MPI CyberMotion Simulator: Implementering af et nyt Motion Simulator til at undersøge multisensoriske Path Integration i tre dimensioner

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).

Path integration er en proces, hvor selv bevægelse integreret over tiden for at opnå et estimat af et aktuelle position i forhold til et udgangspunkt ^1. Mennesker kan gøre stien integration baseret udelukkende på visuelle ^2-3, auditive ⁴ eller inerti køer ^5. Men med flere køer til stede, inerti signaler - især kinæstetisk - synes at dominere ^6-7. I mangel af vision, en tendens mennesker til at overvurdere korte afstande (<5 m) og drejevinkler (<30 °), men undervurdere længere dem ^5. Bevægelse gennem fysiske rum synes derfor ikke at være nøjagtigt repræsenteret af hjernen.

Omfattende arbejde er blevet gjort på at vurdere vej integration i det vandrette plan, men lidt er kendt om lodrette bevægelse (se ³ for virtuel bevægelse fra vision alene). En årsag til dette er, at traditionelle bevægelsessimulatorer har et lille område af bevægelse begrænsTED hovedsagelig vandret plan. Her tager vi fordel af en bevægelse simulator ^8-9 med en bred vifte af bevægelse for at vurdere, om stien integration er ens mellem vandrette og lodrette flader. De relative bidrag af inerti og visuelle signaler til vej navigation blev også vurderet.

16 observatører stillet op i et sæde monteret på flangen af ​​en modificeret KUKA antropomorfe robot arm. Sensorisk oplysninger blev manipuleret ved at give visuelle (optisk flow, begrænset levetid stjerne felt), vestibulære-kinæstetisk (passiv selvstændig bevægelse med lukkede øjne), eller visuelle og vestibulære-kinæstetiske motion signaler. Movement baner i horisontale, sagittal og frontalt fly bestod af to segmentlængderne (1.: 0,4 m, 2.: 1 m; ± 0,24 m / s ² peak acceleration). Vinklen af ​​de to segmenter var enten 45 ° eller 90 °. Observatører pegede tilbage til deres oprindelsesland ved at flytte en pil, der blev overlejret på en avatar præsenteres på SCREen.

Iagttagere var mere sandsynligt, at undervurdere vinkel størrelse til bevægelse i vandret plan i forhold til de lodrette planer. I det frontale plan observatører var mere tilbøjelige til at overvurdere vinkel størrelse mens der ikke var sådan skævhed i sagittalplanet. Endelig observatører reagerede langsommere, når du besvarer baseret på vestibulær-kinæstetisk information alene. Menneskelig vej integration baseret på vestibulær-kinæstetisk oplysninger alene derfor tager længere tid, end når visuelle informationer er til stede. Det peger er i overensstemmelse med at undervurdere og overvurdere den vinkel man har bevæget sig igennem i de vandrette og lodrette planer henholdsvis tyder på, at den neurale repræsentation af selv-bevægelse gennem rummet er ikke-symmetrisk, som kan forholde sig til, at mennesker opleve bevægelse det meste inden for vandret plan.

1. KUKA Roboter GmbH

1. MPI CyberMotion Simulator består af en seks-joint seriel robot i en 3-2-1 konfiguration (figur 1). Den er baseret på den kommercielle KUKA Robocoaster (en modificeret KR-500 industrirobot med 500 kg). De fysiske ændringer og softwarestyret struktur er nødvendige for at få en fleksibel og sikker forsøgsopstilling er tidligere blevet beskrevet, herunder motion simulatoren s hastighed og acceleration begrænsninger, og de ​​forsinkelser og overføringsfunktion af systemet ^9. Ændringer fra denne tidligere opsætning er defineret nedenfor.

Figur 1. Grafisk repræsentation af den aktuelle MPI CyberMotion Simulator arbejdsområde.

2. Komplekse bevægelse profiler, der kombinerer laterale bevægelser med rotationer er mulige med MPI CyberMotion Simulator. Akse 1, 4 og 6 ca n rotere kontinuerligt. 4 par af hardware udgangen stopper grænse akse 2, 3 og 5 i begge retninger. Den maksimale vifte af lineære bevægelser er stærkt afhængig af den position, hvorfra bevægelsen begynder. Den aktuelle hardware ende-stopper af MPI CyberMotion Simulator er vist i tabel 1.

   Axis	Range [grader]	Max. hastighed [grader / s]
   Akse 1	Kontinuerlig	69
   Akse 2	-128 Til -48	57
   Akse 3	-45 Til 92	69
   Akse 4	Kontinuerlig	76
   Akse 5	-58 Til 58	76
   Akse 6	Kontinuerlig	120

3. Før forsøget udføres på MPI CyberMotion Simulator, hver eksperimentel bevægelsestrajektorie gennemgår en testfase på en KUKA simulering PC (Office PC). "Office PC" er en speciel produkt, der sælges af KUKA, som simulerer den virkelige robotarmen og omfatter identiske operativsystemet og kontrol skærmen layout som den virkelige robot. En skematisk oversigt over styresystemet MPI CyberMotion Simulator en åben-sløjfe konfiguration er vist i figur 2.

Figur 2. Skematisk oversigt over åben-sløjfe styresystem MPI CyberMotion Simulator. Klik her for større figur .

4. Detaljerne af kontrollen structure kan findes her ^9. I korte træk, til en åben sløjfe konfiguration som den, der anvendes i den nuværende forsøg baner er forprogrammeret ved omdannelse input baner i kartesiske koordinater til ledspalten vinkler via inverse kinematik (figur 2).
5. MPI styresystem læser i disse ønskede fælles vinkel intervaller og sender dem til KUKA styresystemet til at udføre aksebevægelser via motor strømme. Fælles resolver værdier sendes til KUKA styresystemet, der bestemmer de nuværende fælles vinkelpositioner med en intern rente på 12 ms, hvilket igen udløse næste fælles tilvækst skal læses fra en fil ved MPI styresystemet samt skriver den nuværende fælles vinkelpositioner til disk. Kommunikation mellem MPI og KUKA kontrolsystemer er af en Ethernet-forbindelse ved hjælp af KUKA-RSI protokol.
6. En racerbil sæde (RECARO Pole Position) er udstyret med en 5-punkts sikkerhedssele system (Schroth) er fastgjort på et chassis WHIlm omfatter en fodstøtte. Chassiset er monteret på flangen af robotarmen (figur 3a). Forsøg er også mulig ved sæderne deltagere i en lukket kabine (figur 3b).

Figur 3. MPI CyberMotion Simulator setup. a) konfiguration for nuværende eksperiment med LCD display. b) Konfiguration til forsøg, der kræver en lukket kabine med front projektion stereo display. c) Front projektion mono display. d) Hovedmonterede display.

7. Da forsøget er udført i mørke, infrarøde kameraer tillader visuel overvågning fra kontrolrummet.

2. Visualisering

1. Flere visualisering konfigurationer er mulige med MPI CyberMotion Simulator herunder LCD, stereo eller mono front projektion, og hovedmonteret displays (figur 3). For den aktuelleeksperiment visuelle referencer til selv-motion leveres af et LCD-display (figur 3a) placeret 50 cm foran de observatører, der blev ellers testet i mørke.
2. Den visuelle præsentation blev genereret under anvendelse Virtools 4,1 software og bestod af en tilfældig, begrænset levetid dot-felt. En kasse strækker otte virtuelle enheder til den forreste, højre, venstre, opad og nedad fra det synspunkt af deltageren (dvs. 16 x 16 x 8 enheder i størrelse) blev fyldt med 200.000 lige store partikler bestående af hvide cirkler 0,02 enheder i diameter foran en sort baggrund. Prikkerne blev tilfældigt fordelt i rummet (homogen sandsynlighedsfordeling i rum). Bevægelse i virtuelle enheder blev skaleret til at svare fra 1 til 1 med fysisk bevægelse (1 virtuel enhed = 1 fysisk meter).
3. Hver partikel blev vist for to sekunder før forsvandt og umiddelbart viser op igen på et tilfældigt sted i rummet. Således halvdelen af ​​prikker skiftetposition inden for et sekund. Prikker mellem en afstand på 0,085 og 4 enheder blev vist at deltagerne (svarende synsvinkler: 13 ° og 0,3 °).
4. Bevægelighed inden for dot feltet blev synkroniseret med fysisk bevægelse ved at modtage bevægelsestrajektorier fra MPI kontrol computeren overføres af en Ethernet-forbindelse ved hjælp af UDP-protokollen. Når magneten bevæges gennem det dot-felt gennemsnitlige antal prikker blev konstant for alle bevægelser. Dette display forudsat at der ikke absolutte størrelse skala, men optisk flow og bevægelse parallakse som prikker var kugler med en fast størrelse, søger mindre efter deres afstand i forhold til iagttageren.

3. Eksperimentelt design

1. 16 deltagere, som var naive over for forsøget, med undtagelse af én forfatter (MB-C), havde støjreducerende hovedtelefoner er udstyret med en mikrofon for at tillade to-vejs kommunikation med forsøgslederen. Yderligere auditiv støj blev kontinuerligt spillet gennem headpho nes til yderligere maske støj frembragt af robotten.
2. Deltagerne brugte en specialbygget joystick udstyret med respons knapper med data fra en Ethernet-forbindelse ved hjælp af UDP-protokollen.
3. Vinklen mellem de to bevægelser segmenter var enten 45 ° eller 90 °. Udviklingen i de vandrette, sagittal og frontalt fly bestod af: fremad mod højre (FR) eller mod højre frem (RF), nedad-fremad (DF) eller fremad-nedad (FD), og nedad mod højre (DR) eller mod højre- nedad (RD) bevægelser (Figur 4a).

Figur 4. Procedure. a) Skematisk repræsentation af baner, der anvendes i eksperimentet. b) Sensorisk oplysninger for hver bane testet type. c) peger opgave bruges til at angive oprindelsen af, hvor deltagerne mente, at de var flyttet fra.rge.jpg "target =" _blank "> Klik her for større figur.

4. Sensorisk oplysninger blev manipuleret ved at give visuel (optisk flow, begrænset levetid stjerne felt), vestibulære-kinæstetisk (passiv selvstændig bevægelse med lukkede øjne), eller visuelle og vestibulære-kinæstetiske motion signaler (figur 4b).
5. Bevægelse baner bestod af to segmentlængder (1.: 0,4 m, 2: 1 m; ± 0,24 m / s ² maksimal acceleration, figur 4b). Baner bestod af oversættelsen alene. Ingen rotationer af deltagerne fandt sted. For at reducere mulig interferens fra bevægelse forud for hvert forsøg og sikre, at det vestibulære system blev afprøvet med udgangspunkt i en stabil tilstand, en 15 sek pause forud for hver bane.
6. Observatører pegede tilbage til deres oprindelsesland ved at flytte en pil, der blev overlejret på en avatar præsenteres på skærmen (figur 4c). Bevægelse af pilen blev tvunget til at bane sin planet og kontrolleres af than joystick. Den avatar blev præsenteret fra frontale, sagittal og vandret synspunkter. Observatører fik lov til at bruge nogen eller alle synspunkter at svare. Udgangsforbindelsen orientering af pilen blev randomiseret over forsøg.
7. Da den pegende opgaven skal deltagerne mentalt omdanne deres peger perspektiv fra en egocentrisk til en exocentric repræsentation, blev deltagerne givet instruktioner om, hvordan at pege tilbage til deres oprindelse med henvisning til den avatar før praksis og eksperimentelle forsøg. Deltagerne fik at vide, at pege bør gøres så hvis avatar var deres egen krop. Deltagerne blev derefter bedt om at pege på fysiske mål i forhold til sig selv ved hjælp af exocentric måleteknik. For eksempel blev deltagerne bedt om at pege på joysticket hvilende på skødet halvvejs mellem sig selv og skærmen, som krævede deltagerne til at pege pilen frem og ned i forhold til avatar. Alle deltagere var i stand til at udføre disseopgaver uden at udtrykke forvirring.
8. Hver eksperimentel betingelse blev gentaget 3 gange og i en tilfældig rækkefølge. Underskrevet fejl og responstid blev analyseret som afhængige variabler i to separate 3 (fly) * 2 (vinkel) * 3 (modalitet) gentagne foranstaltninger ANOVA. Svartider fra en ekstrem afvigende deltager blev fjernet fra analysen.

4. Repræsentative resultater

Signerede fejl resultater er brudt sammen på tværs af modaliteter og vinkler, som ingen signifikante væsentligste effekter blev fundet for disse faktorer. Figur 5a viser signifikant hovedvirkning bevægelighed plan (F _(2,30) = 7,0, p = 0,003), hvor observatører undervurderet vinkel størrelse ( gennemsnitsdata mindre end 0 °) til bevægelse i vandret plan (-8,9 °, SE 1,8). I det frontale plan observatører var mere tilbøjelige til i gennemsnit at overvurdere vinkel størrelse (5,3 °, SE 2,6), mens der ikke var sådan skævhed i sagittalplanet (-0,7 °, SE 3,7). While vigtigste virkninger af vinklen og modalitet ikke var signifikant, blev vinkel fundet signifikant interagere med planet (F _(2,30) = 11,1, p <0,001), således at overvurdering i frontalplanet var større for bevægelser gennem 45 ° (7,9 ° , SE 2,6) end ved 90 ° (2,8 °, SE 2,7), mens en sådan uoverensstemmelse var fraværende for de andre fly. Desuden blev modalitet fundet signifikant interagere med vinklen (F _(2,30) = 4,7, p = 0,017), således at undervurdering fra vestibulære information alene for bevægelser gennem 90 °, var signifikant større (-4,3 °, SE 2,1) sammenlignet med den visuelle (-2,0 °, SE 2,4) og vestibulær og visuel information kombineret (2,3 °, SE 2,2) vilkår, mens sådanne uoverensstemmelser var fraværende for bevægelser gennem 45 °. Ingen signifikant mellem fag effekt var for signeret fejl (F _(1,15) = 0,7, p = 0,432). Figur 5b viser responstiden resultater. Der var en signifikant hovedvirkning formodalitet (F _(2,28) = 22,6, p <0,001), hvor observatører reagerede langsomst, når svarer baseret på vestibulære-kinæstetiske information alene (11,0 S, Se 1,0) sammenlignet med den visuelle (9,3 s, SE 0,8) og kombineret (9,0 S, Se 0,8) forhold. Der var også en signifikant hovedvirkning af plan (F _(2,28) = 7,5, p = 0,002), hvor observatører reagerede langsomst, når den flyttes i det vandrette plan (10,4 S, Se 1,0) sammenlignet med den sagittale (9,4 s, se 0,8 ) og de frontale (9,4 s, SE 0,9) fly. Der var ingen signifikant hovedvirkning af segmentet vinkel eller enhver interaktion. En signifikant mellem individer effekt blev fundet for reaktionstid (F _(1,14) = 129,1, p <0,001).

Figur 5. Resultater. a) Underskrevet fejl kollapsede over modalitet for de testede fly. b) Responstid kollapsede tværs bevægelse planer for de nærmeretestet. Fejlsøjler er + / - 1 sem

Sti integration er blevet godt etableret som et middel til at løse, hvis en observatør stammer, men er tilbøjelig til undervurdering af den vinkel, man har bevæget sig gennem ^5. Vores resultater viser, at dette for translatorisk bevægelse, men kun i det vandrette plan. I lodrette planer deltagerne er mere tilbøjelige til at overestimere vinkel bevæges gennem eller har nogen forspænding overhovedet. Disse resultater kan forklare, hvorfor skøn over højden gennemløbes-over terræn tendens til at blive overdrevet, ¹⁰ og også grunden til rumlig navigation mellem forskellige etager i en bygning er dårlig ^11. Disse resultater kan også være relateret til kendte asymmetrier i den relative andel af saccule til utricule receptorer (~ 0,58) ^12. Langsommere responstid baseret på vestibulær-kinæstetisk oplysninger alene i forhold til, når visuelle informationer er til stede tyder på, at der kan være yderligere forsinkelser i forbindelse med at forsøge at bestemme en oprindelse baseret på inerti signaler alene, hvilketkan vedrøre de seneste undersøgelser viser, at vestibulære opfattelse er langsom i forhold til de andre sanser ^13-16. Samlet vore resultater antyder, at alternative strategier til bestemmelse ens oprindelse kan anvendes, når bevæger sig lodret, som kan vedrøre den kendsgerning, at mennesker erfaring bevægelse hovedsageligt i vandret plan. Yderligere, mens sekventielle oversættelser sjældent oplevet de forekommer oftest i sagittalplanet - hvor fejl er minimal - som når vi går mod og gå på en rulletrappe. Mens post-eksperiment interviews ikke afspejler forskellige strategier blandt de planer, bør eksperimenter undersøge denne mulighed. Forsøg med baner ved hjælp af yderligere frihedsgrader, længere stier, med kroppen forskelligt orienteret i forhold til tyngdekraften, samt at anvende større synsfelter, som nu er muligt med MPI CyberMotion Simulator er planlagt til yderligere at undersøge vejen integration præstation i tre dimensioner.

Ingen interessekonflikter erklæret.

MPI Postdoc stipendier til MB-C og TM, koreansk NRF (R31-2008-000-10008-0) til HHB. Takket være Karl Beykirch, Michael Kerger & Joachim Tesch for teknisk bistand og videnskabelig diskussion.

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.