Article de méthode

Conception et utilisation d'un apparatus pour la présentation d'objets graspables dans l'espace de travail 3D

DOI :

10.3791/59932

⸱

8 août 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

Dans cet article

Résumé

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

Présenté ici est un protocole pour construire un appareil automatique qui guide un singe pour effectuer la tâche flexible de portée à saisir. L'appareil combine un dispositif de traduction 3D et une table tournante pour présenter plusieurs objets dans une position arbitraire dans l'espace 3D.

Résumé

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

Atteindre et saisir sont des mouvements très couplés, et leur dynamique neuronale sous-jacente ont été largement étudiés au cours de la dernière décennie. Pour distinguer les codages d'atteindre et de saisir, il est essentiel de présenter différentes identités d'objets indépendamment de leurs positions. Présenté ici est la conception d'un appareil automatique qui est assemblé avec une table tournante et en trois dimensions (3D) dispositif de traduction pour atteindre cet objectif. La table tournante change différents objets correspondant à différents types d'adhérence tandis que l'appareil de traduction 3D transporte la table tournante dans l'espace 3D. Les deux sont entraînés indépendamment par des moteurs de sorte que la position cible et l'objet sont combinés arbitrairement. Pendant ce temps, la trajectoire du poignet et les types d'adhérence sont enregistrés via le système de capture de mouvement et les capteurs tactiles, respectivement. En outre, les résultats représentatifs qui démontrent le singe avec succès formé utilisant ce système sont décrits. On s'attend à ce que cet appareil facilite des chercheurs pour étudier la cinématique, les principes neuraux, et les interfaces cerveau-machine liées à la fonction supérieure de membre.

Introduction

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

Divers appareils ont été développés pour étudier les principes neuronaux sous-jacents à l'atteinte et à la saisie du mouvement chez les primates non humains. Dans l'atteinte des tâches, écran tactile1,2, curseur d'écran contrôlé par un joystick3,4,5,6,7, et la technologie de réalité virtuelle8 , 9 (en) , 10 ont tous été employés pour présenter des cibles 2D et 3D, respectivement. Pour introduire différents types d'adhérence, des objets de forme différente fixés dans une position ou tournant autour d'un axe ont été largement utilisés dans les tâches de saisie11,12,13. Une alternative consiste à utiliser des repères visuels pour informer les sujets de saisir le même objet avec différents types d'adhérence14,15,16,17. Plus récemment, les mouvements d'atteinte et de saisie ont été étudiés ensemble (c.-à-d. que les sujets atteignent de multiples positions et saisissent différents types d'adhérence lors d'une session expérimentale)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Les premières expériences ont présenté des objets manuellement, ce qui conduit inévitablement à un temps faible et la précision spatiale20,21. Pour améliorer la précision expérimentale et économiser de la main-d'œuvre, les dispositifs de présentation automatique contrôlés par les programmes ont été largement utilisés. Pour varier la position cible et le type d'adhérence, les expérimentateurs ont exposé plusieurs objets simultanément, mais la position relative (ou absolue) des cibles et les types d'adhérence sont liés entre eux, ce qui provoque des schémas de tir rigides grâce à une formation à long terme22 ,27,28. Les objets sont généralement présentés dans un plan 2D, ce qui limite la diversité du mouvement d'atteinte et de l'activité neuronale19,25,26. Récemment, la réalité virtuelle24 et le bras robot23,29 ont été introduits pour présenter des objets dans l'espace 3D.

Présentés ici sont des protocoles détaillés pour la construction et l'utilisation d'un appareil automatisé30 qui peut atteindre n'importe quelle combinaison de positions cibles multiples et les types d'adhérence dans l'espace 3D. Nous avons conçu une table tournante pour changer d'objet et un dispositif de traduction 3D pour transporter la table tournante dans l'espace 3D. La table tournante et l'appareil de traduction sont pilotés par des moteurs indépendants. Pendant ce temps, la trajectoire 3D du poignet du sujet et les signaux neuronaux sont enregistrés simultanément tout au long de l'expérience. L'appareil fournit une plate-forme précieuse pour l'étude de la fonction des membres supérieurs chez le singe rhésus.

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Protocole

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Toutes les procédures comportementales et chirurgicales étaient conformes au Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (China Ministry of Health) et ont été approuvées par le Comité des soins aux animaux de l'Université de Zhejiang, en Chine.

1.Assemblage de l'appareil de traduction 3D

  1. Construire un cadre de taille 920 mm x 690 mm x 530 mm avec rails de construction en aluminium (section transversale : 40 mm x 40 mm).
  2. Fixer quatre piédestaux aux deux extrémités des y-rails avec des vis (M4) (Figure 1B).
  3. Fixer deux rails Y sur la surface supérieure du cadre en parallèle en fixant les quatre piédestaux aux quatre coins de la surface supérieure avec des vis (M6) (Figure 1B).
  4. Connectez deux rails Y avec un arbre de raccordement et deux accouplements de diaphragme. Resserrer les vis de verrouillage des accouplements pour synchroniser les arbres de deux rails (Figure 1B).
  5. Mettre six noix (M4) dans les rainures arrière du Z-rail. Fixez un côté du cadre triangle droit à l'arrière du rail Z avec des vis.
  6. Tirez le cadre triangle à l'extrémité qui est distal à l'arbre et serrer les vis. Attachez l'autre cadre triangle droit à l'autre rail Z de la même manière (Figure 1C).
  7. Fixer les autres côtés à angle droit de deux cadres triangle aux curseurs de deux rails Y avec vis (M6) (Figure 1C).
  8. Connectez deux z-rails avec un arbre de raccordement et des accouplements de diaphragme et serrez les vis de verrouillage du couplage (figure 1C).
  9. Fixez les deux planches de raccordement en forme de T à l'arrière du X-rail avec des écrous et des vis (M4). Puis tirez les deux planches en forme de T aux deux extrémités du X-rail et serrez les vis (Figure 1D).
  10. Fixer les deux panneaux de raccordement en forme de T sur les curseurs de deux z-rails avec vis (M6), respectivement (Figure 1D).
  11. Insérez le moteur de marche dans le trou d'arbre du réducteur d'engrenage et vissez leurs flanges ensemble (Figure 1E).
  12. Fixez l'anneau de raccordement à l'extrémité de l'arbre du X-rail actif avec des vis (M4).
  13. Insérez l'arbre du x-rail dans l'accouplement et fixez le réducteur de vitesse à l'anneau de raccordement avec des vis (M4).  Serrez les vis de verrouillage du couplage (Figure 1E).
  14. Fixez les deux autres moteurs et réducteurs d'engrenages au rail Y et au rail Z actifs en utilisant les méthodes décrites dans les étapes 1.11-1.12.
  15. Insérez les câbles de puissance et de commande des trois moteurs de marche aux ports de puissance et de contrôle de leurs conducteurs, respectivement, et fixez les câbles avec des vis du côté conducteur.

2. Assemblage de la table tournante

  1. Télécharger le . Fichiers de conception DWG à partir des fichiers supplémentaires de ce document. Préparer les objets, l'arbre mental, la barre de localisation, le rotateur et le boîtier par impression 3D ou traitement mécanique.
  2. Placez les capteurs tactiles dans la rainure du corps de l'objet et collez-les sur les zones tactiles prédéfinies avec du ruban adhésif double face (Figure2B).
    REMARQUE : Chaque objet se compose de quatre sous-composants : un backboard, un corps d'objet avec rainure à l'intérieur, une planche de couverture et des capteurs tactiles.
  3. Passer les fils à travers le trou de l'arrière-plan de l'objet et fixer la planche de couverture sur le corps de l'objet avec des vis (Figure 2B).
  4. Passez les fils des capteurs tactiles à travers les trous sur les côtés du rotateur et fixez les objets sur le rotateur avec des vis. (Figure 2C).
  5. Souder les extrémités du fil des capteurs tactiles aux extrémités de fil rotatif de l'anneau de glissement électrique et envelopper les joints avec du ruban électrique (Figure 2D).
  6. Fixez le boîtier au curseur du X-rail avec des vis. Placez le roulement dans le trou inférieur de la boîte et fixez la barre de localisation à la surface supérieure du boîtier avec des vis (Figure 2E).
  7. Placez le rotateur dans le boîtier de côté, coïncidant avec les haches du rotateur, du roulement et de la boîte. Passer les fils de l'anneau de glissement électrique à travers le trou supérieur de l'étui (Figure 2F).
  8. Insérer l'arbre métallique dans le roulement à partir du trou supérieur du boîtier et ajuster la clé de l'arbre à la voie de touche du rotateur (Figure 2G).
  9. Définir l'anneau de glissement électrique autour de l'arbre métallique. Placez l'extrémité de la localisation de la barre dans l'encoche de l'anneau de glissement électrique pour empêcher l'anneau extérieur de tourner (Figure 2G).
  10. Insérez l'arbre du moteur de marche dans le trou de l'arbre en métal et fixez le moteur sur le dessus de la boîte avec des vis. (Figure 2H).
  11. Insérez les câbles de puissance et de commande du moteur dans les ports de puissance et de contrôle de son conducteur et fixez-les avec des vis.
  12. Collez une LED tricolore (RGB) sur le côté avant du boîtier avec du ruban adhésif et fixez la planche latérale droite sur le boîtier.

3. Configuration du système de contrôle

  1. Insérez les fils de direction et de contrôle des impulsions des quatre conducteurs de moteur dans les ports I/O numériques (broches 81, 83, 85, 87) et les ports de comptoir numérique (pins 89, 91, 93, 95) du tableau d'acquisition de données (DAQ), respectivement. Fixer les fils avec des vis.
  2. Insérez les fils de commande de LED (couleur verte utilisée pour le repère "go", couleur bleue utilisée pour le repère "erreur" et couleur rouge représentant les idle) dans les ports I/O numériques (pin 65 et 66) de la carte DAQ et fixez-les avec des vis.
  3. Insérez les fils de sortie des capteurs tactiles et changez le bouton dans les ports I/O numériques (pin 67-77) de la carte DAQ et fixez les fils avec des vis.
  4. Insérez les fils de commande de démarrage-arrêt et de direction de la pompe péristétique dans les broches i/O numériques 1 et 80, respectivement. Insérez le fil de commande de vitesse d'écoulement dans le port analogique I/O AO2. Fixer les fils avec des vis.
  5. Configurer un système de capture de mouvement tel que décrit par le fabricant pour enregistrer la trajectoire de la main dans l'espace 3D.
    REMARQUE : Un système commercial de capture de mouvement (voir Tableau des matériaux) a été utilisé, qui se compose de huit caméras, d'un moyeu électrique, d'un commutateur Ethernet et d'un logiciel de soutien (p. ex., Cortex). S'il vous plaît se référer au manuel pour obtenir plus de détails sur la configuration du système.
  6. Mettre en place un système d'acquisition de signaux neuronaux tel que décrit par le fabricant pour enregistrer le signal d'électrophysiologie du sujet.
    REMARQUE : Un système commercial d'acquisition de données (Tableaudes matériaux) a été utilisé, qui se compose d'un processeur de signal neuronal (NSP), d'amplificateur frontal (FEA), d'alimentation par amplificateur (ASP), d'étapes de tête et de son logiciel de soutien (p. ex., Central). Consultez le manuel pour plus de détails sur la configuration du système.

4. Préparation de la session expérimentale

  1. Initialiser le dispositif de traduction 3D et la table tournante. Plus précisément, tirez les curseurs de tous les rails de glissière linéaires vers le point de départ (coin inférieur gauche) et tournez le premier objet (c.-à-d. la poignée placée verticalement) de la table tournante pour faire face au côté avant de la table tournante.
  2. Puissance sur les dispositifs expérimentaux, y compris le système de capture de mouvement, l'acquisition de signal neuronal, la carte DAQ, la pompe péristaltique, et quatre moteurs.
  3. Configurer le logiciel de paradigme (Figure 3A).
    1. Double clic Paradigm.exe pour ouvrir le logiciel paradigm (disponible sur demande).
    2. Définissez le nombre de positions d'atteinte et leurs coordonnées 3D (x, y et z, en millimètres) par rapport aux positions initiales (étape 4.2).
    3. Écrivez les coordonnées de toutes les positions sous forme de matrice dans un document .txt. Assurez-vous que chaque ligne comprend les coordonnées x, y et z d'une position séparée avec un espace. Enregistrer le document txt.
    4. Cliquez sur Ouvrez le fichier dans le panneau pool du logiciel de paradigme et sélectionnez le document .txt enregistré avant de charger les positions de présentation dans le logiciel de paradigme.
      REMARQUE : Dans cette étude, huit positions cibles ont été fixées en fonction de la portée d'atteinte de l'animal, qui sont situées à des vertices d'un espace de travail cuboïde9,10 (90 mm x 60 mm x 90 mm).
    5. Vérifiez les objets à présenter dans l'expérience dans le pool d'objets du logiciel de paradigme.
    6. Ajuster les paramètres expérimentaux dans le panneau Paramètres temporels du logiciel de paradigme. Définir Baseline 400 ms, Motor Run 2 000 ms, Planification 1 000 ms, temps de réaction max 500 ms, temps d'accès maximum , 1 000 ms, min Temps d'attente , 500 ms, Récompense 60 ms, et Erreur Cue 1 000 ms.
  4. Asseyez le singe rhésus (avec un tableau de micro-électrode implanté dans le cortex moteur) sur la chaise de singe en insérant son collier dans la rainure de la chaise et en fixant sa tête.
  5. Fixer la chaise de singe au cadre de construction en aluminium. Gardez la tête à 250 mm de la face avant du cuboïde et gardez les yeux à 50 mm au-dessus du côté supérieur de l'espace de travail cuboïde (angle visuel horizontal : 20 degrés; angle visuel vertical : 18 degrés).
  6. Construire un modèle de suivi du système de capture de mouvement.
    1. Fixez trois marqueurs réfléchissants à l'extrémité du bras (près du poignet) avec du ruban adhésif recto-verso. Assurez-vous que les trois marqueurs forment un triangle d'échelle.
    2. Cliquez sur le bouton Exécuter du logiciel de paradigme pour démarrer la tâche.
    3. Cliquez sur le bouton Enregistrement sur le panneau de capture de mouvement du logiciel Cortex pour enregistrer les trajectoires de trois marqueurs pour 60 s lorsque le singe fait la tâche. Cliquez sur le bouton Stop pour suspendre l'expérience.
    4. Construisez un modèle de suivi de trois marqueurs sur le logiciel Cortex en utilisant les trajectoires enregistrées et enregistrez le modèle.
      REMARQUE: S'il vous plaît se référer au manuel de Cortex pour obtenir plus de détails sur la façon de construire un modèle.
  7. Connectez les ports GND de FEA et micro-électrode tableau implanté dans le cortex moteur du singe avec un fil et pincer les. Ensuite, insérez les étapes de la tête dans le connecteur du tableau de micro-électrodes31.
  8. Ouvrez le logiciel central du système d'acquisition de signaux neuronaux et définiz les paramètres d'enregistrement, y compris la trajectoire de stockage, l'annulation du bruit de ligne, le filtre à pointes, le seuil de pointe, etc.
    REMARQUE: Veuillez consulter le manuel du système d'acquisition de signaux neuronaux pour plus de détails sur le réglage du logiciel.
  9. Ouvrez le logiciel de synchronisation (Figure3B, disponible sur demande). Cliquez sur les trois boutons Connect dans les panneaux Cerebus, Motion Capture et Paradigm pour connecter le logiciel de synchronisation au système d'acquisition de signaux neuronaux, au système de capture de mouvement et au logiciel de paradigme, respectivement.
  10. Cliquez sur le bouton Exécuter du logiciel de paradigme pour continuer l'expérience.
  11. Cliquez sur le bouton Enregistrement sur le panneau de stockage de fichiers du logiciel Central pour commencer à enregistrer les signaux neuronaux.
  12. Vérifiez le modèle de suivi enregistré et cliquez sur le bouton Enregistrement sur le panneau de capture de mouvement du logiciel Cortex pour commencer à enregistrer la trajectoire du poignet du singe.

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Résultats

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La taille de l'espace de travail complet de l'appareil est de 600 mm, 300 mm et 500 mm en x-, y-, et z-axes, respectivement. La charge maximale de l'appareil de traduction 3D est de 25 kg, tandis que la table tournante (y compris le moteur de marche) est pondérée de 15 kg et peut être transportée à une vitesse allant jusqu'à 500 mm/s. La précision cinématique de l'appareil de traduction 3D est inférieure à 0,1 mm et le bruit de l'appareil est inférieur à 60 dB.

Pour démontrer l'utilité du syst...

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Discussion

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

L'appareil comportemental est décrit ici permet une combinaison d'essai-sage de différents mouvements d'atteindre et de saisir (c.-à-d., le singe peut saisir des objets de forme différente dans n'importe quel emplacement 3D arbitraire dans chaque essai). Ceci est accompli grâce à la combinaison d'une table tournante personnalisée qui change différents objets et d'un dispositif de traduction linéaire qui transporte la table tournante à plusieurs positions dans l'espace 3D. En outre, les signaux neuronaux du singe, la traj...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

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

Nous remercions M. Shijiang Shen pour ses conseils sur la conception d'appareils et Mme Guihua Wang pour son aide en matière de soins et de formation des animaux. Ce travail a été soutenu par le National Key Research and Development Program of China (2017YFC1308501), la National Natural Science Foundation of China (31627802), les Projets publics de la province du Zhejiang (2016C33059) et les Fonds de recherche fondamentale pour le Universités centrales.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Active X-railCCM Automation technology Inc., ChineW50-25Course effective, 600 mm ; Charge, 25 kg
Active Y-railCCM Automation technology Inc., ChineW60-35Course effective, 300 mm, charge 35 kg
Active Z-railCCM Automation technology Inc., ChineW50-25Course effective, 500 mm ; Charge 25 kg
RoulementTaobao.com6004-2RSHBoîtier en acrylique
Traitement mécanique sur mesureTT-CAcrylique
Bague de raccordementCCM Automation technology Inc., Chine57/60-W50
Arbre de raccordementCCM Automation technology Inc., ChineD12-700Diam., 12 mm ;Longueur, 700 mm
Accouplement à membraneCCM Technologie d’automatisation Inc., ChineCCM 12-12Diam. intérieur, 12-12mm
Couplage à membraneCCM Technologie d’automatisation Inc., ChineCCM 12-14Diam. intérieur, 14-12mm
Bague collectrice électriqueSemring Inc., ChineSNH020a-12
Barre de positionnementacrylique Traitement mécanique personnaliséTT-L
Acrylique Système de capture de mouvementMotion Analysis Corp. USEagle-2.36
Système d’acquisition de signaux neuronauxBlackrock Microsystems Corp. États-UnisCerebus
NI Dispositif DAQNational Instruments, États-UnisUSB-6341
ObjetTraitement mécanique personnaliséTT-OAcrylique
Rail en Y passifCCM Technologie d’automatisation Inc., ChineW60-35Course effective, 300 mm ; Charge 35 kg
Rail Z passifCCM Automation technology Inc., ChineW50-25Course effective, 500 mm ; Charge 25 kg
SocleCCM Automation technology Inc., Chine80-W60
Pompe péristaltiqueLonger Inc., ChineBT100-1L
Réducteur planétaireCCM Automation technology Inc., ChinePLF60-5Bride, 60 & fois ; 60 millimètres ; Rapport de réduction,
cadre triangulaire droitCCM Automation technology Inc., Chine290-300
RotateurTraitement mécanique personnaliséTT-RServomoteur acrylique
Yifeng Inc., Chine60ST-M01930Bride, 60&fois ; 60 millimètres ; couple, 1,91 N· ; m; pour servomoteur à rail Y et Z
Yifeng Inc., Chine60ST-M01330Bride, 60 & fois ; 60 millimètres ; couple, 1,27 N· ; m; pour
l’arbreTraitement mécanique personnaliséTT-S
Moteur pas à pasen acrylique Taobao.com86HBS120Bride, 86&fois ; 86 millimètres ; couple, 1,27 N· ; m;
Capteur tactileTaobao.comCM-12X-5V
LED tricoloreTaobao.comCK017,
CCM Automation technology Inc., Chine110-120
1:5 X-rail panneau de connexion en forme de T RVB

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

3D WorkspaceGraspable ObjectsTurning Table3D Translational DeviceMotion Capture SystemTouch SensorsNeural Signal AcquisitionUpper Limb FunctionBrain Machine InterfaceReach Grasp Encoding

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