WheelCon：一种基于轮式控制器的游戏平台，用于研究人类感觉运动控制

摘要

WheelCon 是一个新颖的、免费且开源的平台，用于设计视频游戏，以非侵入方式模拟在陡峭、曲折且颠簸的山地车道上骑行山地自行车的过程。该平台包含了人类感觉运动控制中的各项要素（如延迟、量化、噪声、干扰以及多重反馈回路），并允许研究人员研究感觉运动控制中的分层结构。

摘要

反馈控制理论已被广泛用于对人体感觉运动控制进行理论建模。然而，能够操控多个反馈回路中关键组成部分的实验平台尚缺乏发展。本文介绍 WheelCon，一个旨在解决此类不足的开源平台。WheelCon 仅需一台计算机、一个标准显示器以及一个带有力反馈电机的低成本游戏方向盘，即可安全地模拟典型的感觉运动任务——骑山地自行车沿陡峭、曲折且颠簸的路径下行。该平台具有高度灵活性，如所提供的演示所示，研究人员可调节分层反馈回路中的干扰、延迟和量化（数据速率），包括高层的高级规划层和低层的延迟反射层。本文将展示 WheelCon 的图形用户界面（GUI）、现有演示程序的输入与输出，以及如何设计新游戏。此外，我们还提出了基本的反馈模型，并展示了来自演示游戏的实验结果，这些结果与模型预测高度一致。WheelCon 平台可在 https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon 下载。总之，该平台具有成本低、使用简便、编程灵活等特点，适用于高效的感觉运动神经科学研究与控制工程教育。

引言

人类感觉运动控制系统具有极强的鲁棒性¹，尽管其感知过程具有分布性、变异性、稀疏性、量化性、噪声干扰以及延迟等特点^2,3,4；中枢神经系统中的信息处理速度较慢^5,6,7；且肌肉执行过程存在疲劳和饱和现象⁸。已有许多计算理论模型被提出，用于解释复杂的人类感觉运动控制过程^{4,9,10,11,12,13,14}，该过程在人类的运动实现与反应中表现为一种权衡机制¹⁵

方案

该方案的开发与应用已获得加州理工学院机构审查委员会（IRB）和南方科技大学机构审查委员会（IRB）的批准。受试者在进行任何操作前均签署了知情同意书。

1. 系统准备与设置

1. 推荐的基本硬件配置为 2 GHz 双核处理器和 4 GB 系统内存。
2. 在 Unity 平台下构建游戏平台，并使用 C# 编程语言。游戏平台开发需要 Logitech 游戏方向盘驱动程序和 Logitech Steering Wheel SDK。
3. 游戏平台的可执行文件仅支持 Windows 10 操作系统（OS）。因此，在运行 Windows 10 的计算机上，下载并安装相应的方向盘驱动程序。然后下载压缩版 WheelCon 软件（https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon/archive/master.zip），并将文件解压至本地硬盘。
4. 将赛车方向盘牢固地安装在坐姿高度的显示器前方，然后将方向盘的 USB 线缆连接至计算机，并将电源适配器插入电源插座。
5. 启动驱动程序图形用户界面（GUI）以测试输入读数和力反馈是否正常。重要的是，在测试期间需保持驱动程序 GUI 在后台持续运行。
6. 要启动程序，请双击 '\WheelCon-master\Executable & Output Files' 目录中的 WheelCon.exe....

结果

建模反馈控制

我们展示了如图1所示的简化反馈控制模型。系统动力学由以下公式给出：

其中，x(t) 表示时刻 t 的误差，r(t) 表示轨迹扰动，w(t) 表示凸起扰动，u(t) 表示控制作用。

模拟轨迹干扰中的动作.......

讨论

本文介绍了一种免费的开源游戏平台 WheelCon，用于研究延迟、量化、干扰以及分层反馈回路在人体感觉运动控制中的影响。我们展示了该平台的硬件、软件及图形用户界面。已实现包含延迟和量化的单个感觉运动控制回路的设置，可用于测量延迟、量化和干扰对感觉运动控制的影响。实验结果与反馈控制理论的预测高度一致。

这些方案提供了一种非侵入性方法，用于操控外部延迟，并限制视觉输入和动作输出的数据速率，进而分析感觉运动控制性能。在该方案中，我们要求受试者在平台预设的多种任务场景下进行游戏。通过这些任务，我们验证了延迟的线性效应（图3 和 图4）以及量化处理的非线性效应（图5）。这些效应揭示了在人类感觉运动控制中，基于速度-准确性权衡的优化机制。该方案还使我们能够研究人类感觉运动系统中分层的反馈回路，包括一个高层的高级规划层和一个低层的延迟反射层（图6）。

.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
游戏方向盘	Logitech
Windows 10 操作系统	Microsoft