MPI CyberMotion Simulator: la mise en œuvre d'un simulateur de mouvement Novel pour étudier l'intégration multisensorielle chemin en trois dimensions

L'objectif général de l'expérience suivante est de mesurer la navigation dans l'espace tridimensionnel tout en contrôlant les entrées sensorielles visuelles et vestibulaires du participant. Cela est réalisé à l'aide d'un fauteuil robotisé modifié possédant six degrés de liberté, qui stimule le système vestibulaire du participant assis dans le fauteuil. Le participant observe un champ d'étoiles virtuel. En déplaçant le fauteuil robotisé et en modifiant simultanément le champ d'étoiles, le système fournit au participant des indices visuels et vestibulaires.

Les participants fournissent des retours sur la navigation en donnant l'exactitude et la rapidité avec lesquelles ils peuvent indiquer la position de départ mémorisée. Les résultats montrent qu'une estimation inexacte du mouvement propre dépend du plan de déplacement et de l'angle selon lequel les sujets sont déplacés. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, comme les plates-formes mobiles, est que le simulateur MPI Cyber Motion dispose d'un espace de travail vaste, capable de déplacer les observateurs dans différentes dimensions, en particulier vers le bas.

Cette méthode peut répondre à des questions fondamentales dans le domaine des neurosciences, comme de savoir si le cerveau représente de manière équivalente le mouvement de soi dans différentes dimensions. Nous avons eu l'idée de ces expériences à partir d'une étude menée par notre collègue Manuel Vidal. Il déplaçait des personnes à travers des masses virtuelles à l'aide d'une présentation visuelle uniquement.

Ici, il a constaté que la navigation spatiale est altérée lorsque les MACES incluent une composante verticale. Les implications de cette technique s'étendent à l'élaboration de diagnostics concernant la désorientation spatiale, car elles fournissent un point de référence pour la navigation sur un trajet dans le cerveau normal. Le stimulateur cybernétique de mouvement NPI est constitué d'un robot sériel à six articulations configuré selon un arrangement 3, 2, 1.

Il repose sur un robot industriel avec une charge utile de 500 kilogrammes afin de rendre le robot sûr pour l'expérimentation. Des modifications ont été apportées tant au niveau du matériel qu'au niveau du logiciel ; des profils de mouvement complexes combinant des déplacements latéraux et des rotations sont possibles. Avec le simulateur cybernétique de mouvement du MPI.

L'axe un, quatre et six peut pivoter en continu ; quatre paires de composants matériels et butées limitent l'axe deux, trois et cinq dans les deux directions. L'amplitude maximale des mouvements linéaires dépend fortement de la position à partir de laquelle le mouvement commence. Avant d'effectuer toute expérience, chaque trajectoire de mouvement expérimental doit passer par une phase de test.

Les trajectoires sont programmées à l'aide d'un PC de bureau conçu par KUKA afin de configurer le simulateur de mouvement cybernétique du MPI. Dans cette configuration en boucle ouverte, les trajectoires sont entrées en coordonnées cartésiennes et converties en angles d'articulation par cinématique inverse toutes les 12 millisecondes. Les positions angulaires actuelles des articulations sont transmises du système de commande au simulateur de mouvement cybernétique du MPI via une connexion Ethernet, où elles sont lues et enregistrées de façon incrémentielle sur le disque du robot.

Un siège de voiture de course équipé d'un système de ceinture de sécurité à cinq points est fixé à un châssis, qui comprend un repose-pieds. Le châssis est monté sur la bride du bras robotisé. Les participants doivent porter des écouteurs antibruit, équipés d'un microphone permettant une communication bidirectionnelle avec l'expérimentateur.

Ils doivent également être naïfs quant au dispositif expérimental. Un bruit continu est diffusé via les écouteurs, ce qui masque le bruit du robot. Des expériences sont également possibles en plaçant les participants à l’intérieur d’une cabine fermée, puisque l’expérience est réalisée dans l’obscurité.

Les caméras infrarouges permettent une surveillance visuelle depuis la salle de contrôle. Plusieurs configurations de visualisation sont possibles, notamment un écran LCD, une projection frontale stéréo, une projection frontale monoscopique ou un afficheur monté sur casque. Dans cette expérience, les indices visuels du mouvement propre sont fournis par un écran LCD, placé à 50 centimètres devant les observateurs pour transmettre les indices visuels.

Le logiciel présente à chaque participant un espace virtuel OID rempli de 200 000 points. Chaque point dans l'espace est représenté par un cercle blanc sur fond noir. L'écran affiche des points correspondant à des angles visuels compris entre 13 et 0,3 degrés.

Ces points sont situés à une distance de 0,085 et quatre unités virtuelles par rapport au participant. Le mouvement du champ virtuel est synchronisé avec le mouvement physique à l’aide de trajectoires de déplacement provenant de l’ordinateur de contrôle MPI afin de créer un effet de parallaxe entre le flux optique et le mouvement.

Les points situés plus en profondeur dans le champ de vision sont représentés plus petits, indépendamment des mouvements du participant. Chaque point est affiché pendant deux secondes de manière asynchrone avant d'être réaffecté aléatoirement. Ainsi, au total, cent mille points se déplacent chaque seconde.

Un joystick sur mesure équipé de boutons de réponse permet aux participants de transmettre des données par connexion Ethernet au système de contrôle. Les informations sensorielles peuvent être manipulées en fournissant uniquement des indices visuels provenant du champ d'étoiles à durée de vie limitée, uniquement des indices kinesthésiques vestibulaires provenant du mouvement passif de soi-même les yeux fermés, ou les deux types d'indices simultanément les yeux ouverts.

Dans cette expérience, les trajectoires de mouvement étaient composées de deux segments de longueur. Le premier mesure 0,4 mètre et le second un mètre. L'angle entre deux segments de mouvement est transmis soit comme 45 degrés, soit comme 90 degrés.

Par exemple, le mouvement dans le plan horizontal consiste soit en un déplacement vers l'avant et vers la droite de 90 degrés vers l'avant, soit en un déplacement vers la droite de 45 degrés vers la droite, soit en un déplacement vers l'avant de 90 degrés, soit en un déplacement vers la droite et vers l'avant de 45 degrés. Ces types de mouvements sont également réalisés dans les plans sagittal et frontal. Les trajectoires sont appliquées sous forme de translations sans rotation.

Chaque trajectoire est suivie par une séquence de repositionnement, puis par une pause de 15 secondes afin de réduire toute interférence éventuelle due au mouvement précédent chaque essai, et de garantir que le système vestibulaire est testé à partir d'un état d'équilibre. Pour fournir un retour sur leur déplacement perçu, les participants déplacent une flèche à l'aide d'une manette afin d'indiquer leur mouvement par rapport à leur point d'origine. L'origine est présentée sous la forme d'un avatar vu depuis trois points de vue différents, et la flèche est toujours positionnée aléatoirement avant l'ajustement, précédant les essais. Il est essentiel d'entraîner le participant à utiliser précisément le système de rétroaction.

Ils devraient être capables de diriger la flèche vers des objets situés dans leur environnement, comme le manche à balai posé sur leurs genoux pendant l'essai. Le mouvement du manche à balai est limité au plan de la trajectoire, et les participants peuvent utiliser un ou plusieurs points de vue lors de la collecte des données. Chaque condition expérimentale est répétée trois fois et présentée dans un ordre aléatoire.

Les données des 16 participants ont été analysées. Un. Des scores extrêmes aberrants ont été éliminés ; la modalité et l'angle n'ont eu aucun effet significatif sur l'estimation du mouvement. Toutefois, les participants ont sous-estimé la taille de l'angle de mouvement dans le plan horizontal de près de neuf degrés et surestimé la taille de l'angle dans le plan frontal d'environ cinq degrés. Ici.

Le facteur d'angle interagissait de manière significative avec le facteur du plan frontal, de sorte que les surestimations étaient plus importantes pour des mouvements effectués sur 45 degrés que pour des mouvements effectués sur 90 degrés. En outre, la modalité interagissait de manière significative avec l'angle, de sorte que les sous-estimations issues uniquement des informations vestibulaires pour des mouvements effectués sur 90 degrés étaient significativement plus importantes par rapport aux conditions visuelle et combinée. De telles disparités étaient absentes pour les mouvements effectués sur 45 degrés.

Le temps de réponse s'est révélé significativement plus lent lorsque la rétroaction était fournie uniquement sur des indices kinesthésiques vestibulaires par rapport aux conditions visuelle et combinée. Les participants étaient également significativement plus lents lorsqu'ils étaient déplacés dans le plan horizontal par rapport aux autres plans. Ces résultats sont vraiment surprenants, car ils suggèrent que la représentation de l'espace par le cerveau n'est pas symétrique selon les dimensions.

On sait depuis un certain temps que les gens ont tendance à sous-estimer leurs déplacements dans le plan horizontal ; ici, pour la première fois, nous montrons que ce n’est pas le cas dans la dimension verticale. À l’avenir, nous pourrons utiliser ces méthodes pour construire des trajectoires dans les trois dimensions, y compris celles qui sont courbes. Cela nous permettra de répondre à d’autres questions, comme la manière dont le cerveau parvient à intégrer les mouvements entre les différents plans, ainsi que la façon dont il gère les changements de direction.