelheid [graden / s]
   As 1	Doorlopend	69
   As 2	-128 Tot -48	57
   As 3	-45 Tot 92	69
   As 4	Doorlopend	76
   Axis 5	-58 Tot 58	76
   As 6	Doorlopend	120

3. Voordat een experiment wordt uitgevoerd op de MPI CyberMotion Simulator, elke experimentele beweging traject ondergaat een testfase op een KUKA simulatie PC (Office PC). De "Office PC" is een bijzonder product verkocht door KUKA, die de echte robotarm simuleert en omvat de identieke besturingssysteem en controle scherm lay-out als de echte robot. Een schematische weergave van de besturing van de MPI CyberMotion Simulator een open lus configuratie weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Schematisch overzicht van de open-loop control systeem van de MPI CyberMotion Simulator. Klik hier voor een grotere afbeelding .

4. De details van de controle enTRUCTUUR kan hier ⁹ te vinden. Kortom, voor een open-loop configuratie, zoals die wordt gebruikt in het huidige experiment, trajecten zijn voorgeprogrammeerd door het omzetten van ingang trajecten in cartesiaanse coördinaten om gezamenlijke ruimte hoeken door middel van inverse kinematica (figuur 2).
5. Het MPI systeem leest in deze gewenste gezamenlijke hoek stappen en stuurt deze aan de KUKA controlesysteem om as bewegingen uit te voeren via de motor stromen. Gezamenlijke resolver waarden worden verzonden naar de KUKA controle systeem dat de huidige gezamenlijke hoek posities bepaalt bij een interne rentevoet van 12 ms, wat op zijn beurt leiden tot de volgende gezamenlijke toename te lezen vanuit dossier bij de MPI systeem en de huidige joint schrijven hoek posities op de harde schijf. De communicatie tussen de MPI en KUKA controlesystemen is door een Ethernet-verbinding met de KUKA-RSI-protocol.
6. Een racewagen stoel (RECARO Pole Position) uitgerust met een 5-punts veiligheidsgordel-systeem (Schroth) is bevestigd aan een chassis which is voorzien van een voetensteun. Het chassis is gemonteerd op de flens van de robotarm (figuur 3a). Experimenten ook mogelijk zitten deelnemers in een gesloten cabine (figuur 3b).

Figuur 3. MPI CyberMotion Simulator setup. a) Configuratie voor huidige experiment met LCD-display. b) Configuratie voor experimenten die een gesloten cabine met voor-projectie stereo weergave. c) Voor projectie mono display. d) hoofd gemonteerde display.

7. Als het experiment wordt uitgevoerd in de duisternis, infrarood camera's kunt visuele controle vanuit de controlekamer.

2. Visualisatie

1. Meerdere visualisatie configuraties zijn mogelijk met de MPI CyberMotion Simulator waaronder een lcd, stereo of mono voor projectie, en het hoofd gemonteerde schermen (figuur 3). Voor de huidigeexperiment visuele aanwijzingen om zelf-motion worden geleverd door een LCD-display (figuur 3a) 50 cm geplaatst voor de waarnemers die op andere wijze werden getest in het donker.
2. De visuele presentatie is gegenereerd met behulp van Virtools 4.1 software en bestond uit een willekeurige, beperkte levensduur dot-veld. Een kubus uitbreiding van acht virtuele eenheden aan de voorzijde, rechts, links, boven en naar beneden uit het oogpunt van de deelnemer (dat wil zeggen, 16 x 16 x 8 stuks in grootte) werd gevuld met 200.000 gelijke grootte deeltjes die bestaan ​​uit witte cirkels 0,02 eenheden diameter voor een zwarte achtergrond. De punten werden willekeurig verdeeld over de ruimte (homogene kansverdeling in de ruimte). Beweging in de virtuele eenheden werd opgeschaald tot 1 komen overeen met 1 met fysieke bewegingen (1 virtuele eenheid = 1 fysieke meter).
3. Elk deeltje is getoond voor twee seconden verdwijnen en onmiddellijk weergegeven weer op een willekeurige plaats in de ruimte. Dus de helft van de punten veranderdpositie binnen een seconde. Dots tussen een afstand van 0,085 en 4 eenheden werden getoond aan de deelnemers (wat overeenkomt visuele hoeken: 13 ° en 0,3 °).
4. Verkeer binnen de dot veld werd gesynchroniseerd met fysieke bewegingen door het ontvangen van bewegingstrajecten van de MPI besturingscomputer overgebracht door een Ethernet-verbinding met behulp van het UDP-protocol. Bij verplaatsing door de stip-veld van het gemiddelde aantal dots bleef constant is voor alle bewegingen. Dit display mits er geen absolute omvang schaal, maar optic flow en beweging parallax als stippen waren bollen met een vaste grootte, op zoek kleiner op basis van hun afstand ten opzichte van de waarnemer.

3. Experimental Design

1. 16 deelnemers, die naïef waren voor het experiment, met uitzondering van een auteur (MB-C), droeg noise-cancelling hoofdtelefoons zijn uitgerust met een microfoon aan op communicatie in twee richtingen mogelijk is met de experimentator. Extra auditieve geluid werd continu afgespeeld via de gehoorbeschermers nes verder masker geluid van de robot.
2. De deelnemers gebruikten een custom built joystick uitgerust met het antwoord van knoppen met gegevens die door een Ethernet-verbinding met behulp van het UDP-protocol.
3. De hoek van de twee segmenten beweging was 45 ° of 90 °. Het verloop van de horizontale, sagittale en frontale vliegtuigen bestond uit: op de toekomst naar rechts (FR) of naar rechts-vooruit (RF), naar beneden vooruit (DF) of op de toekomst naar beneden (FD), en naar beneden naar rechts (DR) of naar rechts- naar beneden (RD) bewegingen van respectievelijk (Figuur 4a).

Figuur 4. Procedure. a) Schematische weergave van trajecten in het experiment. b) Sensorische informatie die voor elke geteste traject type. c) Wijzend taak gebruikt om de oorsprong van waar de deelnemers dachten dat ze was verhuisd uit te geven.rge.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor een grotere figuur.

4. Zintuiglijke informatie werd gemanipuleerd door middel van visuele (optic flow, levenslange beperkte ster veld), vestibulaire-kinesthetische (passieve beweging zelf met de ogen gesloten), of visuele en vestibulaire-kinesthetische beweging signalen (Figuur 4b).
5. Beweging trajecten bestond uit twee segment lengtes (1e: 0,4 m, 2e: 1 m; ± 0,24 m / s ² piek versnelling; figuur 4b). Trajectories bestond vertaling alleen. Nr. rotaties van de deelnemers plaatsgevonden. Om eventuele interferentie van beweging voorafgaand aan elke proef te verminderen en ervoor te zorgen dat het evenwichtsorgaan werd getest vanuit een stabiele toestand, een 15 s pauze voorafgegaan elk traject.
6. Waarnemers wezen terug naar hun oorsprong door het bewegen van een pijl die werd bovenop een avatar gepresenteerd op het scherm (Figuur 4c). Beweging van de pijl is beperkt tot het traject vlak en gecontroleerd door thij joystick. De avatar werd gepresenteerd bij frontale, sagittale en horizontale standpunten. Waarnemers mochten tot enige of alle standpunten te gebruiken om te beantwoorden. Het uitgangspunt richting van de pijl was gerandomiseerd in de onderzoeken.
7. Omdat de wijzen moesten een deelnemers om hun wijzen perspectief mentaal transformeren van een egocentrisch naar een excentrisch vertegenwoordiging, werden de deelnemers instructies gegeven over hoe om terug te wijzen naar hun oorsprong met betrekking tot de avatar voor de praktijk en experimentele studies. De deelnemers kregen te horen dat gericht moet worden gemaakt alsof de avatar waren hun eigen lichaam. De deelnemers werden vervolgens de opdracht om te wijzen op fysieke doelen ten opzichte van het zelf met behulp van de excentrisch meettechniek. Zo werden de deelnemers geïnstrueerd om te wijzen op de joystick rusten op hun schoot halverwege tussen zichzelf en het scherm, die nodig zijn deelnemers aan de pijl naar voren en naar beneden ten opzichte van de avatar. Alle deelnemers waren in staat om deze uit te voerentaken zonder te drukken verwarring.
8. Elke experimentele voorwaarden werd 3 keer herhaald en die in willekeurige volgorde. Getekend fout en responstijd werden geanalyseerd als afhankelijke variabelen in twee aparte 3 (vlak) * 2 (hoek) * 3 (modaliteit) herhaalde metingen ANOVA. De responstijden van het ene uiterste uitschieter deelnemer werden verwijderd uit de analyse.

4. Representatieve resultaten

Getekend fout resultaten zijn ingestort over modaliteiten en de hoeken geen significante hoofdeffecten gevonden voor deze factoren. Figuur 5a toont het significant effect van de beweging het vliegtuig (F _(2,30) = 7.0, p = 0,003), waar waarnemers onderschat hoek grootte ( gemiddelde gegevens van minder dan 0 °) voor beweging in het horizontale vlak (-8,9 °, SE 1.8). In het frontale vlak waarnemers hadden meer kans gemiddeld om de hoek te groot (5,3 °, SE 2.6) te overschatten, terwijl er geen bias in het sagittale vlak (-0,7 °, SE 3.7). While de belangrijkste effecten van de hoek en de modaliteiten waren niet significant, werd hoek gevonden om significant interactie met het vliegtuig (F _(2,30) = 11.1, p <0,001), zodanig dat overschat in het frontale vlak groter waren voor bewegingen door middel van 45 ° (7,9 ° , se 2.6) dan 90 ° (2,8 °, 2,7 se), terwijl deze verschillen afwezig voor andere gebieden. Bovendien werd gevonden modaliteit significant interactie met hoek (F _(2,30) = 4,7, p = 0,017), zodanig dat onderschatting van vestibulaire informatie alleen voor verplaatsingen over 90 ° significant groter (-4,3 ° se 2,1) ten opzichte van de visuele (-2,0 °, SE 2.4) en vestibulaire en visuele informatie combineren (2,3 °, SE 2.2) voorwaarden, terwijl dergelijke verschillen afwezig waren voor bewegingen door middel van 45 °. Geen significant tussen onderwerpen effect was gesloten fout (F _(1,15) = 0,7, p = 0,432). Figuur 5b toont de reactietijd resultaten. Er was een significant effect vanmodaliteit (F _(2,28) = 22.6, p <0,001), waar waarnemers gereageerd traagste bij het ​​beantwoorden op basis van vestibulaire-kinesthetische informatie alleen (11,0 s, se 1,0) ten opzichte van de visuele (9,3 s, se 0,8) en gecombineerde (9,0 s, SE 0,8) omstandigheden. Er was ook een significant hoofdeffect van het vliegtuig (F _(2,28) = 7.5, p = 0,002), waar waarnemers gereageerd langzaamste bij verplaatsing in het horizontale vlak (10,4 s, se 1,0) ten opzichte van het sagittale (9,4 s, se 0.8 ) en de frontale (9,4 s, se 0,9) vliegtuigen. Er was geen significant effect van het segment hoek of enig wisselwerkingen. Een belangrijk tussen onderwerpen effect gevonden reactietijd (F _(1,14) = 129,1, p <0,001).

Figuur 5. Resultaten. a) Getekend fout stortte in modaliteit voor de geteste toestellen. b) Reactietijd stortte in beweging vliegtuigen voor de wijze waaropgetest. Error bars zijn + / - 1 sem

Pad integratie is goed ingeburgerd als middel gebruikt om op te lossen waar een waarnemer is ontstaan, maar is gevoelig voor onderschatting van de hoek een is verhuisd en met ^5. Onze resultaten tonen voor translationeel beweging, maar alleen binnen het horizontale vlak. In de verticale vlakken deelnemers meer kans te overschatten de hoek verplaatst door middel van of geen vooroordelen te hebben. Deze resultaten kunnen verklaren waarom schattingen van de hoogte doorkruist-over terrein hebben de neiging om overdreven ¹⁰ en ook waarom ruimtelijke navigatie tussen de verschillende verdiepingen van een gebouw is slecht ^11. Deze resultaten kunnen ook worden gerelateerd aan bekende asymmetrie in de relatieve aandeel van de sacculus aan receptoren (~ 0,58) ¹² utricule. Langzamer response tijd op basis van vestibulaire-kinesthetische informatie alleen dan wanneer visuele informatie aanwezig is, doet vermoeden dat er mogelijk extra vertragingen in verband met het proberen om zijn herkomst op basis van inertiële signalen alleen te bepalen, diekunnen betrekking hebben op recente studies die aantonen dat vestibulaire waarneming is traag in vergelijking met de andere zintuigen ^13-16. Het algemeen suggereren onze resultaten dat alternatieve strategieën voor het bepalen van iemands oorsprong mogen worden gebruikt bij het verplaatsen van verticaal die betrekking kunnen hebben op het feit dat mensen ervaring beweging meestal binnen het horizontale vlak. Verder, terwijl de sequentiële vertalingen worden zelden ervaren ze het meest voorkomen in het sagittale vlak - waar fouten zijn minimaal - zoals wanneer we lopen in de richting van en ga op een roltrap. Terwijl de post-experiment interviews niet stemmen op de verschillende strategieën tussen de vliegtuigen, moet experimenten te onderzoeken deze mogelijkheid. Experimenten met trajecten met extra vrijheidsgraden langere paden met het lichaam anders georiënteerd ten opzichte van de zwaartekracht, alsmede gebruik van grotere gezichtsveld die mogelijk zijn de MPI CyberMotion Simulator zijn voorzien om weg integratie prestatie verder onderzoek in drie dimensies.

Geen belangenconflicten verklaard.

MPI Postdoc stipendia aan MB-C en TM; Koreaanse NRF (R31-2008-000-10008-0) te HHB. Met dank aan Karl Beykirch, Michael Kerger & Joachim Tesch voor technische bijstand en de wetenschappelijke discussie.

1. Loomis, J.M., Klatzky, R.L., & Golledge, R.G. Navigating without vision: Basic and applied research. Optometry and Vision Science. 78, 282-289 (2001).
2. Vidal, M., Amorim, M.A., & Berthoz, A. Navigating in a virtual three-dimensional maze: how do egocentric and allocentric reference frames interact? Cognitive Brain Research. 19, 244-258 (2004).
3. Vidal, M., Amorim, M.A., McIntyre, J., & Berthoz, A. The perception of visually presented yaw and pitch turns: Assessing the contribution of motion, static, and cognitive cues. Perception & Psychophysics. 68, 1338-1350 (2006).
4. Loomis, J.M., Klatzky, R.K., Philbeck, J.W., & Golledge, R. Assessing auditory distance perception using perceptually directed action. Perception & Psychophysics. 60, 966-980 (1998).
5. Loomis, J.M., Klatzky, R.L., Golledge, R.G., Cicinelli, J.G., Pellegrino, J.W., & Fry, P.A. Nonvisual navigation by blind and sighted: Assessment of path integration ability. Journal of Experimental Psychology General. 122, 73-91 (1993).
6. Bakker, N.H., Werkhoven, P.J., & Passenier, P.O. The effects of proprioceptive and visual feedback on geographical orientation in virtual environments. Presence. 8, 36-53 (1999).
7. Kearns, M.J., Warren, W.H., Duchon, A.P., & Tarr, M.J. Path integration from optic flow and body senses in a homing task. Perception. 31, 349-374 (2002).
8. Pollini, L., Innocenti, M., & Petrone, A. Study of a novel motion platform for flight simulators using an anthropomorphic robot. Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit., Keystone, Colorado AIAA, 2006-6360 (2006).
9. Teufel, H.J., Nusseck, H.-G., Beykirch, K.A., Butler, J.S., Kerger, M., & Bulthoff, H.H. MPI motion simulator: development and analysis of a novel motion simulator. Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit., Hilton Head, South Carolina AIAA, 2007-6476 (2007).
10. Gärling, T., Böök, A., Lindberg, E., & Arce, C. Is elevation encoded in cognitive maps? Journal of Environmental Psychology. 10, 341- 351 (1990).
11. Montello, D.R. & Pick, H.L.J. Integrating knowledge of vertically aligned large-scale spaces. Environment and Behaviour. 25, 457-483 (1993).
12. Correia, M.J., Hixson, W.C., & Niven, J.I. On predictive equations for subjective judgments of vertical and horizon in a force field. Acta oto-laryngologica Supplementum. 230, 3 (1968).
13. Barnett-Cowan, M. & Harris, L.R. Perceived timing of vestibular stimulation relative to touch, light and sound. Experimental Brain Research. 198, 221-231 (2009).
14. Barnett-Cowan, M. & Harris, L.R. Temporal processing of active and passive head movement. Experimental Brain Research. 214, 27-35 (2011).
15. Sanders, M.C., Chang, N.N., Hiss, M.M., Uchanski, R.M., & Hullar, T.E. Temporal binding of auditory and rotational stimuli. Experimental Brain Research. 210, 539-547 (2011).
16. Barnett-Cowan, M. Raeder, S.M., & Bulthoff, H.H. Persistent perceptual delay for head movement onset relative to auditory stimuli of different duration and rise times. Experimental Brain Research. Accepted, (2012).

0 Comments

You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.