Artículo de método

Diseño y uso de un aparato para presentar objetos agarrables en el espacio de trabajo 3D

DOI:

10.3791/59932

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8 de agosto de 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

En este artículo

Resumen

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

Aquí se presenta un protocolo para construir un aparato automático que guía a un mono a realizar la tarea flexible de alcance a agarre. El aparato combina un dispositivo traslacional 3D y una mesa giratoria para presentar múltiples objetos en una posición arbitraria en el espacio 3D.

Resumen

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

Alcanzar y agarrar son movimientos altamente acoplados, y su dinámica neuronal subyacente ha sido ampliamente estudiada en la última década. Para distinguir las codificaciones de alcance y comprensión, es esencial presentar diferentes identidades de objeto independientes de sus posiciones. Aquí se presenta el diseño de un aparato automático que se monta con una mesa giratoria y un dispositivo traslacional tridimensional (3D) para lograr este objetivo. La mesa de torneado cambia diferentes objetos correspondientes a diferentes tipos de pinzamiento, mientras que el dispositivo traslacional 3D transporta la mesa de torneado en espacio 3D. Ambos son impulsados independientemente por motores para que la posición de destino y el objeto se combinen arbitrariamente. Mientras tanto, la trayectoria de la muñeca y los tipos de agarre se registran a través del sistema de captura de movimiento y los sensores táctiles, respectivamente. Además, se describen los resultados representativos que demuestran el mono entrenado con éxito utilizando este sistema. Se espera que este aparato facilite a los investigadores el estudio de la cinemática, los principios neuronales y las interfaces cerebro-máquina relacionadas con la función de las extremidades superiores.

Introducción

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

Se han desarrollado varios aparatos para estudiar los principios neuronales subyacentes al movimiento de alcance y agarre en primates no humanos. Al llegar a las tareas, pantalla táctil1,2, cursor de pantalla controlado por un joystick3,4,5,6,7, y la tecnología de realidad virtual8 , 9 , 10 se han empleado todos para presentar objetivos 2D y 3D, respectivamente. Para introducir diferentes tipos de pinzamientos, los objetos de forma diferente fijados en una posición o girando alrededor de un eje se utilizaron ampliamente en las tareas de agarre11,12,13. Una alternativa es utilizar señales visuales para informar a los sujetos para agarrar el mismo objeto con diferentes tipos de agarre14,15,16,17. Más recientemente, los movimientos de alcance y agarre se han estudiado juntos (es decir, los sujetos alcanzan múltiples posiciones y se agarran con diferentes tipos de agarre en una sesión experimental)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Los primeros experimentos han presentado objetos manualmente, lo que inevitablemente conduce a un tiempo bajo y precisión espacial20,21. Para mejorar la precisión experimental y ahorrar mano de obra, los dispositivos de presentación automática controlados por programas han sido ampliamente utilizados. Para variar la posición de destino y el tipo de pinzamiento, los experimentadores han expuesto varios objetos simultáneamente, pero la posición relativa (o absoluta) de los objetivos y los tipos de pinzamiento están unidos entre sí, lo que provoca patrones de disparo rígidos a través del entrenamiento a largo plazo22 ,27,28. Los objetos se presentan generalmente en un plano 2D, lo que limita la diversidad de alcanzar el movimiento y la actividad neuronal19,25,26. Recientemente, la realidad virtual24 y el brazo robot23,29 se han introducido para presentar objetos en el espacio 3D.

Aquí se presentan protocolos detallados para la construcción y el uso de un aparato automatizado30 que puede lograr cualquier combinación de múltiples posiciones de destino y tipos de agarre en el espacio 3D. Diseñamos una mesa de torneado para cambiar objetos y dispositivos traslacionales 3D para transportar la mesa de torneado en espacio 3D. Tanto la mesa de torneado como el dispositivo traslacional son impulsados por motores independientes. Mientras tanto, la trayectoria 3D de las señales neuronales y de muñeca del sujeto se registra simultáneamente a lo largo del experimento. El aparato proporciona una plataforma valiosa para el estudio de la función de las extremidades superiores en el mono rhesus.

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Protocolo

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Todos los procedimientos conductuales y quirúrgicos se ajustaban a la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio (Ministerio de Salud de China) y fueron aprobados por el Comité de Cuidado Animal de la Universidad de Zhejiang, China.

1.Ensamblaje del dispositivo traslacional 3D

  1. Construir un marco de tamaño 920 mm x 690 mm x 530 mm con rieles de construcción de aluminio (sección transversal: 40 mm x 40 mm).
  2. Fije cuatro pedestales a los dos extremos de los rieles Y con tornillos (M4) (Figura1B).
  3. Fije dos rieles Y en la superficie superior del marco en paralelo fijando los cuatro pedestales a las cuatro esquinas de la superficie superior con tornillos (M6) (Figura1B).
  4. Conecte dos rieles Y con un eje de conexión y dos acoplamientos de diafragma. Apriete los tornillos de bloqueo de los acoplamientos para sincronizar los ejes de dos rieles (Figura1B).
  5. Coloque seis tuercas (M4) en las ranuras traseras del riel Z. Fije un lado del marco del triángulo derecho a la parte posterior del riel Z con tornillos.
  6. Tire del marco del triángulo hasta el extremo que es distal al eje y apriete los tornillos. Fije el otro marco del triángulo derecho al otro riel Z de la misma manera (Figura1C).
  7. Fije los otros lados en ángulo recto de dos marcos triangulares a los deslizadores de dos rieles Y con tornillos (M6) (Figura1C).
  8. Conecte dos rieles Z con un eje de conexión y acoplamientos de diafragma y apriete los tornillos de bloqueo del acoplamiento (Figura1C).
  9. Fije las dos placas de conexión en forma de T a la parte posterior del riel X con tuercas y tornillos (M4). A continuación, tire de las dos placas en forma de T a los dos extremos del riel X y apriete los tornillos (Figura 1D).
  10. Fije las dos placas de conexión en forma de T en los deslizadores de dos rieles Z con tornillos (M6), respectivamente (Figura1D).
  11. Inserte el motor de paso en el orificio del eje del reductor de engranajes y atornille sus bridas (Figura1E).
  12. Fije el anillo de conexión al extremo del eje del carril X activo con tornillos (M4).
  13. Inserte el eje del riel X en el acoplamiento y fije el reductor de engranajes al anillo de conexión con tornillos (M4).  Apriete los tornillos de bloqueo del acoplamiento (Figura1E).
  14. Fije los otros dos motores paso a paso y reductores de engranajes al riel Y activo y al riel Z utilizando los métodos descritos en los pasos 1.11–1.12.
  15. Inserte los cables de alimentación y control de los tres motores paso a paso a los puertos de alimentación y control de sus controladores, respectivamente, y fije los cables con tornillos en el lado del conductor.

2. Montaje de la mesa giratoria

  1. Descargue el archivo . DWG archivos de diseño de los archivos suplementarios de este papel. Preparar los objetos, eje mental, barra de localización, rotador y caja mediante impresión 3D o procesamiento mecánico.
  2. Coloque los sensores táctiles en la ranura del cuerpo del objeto y péguelos en las áreas táctiles predefinidas con cinta adhesiva de doble cara (Figura2B).
    NOTA: Cada objeto consta de cuatro subcomponentes: un backboard, cuerpo de objeto con ranura en el interior, placa de cubierta y sensores táctiles.
  3. Pase los cables a través del orificio del backboard del objeto y fije la cubierta hacia el cuerpo del objeto con tornillos (Figura2B).
  4. Pase los cables de los sensores táctiles a través de los orificios en los lados del rotador y fije los objetos en el rotador con tornillos. (Figura 2C).
  5. Soldar los extremos de los cables de los sensores táctiles a los extremos de alambre giratorio del anillo de deslizamiento eléctrico y envolver las juntas con cinta eléctrica (Figura2D).
  6. Fije la caja al control deslizante del riel X con tornillos. Coloque el rodamiento en el orificio inferior de la caja y fije la barra de localización a la superficie superior de la caja con tornillos (Figura2E).
  7. Coloque el rotador en la caja desde el lado, coincidiendo con los ejes del rotador, el rodamiento y la caja. Pasar los cables del anillo de deslizamiento eléctrico a través del orificio superior de la caja (Figura 2F).
  8. Inserte el eje metálico en el rodamiento desde el orificio superior de la caja y ajuste la llave del eje a la llave del rotador (Figura2G).
  9. Ajuste el anillo de deslizamiento eléctrico alrededor del eje de metal. Coloque el extremo de la barra de localización en la muesca del anillo deslizante eléctrico para evitar que el anillo exterior gire (Figura2G).
  10. Inserte el eje del motor de paso en el orificio del eje de metal y fije el motor en la parte superior de la caja con tornillos. (Figura 2H).
  11. Inserte los cables de alimentación y control del motor en los puertos de alimentación y control de su controlador y fíjelos con tornillos.
  12. Pegue un LED tricolor (RGB) en la parte frontal de la caja con cinta adhesiva y fije el tablero lateral derecho en la caja.

3. Configuración del sistema de control

  1. Inserte los cables de dirección y control de pulsos de los cuatro controladores de motor en los puertos de E/S digitales (pins 81, 83, 85, 87) y los puertos de contador digital (pins 89, 91, 93, 95) de la placa de adquisición de datos (DAQ), respectivamente. Fije los cables con tornillos.
  2. Inserte los cables de control del LED (color verde utilizado para la cue "go", el color azul utilizado para la cue de "error" y el color rojo que representa inactivo) en los puertos de E/S digitales (pin 65 y 66) de la tarjeta DAQ y fíjelos con tornillos.
  3. Inserte los cables de salida de los sensores táctiles y el botón de conmutación en los puertos de E/S digitales (pin 67–77) de la placa DAQ y fije los cables con tornillos.
  4. Inserte los cables de control de arranque-parada y dirección de la bomba peristáltica en los pines de E/S digitales 1 y 80, respectivamente. Inserte el cable de control de velocidad de flujo en el puerto de E/S analógico AO2. Fije los cables con tornillos.
  5. Configure un sistema de captura de movimiento como lo describe el fabricante para registrar la trayectoria de la mano en el espacio 3D.
    NOTA: Se utilizó un sistema de captura de movimiento comercial (ver Tabla de Materiales),que consta de ocho cámaras, un concentrador de alimentación, un conmutador Ethernet y un software de soporte (por ejemplo, Cortex). Consulte el manual para obtener más detalles sobre la configuración del sistema.
  6. Configure un sistema de adquisición de señal neuronal como lo describe el fabricante para registrar la señal de electrofisiología del sujeto.
    NOTA: Se utilizó un sistema de adquisición de datos comerciales (Tablade materiales),que consiste en un procesador de señal neuronal (NSP), un amplificador front-end (FEA), una fuente de alimentación del amplificador (ASP), etapas de cabezal y su software de apoyo (por ejemplo, Central). Consulte el manual para obtener más detalles sobre la configuración del sistema.

4. Preparación de la sesión experimental

  1. Inicializar el dispositivo traslacional 3D y la tabla de torneado. Específicamente, tire de los reguladores de todo el riel deslizante lineal hasta el punto inicial (esquina inferior izquierda) y gire el primer objeto (es decir, el asa colocada verticalmente) de la mesa giratoria para mirar hacia el lado frontal de la mesa giratoria.
  2. Encienda los dispositivos experimentales, incluido el sistema de captura de movimiento, la adquisición de señal neuronal, la placa DAQ, la bomba peristáltica y cuatro motores.
  3. Configure el software paradigma (Figura3A).
    1. Haga doble clic en Paradigm.exe para abrir el software paradigma (disponible a petición).
    2. Defina el número de las posiciones de alcanzar y sus coordenadas 3D (x, y y z, en milímetros) en relación con las posiciones iniciales (paso 4.2).
    3. Escriba coordenadas de todas las posiciones en forma de matriz en un documento .txt. Asegúrese de que cada fila incluye las coordenadas x, y y z de una posición separada con un espacio. Guarde el documento txt.
    4. Haga clic en Abrir archivo en el panel Grupo del software de paradigma y seleccione el documento .txt guardado antes para cargar las posiciones de presentación en el software de paradigma.
      NOTA: En este estudio, se fijaron ocho posiciones objetivo de acuerdo con el rango dealcance del animal, que se encuentran en los vértices de un espacio de trabajo cuboide 9,10 (90 mm x 60 mm x 90 mm).
    5. Compruebe los objetos que se presentarán en el experimento en el grupo de objetos del software paradigma.
    6. Ajuste los parámetros experimentales en el panel Parámetros de tiempo del software paradigma. Establezca la línea de base de 400 ms, Carrera del motor, 2.000 ms, Planificación de 1.000 ms, Tiempo máximo de reacción a 500 ms, Tiempo máximo de alcance: 1.000 ms, Tiempo de espera mínimo a 500 ms, Recompensa a 60 ms y Error Cue a 1.000 ms.
  4. Asiento el mono rhesus (con una matriz de microelectrodos implantado en la corteza motora) en la silla del mono insertando su collar en la ranura de la silla y fijando su cabeza.
  5. Fije la silla de mono al marco de construcción de aluminio. Mantenga la cabeza a 250 mm de distancia del lado frontal del cuboide y mantenga los ojos 50 mm por encima de la parte superior del espacio de trabajo cuboide (ángulo visual horizontal: 20o; ángulo visual vertical: 18o).
  6. Construir una plantilla de seguimiento del sistema de captura de movimiento.
    1. Coloque tres marcadores reflectantes en el extremo del brazo (cerca de la muñeca) con cinta adhesiva de doble cara. Asegúrese de que los tres marcadores forman un triángulo scalene.
    2. Haga clic en el botón Ejecutar del software paradigma para iniciar la tarea.
    3. Haga clic en el botón Grabar en el panel Captura de movimiento del software Cortex para registrar trayectorias de tres marcadores para 60 s cuando el mono está haciendo la tarea. Haga clic en el botón Detener para suspender el experimento.
    4. Cree una plantilla de seguimiento de tres marcadores en el software Cortex utilizando las trayectorias grabadas y guarde la plantilla.
      NOTA: Consulte el manual de Cortex para obtener más detalles sobre cómo crear un modelo.
  7. Conecte los puertos GND de FEA y la matriz de microelectrodos implantados en la corteza motora del mono con un alambre y pollas de pellizcar. A continuación, inserte las etapas del cabezal en el conector de la matriz de microelectrodos31.
  8. Abra el software central del sistema de adquisición de señal neuronal y establezca parámetros de grabación, incluyendo ruta de almacenamiento, cancelación de ruido de línea, filtro de pico, umbral de pico, etc.
    NOTA: Consulte el manual del sistema de adquisición de señal neuronal para obtener más detalles sobre la configuración del software.
  9. Abra el software de sincronización (figura3B,disponible a petición). Haga clic en los tres botones Conectar de los paneles Cerebus, Motion Capture y Paradigm para conectar el software de sincronización con el sistema de adquisición de señal neuronal, el sistema de captura de movimiento y el software paradigma, respectivamente.
  10. Haga clic en el botón Ejecutar del software paradigma para continuar con el experimento.
  11. Haga clic en el botón Grabar del panel Almacenamiento de archivos del software Central para comenzar a grabar las señales neuronales.
  12. Compruebe la plantilla de seguimiento guardada y haga clic en el botón Grabar en el panel Captura de movimiento del software Cortex para comenzar a grabar la trayectoria de la muñeca del mono.

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Resultados

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El tamaño del espacio de trabajo completo del aparato es de 600 mm, 300 mm y 500 mm en los ejes x, y y z, respectivamente. La carga máxima del dispositivo traslacional 3D es de 25 kg, mientras que la mesa giratoria (incluido el motor paso a paso) tiene un peso de 15 kg y se puede transportar a una velocidad de hasta 500 mm/s. La precisión cinemática del dispositivo traslacional 3D es inferior a 0,1 mm y el ruido del aparato es inferior a 60 dB.

Para demostrar la utilidad del sistema, el mono e...

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Discusión

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

El aparato conductual se describe aquí permite una combinación en sentido de prueba de diferentes movimientos de alcance y agarre (es decir, el mono puede agarrar objetos de formas diferentes en cualquier lugar 3D arbitrario en cada ensayo). Esto se logra mediante la combinación de una tabla de torneado personalizada que cambia diferentes objetos y un dispositivo de traslacional lineal que transporta la tabla de torneado a varias posiciones en el espacio 3D. Además, las señales neuronales del mono, la trayectoria de la m...

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Divulgaciones

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

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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

Agradecemos al Sr. Shijiang Shen su consejo sobre el diseño de aparatos y a la Sra. Guihua Wang por su asistencia en el cuidado y el entrenamiento de los animales. Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional De Investigación y Desarrollo Clave de China (2017YFC1308501), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31627802), los Proyectos Públicos de la Provincia de Zhejiang (2016C33059), y los Fondos Fundamentales de Investigación para la Universidades Centrales.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Active X-railCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Recorrido efectivo, 600 mm; Carga, 25 kg
Carril Y activoCCM Automation technology Inc., ChinaW60-35Recorrido efectivo, 300 mm, Carga 35 kg
Carril Z activoCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Recorrido efectivo, 500 mm; Carga 25 kg
RodamientoTaobao.com6004-2RSHde acrílico
Procesamiento mecánico personalizadoTT-CAcrílico
Anillo de conexiónCCM Automation technology Inc., China57/60-W50
Eje de conexiónCCM Automation technology Inc., ChinaD12-700Diam., 12 mm; Longitud, 700 mm
Acoplamiento de diafragmaCCM Tecnología de automatización Inc., ChinaCCM 12-12Diámetro interior, 12-12 mm
Acoplamiento de diafragmaCCM Automation technology Inc., ChinaCCM 12-14Diámetro interior, 14-12 mm
Anillo colector eléctricoSemring Inc., ChinaSNH020a-12Acrílico
Barra de localizaciónProcesamiento mecánico personalizadoTT-LAcrílico
Sistema de captura de movimientoMotion Analysis Corp. EE. UU.Eagle-2.36
Sistema de adquisición de señales neuronalesBlackrock Microsystems Corp. EE. UU.Dispositivo Cerebus
NI DAQNational Instruments, EE. UUUSB-6341
ObjetoProcesamiento mecánico personalizadoTT-OAcrílico
Pasivo Y-railCCM Automation technology Inc., ChinaW60-35Recorrido efectivo, 300 mm; Carga 35 kg
Carril Z pasivoCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Recorrido efectivo, 500 mm; Carga 25 kg
PedestalCCM Automation technology Inc., China80-W60
Bomba peristálticaLonger Inc., ChinaBT100-1L
Reductor planetarioCCM Automation technology Inc., ChinaPLF60-5Brida, 60× 60 mm; Relación de reducción, 1:5
Marco de triángulo rectánguloCCM Automation technology Inc., China290-300
RotadorProcesamiento mecánico personalizadoTT-RAcrílico
ServomotorYifeng Inc., China60ST-M01930Brida, 60× 60 mm; Torque, 1.91 N· m; para servomotor de riel Y y Z
Yifeng Inc., China60ST-M01330Brida, 60 veces; 60 mm; Torque, 1.27 N· m; para
procesamiento mecánico personalizadoeje del rielacrílicoTT-S
Taobao.com86HBS120Brida, 86× 86 mm; Torque, 1.27 N· m; Mesa giratoria de conducción
Sensor táctilTaobao.comCM-12X-5V
LED tricolorTaobao.comCK017, placa de conexión RGB
en forma de TCCM Automation technology Inc., China110-120
Caja . el del X Motor paso a paso

Referencias

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