ממריץ משושי אוטומטי פסיבי-Finger (ברזים)

שלום, שמי דן גולדריץ' ואנחנו נמצאים במעבדת מחקר המישוש באוניברסיטת מקמסטר. אלו הן אינגריד קאנס, בריאן פיטרס ומייק וונג, והיום נדבר איתכם על מדמה גירוי אצבע פסיבי אוטומטי למישוש, או TAPS. TAPS הוא מכשיר למדידת חדות מרחבית של מישוש פסיבי בקצה האצבע, ופיתחתי אותו באוניברסיטת דוקיין בפיטסבורג, פנסילבניה, יחד עם אינגריד קאנס, ומאז שינינו אותו באוניברסיטת מקמסטר כאן בהמילטון, אונטריו, יחד עם רייאן ומייק.

מכשיר זה מהווה שיטה להעברת גירויים מגעים מבוקרים לקצה האצבע, תוך בקרה על מהירות תחילת הכוח ומשך הגירוי. סרטון זה מאורגן לשלושה חלקים. ראשית, נספק סקירה כללית על אופן הפעולה של ה-taps.

בשלב הבא, נדגים את ה-taps בפעולה ונתאר את מרכיביו כדי שאחרים יוכלו לשחזר את המכשיר. לבסוף, נמחיש את אחד מניסויי הבדיקה הרבים ש-taps יכול לבצע: ניסוי לדירוג אוריינטציה בשיטת בחירת כוח ברווח זמן כפול עם התנייה.

כוח הכבידה מפעיל כוח כלפי מטה על מסה התלויה ממוט. מבט צד זה מציג את המכשירים כאשר מספר מבנים הוסרו כדי להמחיש בבירור את פעולת המכשיר, זרועו של המשתתף נחה בנוחות בתנוחה הפרוסה (prone) על גבי שולחן. קצה האצבע מונח מעל תעלות בשולחן.

המנהרה אינה מוצגת בדיאגרמה זו; על שולחן נמוך יותר המוסתר מהשקפתו של המשתתף, מנוע פסיעות מסובב דיסקה המחזיקה עד 40 רכיבי גירוי, וממקמת את אחד הרכיבים תחת האצבע. מוט רוחב, המוצג כאן באדום, משתרע מהמחוץ הנייד של מפעיל לינארי ומונע את סיבוב המוט. כאשר המפעיל נע קדימה, המוט מסתובב תחת השפעת כוח הגרווית, ובכך דוחף רכיב גירוי כלפי מעלה דרך המנהרה אל העור.

פיזיקה פשוטה קושרת בין מהירות המפעיל למהירות שבה משטח הגירוי עולה למגע עם העור, ובין משקל המסה התלויה לכוח הסטטי של גירוי המגע. כאשר המפעיל הופך כיוון כדי להחזיר את המוט למצב ההתחלה שלו, רכיב הגירוי מפיל את הדיסק, ואז מנוע הצעד מסובב רכיב אחר תחת האצבע והתהליך כולו חוזר על עצמו. מבט עליון זה, ללא האצבע, מציג מחזור גירוי נוסף.

שימו לב שחלק הגירוי עולה כאשר המפעיל נע קדימה ויורד כאשר המפעיל חוזר לאחור. כדי להכין את חלקי הגירוי, התחלנו עם מוטות דלרין (delrin) בקוטר חצי אינץ' ובאורך שלושה אינצ'ים, תוך שימוש במכונת כרסום קטנה של Shoreline. השתמשנו בסכין קצץ (fly cutter) כדי למסח את שני הקצוות ולהפחית את אורך המוט ל-2.75 אינצ'ים.

אנו משתמשים בסכין חיתוך (fly cutter) כדי לעצב מוטות מלבניים באורך של שני אינצ'ים וברוחב של 8.7 millimeters בריבוע. אנו חורצים חריצים מקבילים בפני השטח העגול כדי ליצור דרגות בצורת גל ריבוע עם רוחב חריץ ופס שווים לצורך חיתוך חריצים גדולים יותר. עבור חריצים קטנים יותר השתמשנו במקדח קצה (end mill).

השתמשנו ברוטב חריצה. הצבנו טבעות אטם (O-rings) מסיליקון מסביב לציר כדי להפחית רעידות של החלקים. כאשר הדיסק מסתובב, הרכיבים המכניים של הברזים מוצגים כאן. כאשר המערכת של המפעיל הליניארי נעה קדימה, המסה התלויה נופלת תחת השפעת כוח המשיכה.

משקלה של מסה זו והמרחקה מנקודת הציר לאורך המוט המסתובב קובעים יחד את הכוח העולה שבו רכיב הגירוי נוגע בעור הנבדק. רכיב מסוים ממוקם ישירות מתחת למנהרה בשולחן העליון על ידי מנוע פסוע (stepper motor) המנוהל על ידי מחשב ומסובב את מגש הגירויים. לאחר שהנבדק לוחץ על כפתור תגובה, המחשב מורה למנוע הפסוע לסובב את מגש הגירויים, ובכך ממקם רכיב גירוי אחר ישירות מתחת למנהרה.

בטבלה העליונה. תנועת רכיבי הברזים מנוטרת על ידי מספר חיישנים. חיישן רפלקטורי מזהה את נוכחותו של רכיב גירוי מוגבה.

שימו לב לאור הירוק הנדלק ונכבה. חיישן זה משמש את המכשירים במהלך אתחול הניסוי כדי למקם נכונה את המוט המסתובב במרחק מוגדר מתחת לחלקי הגירוי. בנוסף, הפעלת החיישן משביתה את מנוע הפסועים (step motor) כדי למנוע נזק לציוד שעלול להתרחש אחרת.

במקרה שחלק גירוי נתקע בטעות במנהרה, חיישן פוטואלקטרי בצורת U קובע את מיקום הבית של מגש הגירויים. חיישן זה מופעל כאשר פיסת נייר קשיח המודבקת לשולי המגש המסתובב קוטעת את קרן האינפרא-אדום של החיישן.

כל התנועות של מגש הגירויים מחושבות לאחר מכן ביחס למצב בית זה. חיישן אפקט HU קובע את מצב הבית של המפעיל הליניארי. כאן ניתן לראות את המערכה של המפעיל נעה קדימה, כאשר שולחן הציר יזוז כאשר המערכה תגיע למצב הבית.

החיישן מופעל; שימו לב שהאור האדום נדלק ונכבה כמאפיין בטיחות. ישנם שני חיישנים דומים. אחד מהם מוצג כאן, והוא קובע גבולות לתנועה קדימה ואחורה של המערך למקרה הבלתי סביר של תקלה במפעיל.

חיישני גבול אלו משביתים את המפעיל ומונעים תזוזה בלתי נשלטת של המיליס. עם הצבת שולחן הציר וכיוון מדויק, הסבכה הבולטת ממיליס המפעיל נוגעת במוט אנכי המשתרע למטה מהמוט המסתובב בנקודת הציר. מיסב מתכת כמעט נטול חיכוך משמש כנקודת הציר ומאפשר למוט להסתובב בחופשיות.

כאשר מחוך המערכת (actuator) נע קדימה, המסה מושמטת אל תוך סל סקוץ' (Velcro) התלוי מהמוט המסתובב. לאחר שזרוע הנבדק נמצאת במצב שכיבה (prone) על השולחן, הניחו את הכרית הדיסטלית של האצבע הנבדקת מעל מנהרה בשולחן, דרכה יעלו משטחי הגירוי. כדי להבטיח מגע עם העור ולמנוע תנועה צידית של האצבע, הניחו בעדינות שני מחסומים, שבתחתיתם סרט ספוג דו-צדדי, כנגד דפאות האצבע.

באמצעות תושבת מסתובבת, הניחו בעדינות את חיישן הכוח על הציפורן, סמוך לקו העור (cuticle), בזווית של 90 מעלות למישור הציפורן, תוך הבטחה שהחיישן מפעיל כוח שבין 50 ל-80 גרמים. כוח זה הוא נוח עבור הנבדק ומעניק לחיישן רגישות מצוינת לתנועת האצבע. הדקו את הברגים של התושבת המסתובבת; זוהי מערכת ורסטילית שניתן להשתמש בה להחלת כל גירוי באמצעות משטחים החרוצים בפני מוטות בעובי חצי אינץ'.

לצרכי הדגמה, נראה לכם כיצד מבוצע מטלה של דירוג אוריינטציה בשיטת בחירה כפויה בין שני פרקי זמן (two interval forced choice). במעבדתנו, מטלת דירוג האוריינטציה משתמשת ב-20 משטחי גירוי עם רוחבי חריצים (GR widths) הנעים בין 0.25 מילימטרים לכל היותר ועד 3.1 מילימטרים לכל היותר. כל ניסוי מורכב משני הצגות גירויים רצופות עם דירוגים של רוחב חריץ זהה, אך השונים ב-90 מעלות באוריינטציה. אלו מיושמים על הכרית הדיסטלית של האצבע.

בגרסה אחת, החריצים מיושרים אנכית או במקביל לציר האורך של האצבע, ובגרסה השנייה החריצים מיושרים אופקית או בניצב לציר האורך של האצבע. סדר ההצגה נקבע באופן אקראי. הנבדק מציין האם האוריינטציה האופקית הופיעה במרווח הראשון או השני על ידי לחיצה על אחד משני כפתורים באמצעות היד שאינה נבדקת; כדי לציין שהאוריינטציה האופקית הוצגה ראשונה, הנבדק ילחץ על הכפתור השמאלי, וכדי לציין שהאוריינטציה האופקית הוצגה.

שנית, הנבדק ילחץ על הכפתור מימין. כעת נראה מה עשוי לחוות נבדק טיפוסי במפגש בדיקה. אני רוצה להפנות את תשומת לבכם לשני הדירוגים המוצגים בצד שמאל למעלה בניסוי זה.

נקישו על האצבע של הנבדק תחילה כאשר הסימונים היו מיושרים אופקית, ושנית כאשר הסימונים היו מיושרים אנכית. במקרה זה, התגובה הנכונה היא ללחוץ על הכפתור משמאל. בדוגמה זו, הנבדק לוחץ על הכפתור מימין, שהיא תגובה שגויה.

דבר זה מוצג בגרף הביצועים בפינה הימנית העליונה באמצעות X אדום. רוחב החריץ הבא שיוצג נבחר על ידי אלגוריתם בייסיאני אדפטיבי, שנדון בו בהרחבה יותר בחלק הבא של הסרטון. ניסוי זה אמור להיות קל יותר לביצוע עבור הנבדק, מכיוון שרוחב החריץ שנבחר על ידי האלגוריתם גדול יותר מרוחב החריץ בניסוי הקודם.

הנבדק מוצג שוב עם שני דירוגים. במקרה זה, הדירוג הראשון מיושר אנכית והשני אופקית. הפעם, הנבדק נותן תגובה נכונה על ידי לחיצה על הכפתור הימני, דבר המסומן על ידי איקס כחול בתרשים הביצועים.

בניסוי השלישי, רוחב הקבוצה פחת מעט, מה שהפך את המשימה לקשה יותר. שוב, הנבדק נותן תגובה נכונה. רצף אירועים זה נמשך עד להצגת מספר הניסיונות שנקבע.

בדרך כלל אנו מריצים בלוקים של 40 ניסיונות כדי להעריך את הפונקציה הפסיכומטרית של כל נבדק. אנו משתמשים בגרסה שונה של שיטת ה-SI (stairs-integrated) האדפטיבית הבייסיאנית של Cevi ו-Tyler. בפסיכופיזיקה, פונקציה פסיכומטרית מקשרת בין פרמטר של גירוי פיזי (במקרה שלנו, רוחב חריץ) לבין ההסתברות לתגובה נכונה.

בהתאם ל-Conserv ו-Tyler, אנו ממדלים את D prime כפונקציית חוק חזקה של רוחב החריץ. הדבר מוביל לפונקציה פסיכומטרית נורמלית מצטברת המוגדרת על ידי שלושה פרמטרים, a, B ו-delta A, או פרמטר הסף שהוא החריץ שאת כיוונו הנבדק יכול להבחין נכון ב-76% מהזמן, מה שמתאים ל-DPR של אחת במשימה זו.

כאן ניתן לראות שככל שאני מעלה את ערך הסף, העקומה נסוגה ימינה. ככל שאני מוריד את הסף, העקומה נסוגה שמאלה. נבדקים המיומנים יותר במשימה מסוגלים להבחין בכיוון של חריצים דקים יותר, ולכן העקומות נסוגות שמאלה.

שימו לב שעל אף שהעקומה זזה לאורך ציר ה-X, כיוון שערך הסף השתנה, שיפוע העקומה נותר ללא שינוי. שיפוע העקומה נקבע על ידי הפרמטר B. הוא מעיד על המהירות שבה העקומה עולה.

העקומה רדודה בערכי שיפוע נמוכים, אך ניתן לראות שהיא הופכת לתלולה יותר ככל שאני מגדיל את ערך השיפוע. ייתכן ששמתם לב גם שהעקומה שואפת ל-1 או ל-100% ברוחבי חריץ גדולים. הנחה זו מניחה שברוחבי חריץ גדולים מספיק, הנבדק תמיד יענה נכון.

עם זאת, במציאות, נבדקים מאבדים לעיתים את ריכוזם או שעלולים ללחוץ בטעות על כפתור תגובה שגוי. לפיכך, הם לא תמיד יענו נכון, גם כאשר מוצג להם רוחב חריץ גדול. במילים אחרות, קיים גבול עליון לגובה הפונקציה הפסיכומטרית, אשר נקבע על ידי פרמטר ה-delta או שיעור השגגות (lapse rate).

כעת, לאחר שדנו בפרמטרים של פונקציה פסיכומטרית, בואו נבחן כיצד הפרוצדורה הבייסיאנית האדפטיבית (Bayesian adaptive procedure) מגיעה להערכה של פרמטרים אלו. במהלך סשן בדיקה כאן, אני מריץ סימולציה של נבדק מודל שיש לו סף של 1.75 millimeters, שיפוע של חמישה, וקצב זליגה (elapse rate) של 4%. הפונקציה הפסיכומטרית של הנבדק מיוצגת על ידי העקומה הסגולה בגרף השמאלי העליון.

עקומה זו היא מה שאנו מנסים להעריך. התרשים בפינה הימנית העליונה מציג רישום של ביצועי הנבדק לאורך בלוק של ניסיונות. כפי שהודגם קודם לכן, X אדום מציין תגובה שגויה וצלב כחול מציין תגובה נכונה.

בתחילת הניסוי, אנו איננו ודאיים לגבי צורת הפונקציה הפסיכומטרית של הנבדק. אנו מבטאים אי-ודאות זו על ידי בחינת טווח של ערכי A, B ו-delta אפשריים.

אנו מקצים הסתברות מוקדמת שווה לכל שלשיית a b delta. במילים אחרות, אנו מקצים התפלגות הסתברות מוקדמת אחידה על פני כמה אלפי פונקציות פסיכומטריות אפשריות. ככל שהניסוי מתקדם, אנו לומדים מתשובות הנבדק שחלק מהפונקציות הללו סבירות יותר מאחרות.

האי-ודאות או האנטרופיה של התפלגות ההסתברות פוחתת כדי לקבוע איזה חלק מהגירוי יוצג לאחר מכן; האלגוריתם מחשב את האנטרופיה הצפויה עבור כל אחד מרוחבי החריצים לאחר כל ניסיון שהושלם. הדבר מוצג בגרף השמאלי התחתון. רוחב החריץ עם האנטרופיה הצפויה הנמוכה ביותר יוצג לנבדק.

רוחב חריץ זה מסומן על ידי איקס לבן בגרף השמאלי העליון. שלב זה הוא קריטי ליעילות של הליך ההסתגלות בשיטת baying, מכיוון שאנו מנסים באופן רציף להפחית את חוסר הוודאות לגבי הפונקציה הפסיכומטרית של הנבדק על ידי הערכה והצגה של רוחב החריץ שימקסם את כמות המידע המופקת. הגרף הימני התחתון מציג את פונקציית התהליכיות של התפלגות ההסתברות הפוסטריורית המשותפת (PDF) של פרמטרי השיפוע והסף.

בגרף זה, צבע לבן מייצג הסתברות גבוהה וצבע שחור מייצג הסתברות נמוכה. כדי ליצור גרף זה, ביצענו סכימה או שוליים (marginalization) על פרמטר קצב הנשירה (lapsed rate parameter). לאחר כל ניסוי, אנו מגיעים להערכה של ערכי הסף והשיפוע של הנבדק.

השכיח של גרף זה, המסומן על ידי איקס אדום, הוא האומדן הטוב ביותר הנוכחי לסף ולשיפוע. באמצעות ערכים אלו, ניתן לשרטט אומדן של הפונקציה הפסיכומטרית של הנבדק. הדבר מוצג על ידי העקומה הירוקה בגרף השמאלי העליון.

ככל שאנו אוספים נתונים נוספים, ההערכה שלנו הופכת למדויקת יותר. פונקציית צפיפות ההסתברות (PDF) הפוסטריורית המשותפת הופכת לצרה יותר, מה שמעיד על כך שחוסר הוודאות שלנו לגבי ערכי הפרמטרים המוערכים פוחת. ניתן לראות גם שעם הגדלת כמות הנתונים, העקומה המוערכת מתקרבת לצורתה של העקומה האמיתית.

כעת, לאחר שסיימנו לאסוף את הנתונים שלנו, נוכל לבצע הערכה מדויקת יותר של הפרמטרים שלנו. מכיוון שהמדד התלוי שלנו הוא סף (threshold), נוכל לבצע שוליים (marginalize) על פרמטר השיפוע כדי לקבל את ההערכה המדויקת ביותר של פרמטר הסף; מוצגת כאן התהליכיות של התפלגות הסבירות האחורית (posterior PDF) של פרמטר הסף. השכיחות המקסימלית (mode) של PDF זה היא ההערכה הטובה ביותר שלנו לסף של הנבדק, אך קיימת אי-ודאות לגבי הערכה זו.

אי-וודאות זו מיוצגת על ידי רוחב העקומה. ככל שהעקומה רחבה יותר, כך רמת הביטחון שלנו בהערכת הסף של הנבדק נמוכה יותר, ולהפך, ככל שהעקומה צרה יותר, כך רמת הביטחון שלנו בהערכת הסף של הנבדק גבוהה יותר. בכך הושלם התיאור של taps, מעורר אצבע פסיבי אוטומטי למגע.

אנו מקווים ששיטות אלו ישוכפלו על ידי חוקרים אחרים ויסייעו בקידום המעבר לבדיקות מגע מבוקרות, תחום שחווה התקדמות מבטיחה בשנים האחרונות. אנא אל תהססו ליצור איתנו קשר אם יהיו לכם שאלות נוספות.