MPI CyberMotion Simulator: Implementierung eines neuartigen Motion Simulator zu Multisensorische Pfadintegration in drei Dimensionen erforschen

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Pfadnavigation in drei Dimensionen zu messen und gleichzeitig den visuellen und vestibulären sensorischen Input des Teilnehmers zu kontrollieren. Dies wird durch einen modifizierten Roboterstuhl mit sechs Freiheitsgraden erreicht, der das im Stuhl sitzende vestibuläre System stimuliert. Die Ansichten der Teilnehmer auf das virtuelle Sternenfeld Durch das Bewegen des Roboterstuhls und das gleichzeitige Ändern des Sternenfeldes gibt das System dem Teilnehmer visuelle und vestibuläre Hinweise.

Die Teilnehmer geben durch die Genauigkeit und die Geschwindigkeit, mit der sie auf die gespeicherte Startposition zurückzeigen können, eine Rückmeldung der Pfadnavigation. Die Ergebnisse zeigen, dass eine ungenaue Schätzung der Eigenbewegung von der Bewegungsebene und dem Winkel abhängt, in dem sie bewegt werden. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Bewegungsplattformen besteht darin, dass der MPI Cyber Motion-Simulator über einen großen Arbeitsbereich verfügt, der in der Lage ist, Beobachter in verschiedenen Dimensionen, insbesondere nach unten, zu bewegen.

Diese Methode kann Schlüsselfragen aus dem Bereich der Neurowissenschaften beantworten, z. B. ob das Gehirn die Eigenbewegung in verschiedenen Dimensionen gleichermaßen darstellt. Die Idee zu diesen Experimenten kamen wir durch eine Studie unseres Kollegen Manuel Vidal. Er bewegte die Menschen durch virtuelle Keulen, die nur visuell präsentiert wurden.

Hier fand er heraus, dass die Navigation in Medikamenten beeinträchtigt wird, wenn die MACES eine vertikale Komponente enthalten. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Diagnose von räumlicher Desorientierung, da sie einen Maßstab für die Pfadnavigation im normalen Gehirn darstellen. Der NPI Cyber Bewegungsstimulator besteht aus einem seriellen Roboter mit sechs Gelenken in einer 3, 2, 1 Konfiguration.

Er basiert auf einem Industrieroboter mit einer Traglast von 500 Kilogramm, um den Roboter sicher für Experimente zu machen. Modifikationen werden sowohl an der Hard- als auch an der Software vorgenommen: komplexe Bewegungsprofile sind möglich, die seitliche Bewegungen mit Rotationen kombinieren. Mit dem MPI Cyber Motion Simulator.

Die Achsen eins, vier und sechs können vier Hardwarepaare kontinuierlich drehen und die Anschläge begrenzen die Achsen zwei, drei und fünf in beide Richtungen. Der maximale Bereich linearer Bewegungen hängt stark von der Position ab, von der aus die Bewegung beginnt. Vor der Durchführung von Experimenten muss jede experimentelle Bewegungsbahn eine Testphase durchlaufen.

Die Programmierung der Trajektorien erfolgt über einen von KUKA entwickelten Büro-PC zur Konfiguration des MPI Cyber Motion Simulators. In dieser Open-Loop-Konfiguration werden Trajektorien in kartesische Koordinaten gesetzt und durch inverse Kinematik alle 12 Millisekunden in Gelenkraumwinkel umgewandelt. Die aktuellen Gelenkwinkelpositionen werden über eine Ethernet-Verbindung von der Steuerung an den MPI Cyber Motion Simulator übertragen, wo sie inkrementell ausgelesen und auf die Disc am Roboter aufgezeichnet werden.

Ein Rennwagensitz, der mit dem Fünfpunkt-Sicherheitsgurtsystem ausgestattet ist, ist an einem Fahrgestell befestigt, zu dem auch eine Fußstütze gehört. Das Chassis wird am Flansch des Roboterarms montiert. Die Teilnehmer müssen Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung tragen, die mit einem Mikrofon für die Zwei-Wege-Kommunikation mit dem Experimentator ausgestattet sind.

Sie sollten auch naiv gegenüber dem Versuchsaufbau sein. Über die Kopfhörer wird ein kontinuierliches Geräusch abgespielt, das die Geräusche des Roboters überdeckt. Experimente sind auch möglich, indem die Teilnehmer in einer geschlossenen Kabine platziert werden, da das Experiment in der Dunkelheit durchgeführt wird.

Infrarotkameras ermöglichen die visuelle Überwachung vom Kontrollraum aus. Es sind mehrere Visualisierungskonfigurationen möglich, darunter ein LCD-Bildschirm, eine Stereo-Frontprojektion, eine Mono-Frontprojektion oder ein Head-Mounted-Display. In diesem Experiment werden visuelle Hinweise auf die Eigenbewegung durch ein LCD-Display bereitgestellt, das 50 Zentimeter vor den Beobachtern platziert ist, um visuelle Hinweise zu liefern.

Die Software präsentiert dem Teilnehmer einen virtuellen OID-Raum, der mit 200.000 Punkten gefüllt ist. Jeder Raum wird als weißer Kreis vor schwarzem Hintergrund gezeichnet. Auf dem Bildschirm werden Punkte angezeigt, die einem Blickwinkel von 13 bis 0,3 Grad entsprechen.

Diese Punkte befinden sich in einem Abstand von 0,085 und vier. Virtuelle Einheiten vom Teilnehmer. Die Bewegung des virtuellen Feldes wird mit der physischen Bewegung über Bewegungstrajektorien vom MPI-Steuercomputer synchronisiert, um eine Parallaxe zwischen optischem Fluss und Bewegung zu erzeugen.

Die Punkte, die tiefer im Sichtfeld liegen, werden unabhängig von den Bewegungen des Teilnehmers kleiner gezeichnet. Jeder Punkt wird zwei Sekunden lang asynchron angezeigt, bevor er nach dem Zufallsprinzip neu zugewiesen wird. Somit bewegen sich insgesamt hunderttausend Punkte pro Sekunde.

Ein speziell angefertigter Joystick, der mit Reaktionstasten ausgestattet ist, ermöglicht es den Teilnehmern, Daten über eine Ethernet-Verbindung an das Steuerungssystem zu übertragen. Sensorische Informationen können manipuliert werden, indem nur visuelle Hinweise aus dem begrenzten Lebensdauer-Sternenfeld bereitgestellt werden. Nur vestibuläre kinästhetische Hinweise aus der passiven Selbstbewegung mit geschlossenen Augen des Teilnehmers, oder beide Hinweise mit geöffneten Augen des Teilnehmers.

In diesem Experiment bestanden die Bewegungstrajektorien aus zwei Segmentlängen. Der erste ist 0,4 Meter und der zweite ein Meter. Der Winkel von zwei beliebigen Bewegungssegmenten wird entweder als 45 Grad oder als 90 Grad übertragen.

Zum Beispiel besteht die Bewegung in der horizontalen Ebene entweder aus einer Vorwärtsbewegung nach rechts um 90 Grad nach vorne, einer Rechtsbewegung um 45 Grad nach rechts, einer Vorwärtsbewegung um 90 Grad oder einer Vorwärtsbewegung nach rechts um 45 Grad. Diese Art von Bewegungen werden auch in der sagittalen und frontalen Ebene ausgeführt. Trajektorien werden als Translationen ohne Rotation geliefert.

Auf jede Trajektorie folgt eine Repositionierungssequenz, gefolgt von einer 15-sekündigen Pause, um mögliche Interferenzen durch Bewegung vor jedem Versuch zu reduzieren und um sicherzustellen, dass das vestibuläre System aus einem stationären Zustand getestet wird, um eine Rückmeldung über ihre wahrgenommene Bewegung zu erhalten, bewegen die Teilnehmer einen Pfeil mit einem Joystick, um ihre Bewegung relativ zu ihrem Ursprung anzuzeigen. Der Ursprung wird als Avatar aus drei Blickwinkeln dargestellt, und der Pfeil wird immer zufällig positioniert, bevor er vor den Prüfungen angepasst wird. Es ist wichtig, den Teilnehmer darin zu schulen, das Feedback-System genau zu verwenden.

Sie sollten in der Lage sein, den Pfeil auf Objekte in ihrer Umgebung zu richten, wie z. B. den Joystick, der während des Versuchs auf ihrem Schoß ruht. Die Bewegung des Joysticks ist auf die Flugbahnebene beschränkt, und die Teilnehmer können bei der Datenerfassung einen beliebigen oder alle Blickwinkel verwenden. Jede Versuchsbedingung wird dreimal wiederholt und in zufälliger Reihenfolge dargestellt.

Es wurden Daten der 16 Teilnehmer analysiert. Eins. Es wurden extreme Ausreißerwerte ausgegeben: Die Modalität und der Winkel hatten keinen signifikanten Einfluss auf die geschätzte Bewegung. Die Teilnehmer unterschätzten jedoch die Bewegungswinkelgröße in der horizontalen Ebene um fast neun Grad und überschätzten die Winkelgröße in der Frontalebene um etwa fünf Grad. Hier.

Es wurde festgestellt, dass der Winkelfaktor signifikant mit dem Faktor der Frontalebene interagiert, so dass die Überschätzungen für Bewegungen um 45 Grad größer waren als für Bewegungen um 90 Grad. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Modalität signifikant mit dem Winkel interagiert, so dass die Unterschätzungen aus vestibulären Informationen allein für Bewegungen um 90 Grad im Vergleich zu den visuellen und kombinierten Bedingungen signifikant größer waren. Solche Diskrepanzen gab es bei Bewegungen um 45 Grad nicht.

Es wurde festgestellt, dass die Reaktionszeit signifikant langsamer war, wenn das Feedback allein auf vestibulären kinästhetischen Hinweisen im Vergleich zu visuellen und kombinierten Bedingungen gegeben wurde. Die Teilnehmer waren auch signifikant langsamer, wenn sie sich in der horizontalen Ebene im Vergleich zu anderen Ebenen bewegten. Diese Ergebnisse sind wirklich überraschend, da sie darauf hindeuten, dass die Repräsentation des Raums im Gehirn nicht über alle Dimensionen hinweg symmetrisch ist.

Wir wissen schon seit einiger Zeit, dass die Leute dazu neigen, ihre Bewegung in der horizontalen Ebene zu unterschätzen, und wir zeigen, dass dies in der vertikalen Dimension nicht der Fall ist. In Zukunft werden wir in der Lage sein, diese Methoden zu verwenden, um Pfade in allen drei Dimensionen zu konstruieren, auch in solchen, die gekrümmt sind. Dies wird es uns ermöglichen, weitere Fragen zu beantworten, z. B. wie das Gehirn in der Lage ist, Bewegungen über Ebenen hinweg zu integrieren und wie es Kurven navigiert.