Method Article

Entwurf und Verwendung eines Geräts zur Darstellung von Greifobjekten im 3D-Arbeitsbereich

DOI:

10.3791/59932

⸱

August 8th, 2019

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1Qiushi Academy for Advanced Studies, Zhejiang University, 2Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, 3Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier wird ein Protokoll zum Aufbau eines automatischen Geräts vorgestellt, das einen Affen zur Durchführung der flexiblen Reach-to-Grasp-Aufgabe führt. Das Gerät kombiniert eine 3D-Übersetzungsvorrichtung und einen Drehtisch, um mehrere Objekte in einer beliebigen Position im 3D-Raum darzustellen.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Erreichen und Greifen sind hochgekoppelte Bewegungen, und ihre zugrunde liegende neuronale Dynamik wurde in den letzten zehn Jahren weithin untersucht. Um das Erreichen und Greifen von Codierungen zu unterscheiden, ist es wichtig, unterschiedliche Objektidentitäten unabhängig von ihren Positionen darzustellen. Präsentiert wird hier das Design eines automatischen Geräts, das mit einem Drehtisch und einem dreidimensionalen (3D) Übersetzungsgerät montiert wird, um dieses Ziel zu erreichen. Der Drehtisch schaltet verschiedene Objekte, die unterschiedlichen Grifftypen entsprechen, während das 3D-Übersetzungsgerät den Drehtisch im 3D-Raum transportiert. Beide werden unabhängig von Motoren angetrieben, so dass Zielposition und Objekt beliebig kombiniert werden. Inzwischen werden die Flugbahn- und Grifftypen des Handgelenks über das Motion Capture System bzw. Touchsensoren aufgezeichnet. Darüber hinaus werden repräsentative Ergebnisse beschrieben, die erfolgreich ausgebildete Affen mit diesem System nachweisen. Es wird erwartet, dass dieser Apparat Forschern erleichtern wird, Kinematik, neuronale Prinzipien und Gehirn-Maschine-Schnittstellen im Zusammenhang mit der Funktion der oberen Gliedmaßen zu studieren.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verschiedene Apparate wurden entwickelt, um die neuronalen Prinzipien zu untersuchen, die dem Erreichen und Greifen der Bewegung bei nichtmenschlichen Primaten zugrunde liegen. Bei der Erreichung von Aufgaben, Touchscreen1,2, Bildschirmcursor durch einen Joystick gesteuert3,4,5,6,7, und Virtual Reality Technologie8 , 9 , 10 wurden alle für die Präsentation von 2D- bzw. 3D-Zielen eingesetzt. Um verschiedene Grifftypen einzuführen, wurden unterschiedlich geformte Objekte, die in einer Position fixiert oder um eine Achse drehen, häufig in den Greifaufgaben11,12,13verwendet. Eine Alternative besteht darin, visuelle Hinweise zu verwenden, um Probanden zu informieren, um dasselbe Objekt mit verschiedenen Grifftypen14,15,16,17zu erfassen. In jüngerer Zeit wurden das Erreichen und Greifen von Bewegungen gemeinsam untersucht (d.h. Probanden erreichen mehrere Positionen und erfassen mit verschiedenen Grifftypen in einer experimentellen Sitzung)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Frühe Experimente haben Objekte manuell vorgestellt, was unweigerlich zu geringer Zeit und räumlicher Präzision führt20,21. Um die experimentelle Präzision zu verbessern und Arbeitskräfte zu sparen, wurden automatische Präsentationsgeräte, die von Programmen gesteuert werden, weit verbreitet eingesetzt. Um die Zielposition und den Grifftyp zu variieren, haben die Experimentatoren mehrere Objekte gleichzeitig verfügbar gemacht, aber die relative (oder absolute) Position von Zielen und die Grifftypen sind miteinander verbunden, was durch Langzeittraining starre Brennmuster verursacht22 ,27,28. Objekte werden in der Regel in einer 2D-Ebene dargestellt, die die Vielfalt der Erreichen bewegung und neuronale Aktivität19,25,26begrenzt. Kürzlich wurden Virtual Reality24 und Roboterarm23,29 eingeführt, um Objekte im 3D-Raum zu präsentieren.

Hier werden detaillierte Protokolle für den Aufbau und die Verwendung eines automatisierten Geräts30 vorgestellt, das eine beliebige Kombination aus mehreren Zielpositionen und Grifftypen im 3D-Raum erreichen kann. Wir haben einen Drehtisch zum Wechseln von Objekten und ein 3D-Übersetzungsgerät entwickelt, um den Drehtisch im 3D-Raum zu transportieren. Sowohl der Drehtisch als auch die Übersetzungsvorrichtung werden von unabhängigen Motoren angetrieben. In der Zwischenzeit werden die 3D-Trajektorie des Handgelenks und der neuronalen Signale des Subjekts während des gesamten Experiments gleichzeitig aufgezeichnet. Das Gerät bietet eine wertvolle Plattform für die Untersuchung der Funktion der oberen Gliedmaßen beim Rhesusaffen.

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Protocol

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Alle verhaltens- und chirurgischen Eingriffe entsprachen dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren (China Ministry of Health) und wurden vom Animal Care Committee der Zhejiang University, China, genehmigt.

1.Montage des 3D-Übersetzungsgeräts

  1. Bauen Sie einen Rahmen der Größe 920 mm x 690 mm x 530 mm mit Aluminium-Bauschienen (Querschnitt: 40 mm x 40 mm).
  2. Sichern Sie vier Sockel an den beiden Enden der Y-Schienen mit Schrauben (M4) (Abbildung 1B).
  3. Befestigen Sie zwei Y-Schienen parallel auf der Oberseite des Rahmens, indem Sie die vier Sockel mit Schrauben an den vier Ecken der Oberseite sichern (M6) (Abbildung 1B).
  4. Verbinden Sie zwei Y-Schienen mit einer Verbindungswelle und zwei Membrankupplungen. Ziehen Sie die Verriegelungsschrauben der Kupplungen fest, um die Wellen von zwei Schienen zu synchronisieren (Abbildung 1B).
  5. Sechs Muttern (M4) in die hinteren Nuten der Z-Schiene geben. Befestigen Sie eine Seite des rechten Dreiecksrahmens mit Schrauben an der Rückseite der Z-Schiene.
  6. Ziehen Sie den Dreiecksrahmen an das Ende, das distal zur Welle ist, und ziehen Sie die Schrauben fest. Befestigen Sie den anderen rechten Dreiecksrahmen auf die gleiche Weise an die andere Z-Schiene (Abbildung 1C).
  7. Befestigen Sie die anderen rechtwinkligen Seiten von zwei Dreiecksrahmen an den Schiebern zweier Y-Schienen mit Schrauben (M6) (Abbildung 1C).
  8. Verbinden Sie zwei Z-Schienen mit einer Verbindungswelle und Membrankupplungen und ziehen Sie die Verriegelungsschrauben der Kupplung fest (Abbildung 1C).
  9. Befestigen Sie die beiden T-förmigen Verbindungsplatten mit Muttern und Schrauben (M4) an der Rückseite der X-Schiene. Ziehen Sie dann die beiden T-förmigen Bretter an die beiden Enden der X-Schiene und ziehen Sie die Schrauben an (Abbildung 1D).
  10. Befestigen Sie die beiden T-förmigen Verbindungsbretter mit Schrauben (M6) auf den Schiebern zweier Z-Schienen (Abbildung 1D).
  11. Setzen Sie den Schrittmotor in das Wellenloch des Zahnradverkleinerers ein und schrauben Sie deren Flansche zusammen (Abbildung 1E).
  12. Sichern Sie den Verbindungsring mit Schrauben (M4) am Wellenende der aktiven X-Schiene.
  13. Setzen Sie die Welle der X-Schiene in die Kupplung ein und fixieren Sie den Getriebereduzierer mit Schrauben (M4) am Verbindungsring.  Ziehen Sie die Verriegelungsschrauben der Kupplung an (Abbildung 1E).
  14. Befestigen Sie die beiden anderen Schrittmotoren und Getriebereduzierer auf der aktiven Y- und Z-Schiene mit den in den Schritten 1.11–1.12 beschriebenen Methoden.
  15. Legen Sie die Strom- und Steuerkabel der drei Schrittmotoren an die Strom- und Steueranschlüsse ihrer Treiber bzw. die Kabel mit Schrauben auf der Fahrerseite fest.

2. Montage des Drehtisches

  1. Laden Sie die herunter. DWG-Entwurfsdateien aus den Ergänzungsdateien dieses Papiers. Bereiten Sie die Objekte, mentale Welle, Ortungsstange, Rotator und Gehäuse durch 3D-Druck oder mechanische Verarbeitung.
  2. Setzen Sie die Touch-Sensoren in die Nut des Objektkörpers und kleben Sie sie mit doppelseitigem Klebeband auf die vordefinierten Berührungsbereiche (Abbildung 2B).
    HINWEIS: Jedes Objekt besteht aus vier Unterkomponenten: einem Backboard, einem Objektkörper mit Innennut, einer Deckplatine und Touchsensoren.
  3. Führen Sie die Drähte durch die Bohrung des Objekt-Backboards und befestigen Sie die Deckplatte mit Schrauben am Objektkörper (Abbildung 2B).
  4. Leiten Sie Drähte von Berührungssensoren durch die Löcher an den Seiten des Rotators und fixieren Sie die Objekte mit Schrauben am Rotator. (Abbildung 2C).
  5. Löten Sie die Drahtenden von Berührungssensoren an den rotierenden Drahtenden des elektrischen Schlupfrings und wickeln Sie die Gelenke mit elektrischem Klebeband (Abbildung 2D).
  6. Befestigen Sie das Gehäuse mit Schrauben am Schieber der X-Schiene. Legen Sie das Lager in die untere Bohrung der Box und befestigen Sie die Ortungsstange mit Schrauben an der Oberseite des Gehäuses (Abbildung 2E).
  7. Legen Sie den Rotator von der Seite in das Gehäuse, um die Achsen von Rotator, Lager und Kasten zusammenzuschließen. Passieren Sie die Drähte des elektrischen Schlupfrings durch das obere Loch des Gehäuses (Abbildung 2F).
  8. Setzen Sie die Metallwelle von der oberen Lochdese des Gehäuses in das Lager ein und passen Sie den Wellenschlüssel an den Schlüssel des Drehers an (Abbildung 2G).
  9. Stellen Sie den elektrischen Gleitring um die Metallwelle ein. Legen Sie das Ende der Ortungsstange in die Kerbe des elektrischen Schlupfrings, um zu verhindern, dass sich der äußere Ring dreht (Abbildung 2G).
  10. Setzen Sie die Welle des Schrittmotors in das Loch der Metallwelle ein und befestigen Sie den Motor auf der Oberseite der Box mit Schrauben. (Abbildung 2H).
  11. Stecken Sie die Strom- und Steuerkabel des Motors in die Strom- und Steueranschlüsse des Treibers und befestigen Sie sie mit Schrauben.
  12. Halten Sie eine trikolore LED (RGB) mit Klebeband auf die Vorderseite des Gehäuses und fixieren Sie die rechte Seitenplatine auf das Gehäuse.

3. Einrichtung der Steuerung

  1. Legen Sie die Richtungs- und Impulsregeldrähte der vier Motortreiber in die digitalen I/O-Ports (Pins 81, 83, 85, 87) bzw. digitale Zähleranschlüsse (Pins 89, 91, 93, 95) der Datenerfassungsplatine (DAQ) ein. Sichern Sie die Drähte mit Schrauben.
  2. Stecken Sie die Steuerdrähte der LED (grüne Farbe für den "go"-Cue, die blaue Farbe für den "Error"-Cue und die rote Farbe, die den Leerlauf darstellt) in die digitalen I/O-Anschlüsse (Pin 65 und 66) der Datenerfassungskarte und sichern Sie sie mit Schrauben.
  3. Setzen Sie die Ausgangsdrähte von Touch-Sensoren ein und schalten Sie die Taste in die digitalen I/O-Anschlüsse (Pin 67–77) der DaQ-Platine ein und befestigen Sie die Drähte mit Schrauben.
  4. Setzen Sie die Start-Stopp- und Richtungssteuerungsdrähte der Peristaltikpumpe in die digitalen I/O-Pins 1 bzw. 80 ein. Setzen Sie den Strömungsgeschwindigkeitsregeldraht in den analogen I/O-Port AO2 ein. Sichern Sie die Drähte mit Schrauben.
  5. Richten Sie ein Bewegungserfassungssystem ein, wie vom Hersteller beschrieben, um die Handbahn im 3D-Raum aufzuzeichnen.
    HINWEIS: Es wurde ein kommerzielles Motion Capture-System (siehe Tabelle derMaterialien) verwendet, das aus acht Kameras, einem Power Hub, einem Ethernet-Switch und einer unterstützenden Software (z. B. Cortex) besteht. Weitere Informationen zur Einrichtung des Systems finden Sie im Handbuch.
  6. Richten Sie ein neuronales Signalerfassungssystem ein, wie vom Hersteller beschrieben, um das elektrophysiologische Signal vom Motiv aufzuzeichnen.
    HINWEIS: Es wurde ein kommerzielles Datenerfassungssystem (Tabelle der Materialien) verwendet, das aus einem neuronalen Signalprozessor (NSP), Front-End-Verstärker (FEA), Verstärkernetzteil (ASP), Kopfstufen und seiner unterstützenden Software (z. B. Central) besteht. Weitere Informationen zur Einrichtung des Systems finden Sie im Handbuch.

4. Vorbereitung der Versuchssitzung

  1. Initialisieren Sie das 3D-Übersetzungsgerät und den Drehtisch. Ziehen Sie insbesondere die Schieberegler aller linearen Schiebeschiene zum Startpunkt (untere linke Ecke) und drehen Sie das erste Objekt (d. h. den vertikal platzierten Griff) des Drehtisches auf die Vorderseite des Drehtischs.
  2. Stromversorgung der experimentellen Geräte, einschließlich Motion Capture-System, neuronale Signalerfassung, DAQ-Board, Peristaltikpumpe und vier Motoren.
  3. Einrichten der Paradigmensoftware (Abbildung 3A).
    1. Doppelklicken Sie auf Paradigm.exe, um die Paradigmensoftware zu öffnen (auf Anfrage erhältlich).
    2. Definieren Sie die Anzahl der erreichenden Positionen und ihre 3D-Koordinaten (x, y und z, in Millimetern) relativ zu den Anfangspositionen (Schritt 4.2).
    3. Schreiben Sie Koordinaten aller Positionen in Form von Matrix in einem .txt-Dokument. Stellen Sie sicher, dass jede Zeile die x-, y- und z-Koordinaten einer Position enthält, die durch ein Leerzeichen getrennt ist. Speichern Sie das txt-Dokument.
    4. Klicken Sie im Pool-Bedienfeld der Paradigmensoftware auf Datei öffnen, und wählen Sie das zuvor gespeicherte .txt-Dokument aus, um die Präsentationspositionen in die Paradigmensoftware zu laden.
      HINWEIS: In dieser Studie wurden acht Zielpositionen entsprechend dem Reichweitenbereich des Tieres festgelegt, die sich an Scheitelpunkten eines Quaderarbeitsbereichs9,10 (90 mm x 60 mm x 90 mm) befinden.
    5. Überprüfen Sie die Objekte, die im Experiment im Objektpool der Paradigmensoftware dargestellt werden sollen.
    6. Passen Sie experimentelle Parameter im Bedienfeld "Zeitparameter" der Paradigmensoftware an. Basislinie = 400 ms einstellen, Motorlauf = 2.000 ms, Planung = 1.000 ms, max Reaktionszeit = 500 ms, max. Reichweite = 1.000 ms, min Haltezeit = 500 ms, Belohnung = 60 ms und Fehler-Cue = 1.000 ms.
  4. Setzen Sie den Rhesusaffen (mit einem Mikroelektroden-Array, das in den motorischen Kortex implantiert ist) auf den Affenstuhl, indem Sie seinen Kragen in die Nut des Stuhls einsetzen und seinen Kopf fixieren.
  5. Befestigen Sie den Affenstuhl am Aluminium-Baurahmen. Halten Sie den Kopf 250 mm von der Vorderseite des Quaders entfernt und halten Sie die Augen 50 mm über der Oberseite des Quader-Arbeitsbereichs (horizontaler Sichtwinkel: 20°; vertikaler Sichtwinkel: 18°).
  6. Erstellen Sie eine Tracking-Vorlage des Motion-Capture-Systems.
    1. Befestigen Sie drei reflektierende Marker am Ende des Arms (in der Nähe des Handgelenks) mit doppelseitigem Klebeband. Stellen Sie sicher, dass die drei Marker ein Scalene-Dreieck bilden.
    2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen der Paradigmensoftware, um die Aufgabe zu starten.
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnen im Motion Capture-Bedienfeld der Cortex-Software, um Flugbahnen von drei Markern für 60 s aufzuzeichnen, wenn der Affe die Aufgabe ausführt. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, um das Experiment zu unterbrechen.
    4. Erstellen Sie eine Tracking-Vorlage mit drei Markern auf der Cortex-Software mit den aufgezeichneten Flugbahnen und speichern Sie die Vorlage.
      HINWEIS: Weitere Informationen zum Erstellen eines Modells finden Sie im Handbuch von Cortex.
  7. Verbinden Sie die GND-Ports von FEA und Mikroelektroden-Array, das in den Motorkortex des Affen implantiert wird, mit einem Draht und Kneifhäzen. Dann setzen Sie die Kopfstufen in den Stecker des Mikroelektroden-Arrays31ein.
  8. Öffnen Sie die Central-Software des neuronalen Signalerfassungssystems und legen Sie Aufzeichnungsparameter wie Speicherpfad, Zeilenrauschenunterdrückung, Spikefilter, Spike-Schwellenwert usw. fest.
    HINWEIS: Weitere Informationen zur Softwareeinstellung finden Sie im Handbuch des neuronalen Signalerfassungssystems.
  9. Öffnen Sie die Synchronisationssoftware (Abbildung 3B, auf Anfrage erhältlich). Klicken Sie auf die drei Connect-Tasten in den Bedienfeldern Cerebus, Motion Capture und Paradigm, um die Synchronisationssoftware mit dem neuronalen Signalerfassungssystem, dem Motion-Capture-System bzw. der Paradigmensoftware zu verbinden.
  10. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen der Paradigmensoftware, um das Experiment fortzusetzen.
  11. Klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnen im Dateispeicherbedienfeld der Central-Software, um mit der Aufzeichnung der neuronalen Signale zu beginnen.
  12. Überprüfen Sie die gespeicherte Tracking-Vorlage und klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnen im Motion Capture-Bedienfeld der Cortex-Software, um die Aufzeichnung der Flugbahn des Affenhandgelenks zu starten.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Größe des kompletten Arbeitsbereichs des Geräts beträgt 600 mm, 300 mm und 500 mm in x-, y- und z-Achsen. Die maximale Belastung der 3D-Übersetzungsvorrichtung beträgt 25 kg, während der Drehtisch (einschließlich des Schrittmotors) 15 kg wiegt und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 mm/s transportiert werden kann. Die kinematische Präzision des 3D-Übersetzungsgeräts beträgt weniger als 0,1 mm und das Geräusch des Geräts weniger als 60 dB.

Um den Nutzen des Systems zu demonstrieren, wi...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Der hier beschriebene Verhaltensapparat ermöglicht eine versuchsweise Kombination unterschiedlicher Griff- und Greifbewegungen (d.h. der Affe kann unterschiedlich geformte Objekte an beliebigen 3D-Positionen in jeder Studie erfassen). Dies wird durch die Kombination eines benutzerdefinierten Drehtisches, der verschiedene Objekte umschaltet, und einer linearen Übersetzungsvorrichtung erreicht, die den Drehtisch an mehrere Positionen im 3D-Raum transportiert. Darüber hinaus konnten die neuronalen Signale des Affen, die Flu...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir danken Herrn Shijiang Shen für seinen Rat zur Gerätekonstruktion und Frau Guihua Wang für ihre Unterstützung bei der Tierpflege und -ausbildung. Diese Arbeit wurde unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China (2017YFC1308501), die National Natural Science Foundation of China (31627802), die Public Projects of Zhejiang Province (2016C33059) und die Fundamental Research Funds for the Zentrale Universitäten.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Active X-railCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Effektiver Verfahrweg, 600 mm; Belastung, 25 kg
Aktive Y-SchieneCCM Automation Technology Inc., ChinaW60-35Effektiver Verfahrweg, 300 mm, Last 35 kg
Aktive Z-SchieneCCM Automation Technology Inc., ChinaW50-25Effektiver Verfahrweg, 500 mm; Belastung 25 kg
LagerTaobao.com6004-2RSHAcrylgehäuse
kundenspezifische mechanische BearbeitungTT-CAcryl
VerbindungsringCCM Automation Technology Inc., China57/60-W50
VerbindungswelleCCM Automation Technology Inc., ChinaD12-700Durchmesser, 12 mm; Länge, 700 mm
MembrankupplungCCM Automation Technology Inc., ChinaCCM 12-12Innendurchmesser, 12-12 mm
MembrankupplungCCM Automation Technology Inc., ChinaCCM 12-14Innendurchmesser, 14-12 mm
Elektrischer SchleifringSemring Inc., ChinaSNH020a-12
Kundenspezifische mechanische BearbeitungTT-LAcryl
Motion Capture SystemMotion Analysis Corp. USEagle-2.36
Neuronales SignalerfassungssystemBlackrock Microsystems Corp. USCerebus
NI DatenerfassungsgerätNational Instruments, USUSB-6341
ObjektKundenspezifische mechanische BearbeitungTT-OAcryl
Passive Y-SchieneCCM Automation Technology Inc., ChinaW60-35Effektiver Verfahrweg, 300 mm; Belastung 35 kg
Passive Z-SchieneCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Effektiver Verfahrweg, 500 mm; Belastung 25 kg
SockelCCM Automation Technology Inc., China80-W60
SchlauchpumpeLonger Inc., ChinaBT100-1L
PlanetengetriebeCCM Automation Technology Inc., ChinaPLF60-5Flansch, 60x 60 mm; Untersetzungsverhältnis, 1:5
Rechtwinkliger DreiecksrahmenCCM Automation Technology Inc., China290-300
RotatorKundenspezifische mechanische BearbeitungTT-RAcryl
ServomotorYifeng Inc., China60ST-M01930Flansch, 60 mal; 60 mm; Drehmoment, 1,91 N· m; für Y- und Z-Schienen
ServomotorYifeng Inc., China60ST-M01330Flansch, 603 mal; 60 mm; Drehmoment, 1,27 N· m; für X-Schienenwelle
Kundenspezifische mechanische BearbeitungTT-SAcryl
SchrittmotorTaobao.com86HBS120Flansch, 86 mal 86 mm; Drehmoment, 1,27 N· m; Antrieb Drehteller
BerührungssensorTaobao.comCM-12X-5V
Tricolor LEDTaobao.com CK017, RGB
T-förmige VerbindungsplatineCCM Automation Technology Inc., China110-120
Acryl-Fixierstange

References

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