Un tattile automatica Passive-Finger stimolatore (TAPS)

Ciao, mi chiamo Dan Goldrich e siamo qui nel laboratorio di ricerca tattile della tua università master. Questi sono Ingrid Cans, Brian Peters e Mike Wong, e oggi parleremo con voi del tastatore tattile passivo automatizzato, o TAPS. TAPS è un dispositivo per misurare l'acuità tattile spaziale passiva sulla punta delle dita, che ho sviluppato all'Università di Duquesne a Pittsburgh, Pennsylvania, insieme a Ingrid Cans, e che successivamente abbiamo modificato all'Università McMaster qui a Hamilton, Ontario, con Ryan e Mike.

E questo dispositivo è un metodo per somministrare stimoli tattili controllati alla punta del dito, controllando la velocità di insorgenza della forza e la durata dello stimolo. Questo video è suddiviso in tre sezioni. Innanzitutto, forniamo una panoramica del funzionamento dei colpetti.

Successivamente, mostriamo i TAPS in azione e ne descriviamo i componenti in modo che altri possano replicare il dispositivo. Infine, illustriamo uno dei numerosi protocolli di prova che i TAPS possono eseguire: un esperimento di valutazione dell'orientamento a scelta forzata in due intervalli con bayesiani. I TAPS adattivi utilizzano la gravità per premere una superficie stimolante contro la pelle.

La gravità esercita una forza verso il basso su una massa appesa a un'asta. Questa vista laterale mostra i dispositivi con diverse strutture rimosse per illustrare chiaramente il funzionamento dello strumento; l'avambraccio del partecipante poggia comodamente in posizione prona su un piano d'appoggio. La punta del dito si trova sopra un tunnel nel tavolo.

Il tunnel non è mostrato in questo diagramma; su un tavolo più basso, nascosto alla vista del partecipante, un motore passo-passo ruota un disco che può contenere fino a 40 stimoli, posizionandone uno sotto il dito. Una barra trasversale, mostrata qui in rosso, si estende dal carrello mobile di un attuatore lineare, impedendo alla bacchetta di ruotare. Quando l'attuatore avanza, la bacchetta ruota sotto l'influenza della gravità, premendo lo stimolo verso l'alto attraverso il tunnel e contro la pelle.

La fisica elementare mette in relazione la velocità dell'attuatore con la velocità con cui la superficie dello stimolo si alza fino a toccare la pelle e il peso della massa sospesa con la forza statica dello stimolo tattile. Quando l'attuatore inverte il movimento per riportare l'asta alla posizione iniziale, il pezzo dello stimolo cade, il motore passo-passo del disco ruota per posizionare un altro pezzo sotto il dito e l'intero processo si ripete. Questa vista dall'alto, con il dito rimosso, mostra un altro ciclo dello stimolo.

Osservare il pezzo dello stimolo che si alza quando l'attuatore avanza e che si abbassa quando l'attuatore va in retromarcia. Per realizzare i pezzi dello stimolo, abbiamo iniziato con barre di delrin di mezzo pollice di diametro e tre pollici di lunghezza, utilizzando una fresatrice miniaturizzata Shoreline. Abbiamo usato una fresa per piallare entrambe le estremità, riducendo la lunghezza della barra a 2,75 pollici.

Utilizziamo la fresa per sagomare alberi rettangolari lunghi due pollici e larghi 8,7 millimetri. Realizziamo delle scanalature parallele sulla faccia tonda per creare gradazioni a onda quadra con larghezza di scanalature e creste uguale, al fine di intagliare scanalature più ampie. Per le scanalature più piccole abbiamo utilizzato una fresa a fine corsa.

Abbiamo utilizzato una salsa tagliente. Abbiamo posizionato anelli O-ring in silicone attorno all'albero per ridurre le vibrazioni dei componenti. Mentre il disco ruota, i componenti meccanici dei rubinetti sono mostrati qui. Quando il carrello dell'attuatore lineare si muove in avanti, la massa sospesa può cadere sotto l'influenza della gravità.

Il peso di questa massa e la sua distanza dal punto di rotazione lungo l'asta rotante determinano insieme la forza verso l'alto con cui il pezzo dello stimolo entra in contatto con la pelle del soggetto. Un particolare pezzo viene posizionato esattamente sotto un tunnel nel tavolo superiore da un motore passo-passo controllato dal computer, che fa ruotare il vassoio degli stimoli. Dopo che il soggetto preme un pulsante di risposta, il computer ordina al motore passo-passo di ruotare il vassoio degli stimoli, posizionando un altro pezzo stimolo esattamente sotto il tunnel.

Nella tabella superiore. Il movimento dei componenti dei dispositivi di stimolazione viene monitorato da diversi sensori. Un sensore retro-riflettente rileva la presenza di un elemento stimolante sollevato.

Osservare la luce verde che si accende e spegne. Questo sensore viene utilizzato dai dispositivi di erogazione durante l'inizializzazione dell'esperimento per posizionare correttamente la barra rotante a una distanza specificata al di sotto degli stimoli. Inoltre, l'attivazione del sensore disabilita il motore passo-passo, prevenendo danni all'apparecchiatura che altrimenti si verificherebbero.

Se un pezzo stimolo dovesse accidentalmente incepparsi nel tunnel, un sensore fotoelettrico a forma di U stabilisce la posizione di riposo del vassoio dello stimolo. Questo sensore viene attivato quando un pezzo di carta rigida incollata sul bordo del vassoio rotante interrompe il raggio infrarosso del sensore.

Tutti i movimenti del vassoio dello stimolo vengono successivamente calcolati rispetto a questa posizione di riposo. Un sensore effetto HU imposta la posizione di riposo dell'attuatore lineare. Qui possiamo vedere il carrello dell'attuatore che si muove in avanti: il tavolo girevole si sposterà quando il carrello raggiungerà la posizione di riposo.

Il sensore si attiva: notare la luce rossa che si accende e si spegne come caratteristica di sicurezza. Due sensori simili. Uno di essi, mostrato qui, imposta i limiti di movimento avanti e indietro del carrello nel poco probabile caso di malfunzionamento dell'attuatore.

Questi sensori di finecorsa disattivano l'attuatore impedendo movimenti incontrollati della slitta. Con l'impostazione del tavolo girevole e la traversa accuratamente allineata, la slitta dell'attuatore entra in contatto con una barra verticale che si estende verso il basso dal perno rotante nel punto di snodo. Un cuscinetto metallico quasi privo di attrito funge da punto di snodo e consente alla barra di ruotare liberamente.

Quando il carrello dell'attuatore si muove in avanti, le masse vengono inserite in un contenitore in tessuto Velcro appeso alla barra rotante. Una volta che il braccio del soggetto è posizionato in posizione prona sulla superficie del tavolo, posizionare la falange distale del dito da testare sopra un foro nel tavolo, attraverso il quale emergeranno le superfici dello stimolo. Per impedire movimenti laterali del dito a contatto con la pelle, posizionare delicatamente due barriere rivestite sulla parte inferiore con nastro adesivo schiuma bifacciale ai lati del dito.

Con l'aiuto di una posizione girevole, posizionare delicatamente il sensore di forza contro l'unghia vicino alla cuticola, formando un angolo di 90 gradi rispetto al piano dell'unghia, assicurandosi che il sensore eserciti una forza compresa tra 50 e 80 grammi. Questa forza risulta confortevole per il soggetto e garantisce al sensore un'elevata sensibilità ai movimenti delle dita. I connettori girevoli costituiscono un sistema versatile che può essere utilizzato per applicare qualsiasi superficie stimolante su facce ricavate su aste con diametro di mezzo pollice.

A scopo dimostrativo, mostreremo come viene somministrato in laboratorio un compito di valutazione dell'orientamento a scelta forzata con due intervalli. Nel nostro laboratorio, il compito di valutazione dell'orientamento utilizza 20 superfici stimolo con larghezze di scanalatura (GR) che variano da un minimo di 0,25 millimetri fino a un massimo di 3,1 millimetri. Ogni prova consiste in due presentazioni sequenziali di stimoli con scanalature di identica larghezza, ma con orientamenti diversi di 90 gradi. Questi stimoli vengono applicati sul polpastrello distale del dito.

In una presentazione, le scanalature sono allineate verticalmente o parallelamente all'asse lungo del dito, mentre nell'altra le scanalature sono allineate orizzontalmente o perpendicolarmente all'asse lungo del dito. L'ordine di presentazione viene scelto casualmente. Il soggetto indica se l'orientamento orizzontale si è verificato nel primo o nel secondo intervallo premendo uno dei due pulsanti con la mano non testata: per indicare che l'orizzontale è stato presentato per primo, il soggetto preme il pulsante a sinistra e per indicare che l'orizzontale è stato presentato.

In secondo luogo, il soggetto preme il pulsante sulla destra. Ora esaminiamo ciò che un soggetto tipico potrebbe sperimentare durante una sessione di prova. Desidero richiamare la vostra attenzione sui due livelli mostrati in alto a sinistra in questa prova.

Il soggetto è stato toccato sul dito prima con le graduazioni allineate orizzontalmente e poi con le graduazioni allineate verticalmente. In questo caso, la risposta corretta consiste nel premere il pulsante a sinistra. In questo esempio, il soggetto preme il pulsante a destra, una risposta errata.

Questo è mostrato nel grafico delle prestazioni nell'angolo in alto a destra da una X rossa. La prossima larghezza della scanalatura da presentare viene selezionata mediante un algoritmo adattativo bayesiano, che discuteremo in modo più dettagliato nel prossimo segmento del video. Questa prova dovrebbe essere più semplice da eseguire per il soggetto, poiché la larghezza della scanalatura selezionata dall'algoritmo è maggiore rispetto alla larghezza della scanalatura della prova precedente.

All'utente vengono nuovamente presentate due valutazioni. In questo caso, la prima valutazione è allineata verticalmente e la seconda orizzontalmente. Questa volta, l'utente fornisce una risposta corretta premendo il pulsante a destra, come indicato dalla croce blu nel grafico delle prestazioni.

Nel terzo tentativo, la larghezza del gruppo è leggermente diminuita, rendendo il compito più difficile. Ancora una volta, il soggetto fornisce una risposta corretta. Questa sequenza di eventi prosegue fino a quando non sono stati presentati il numero prestabilito di tentativi.

Di solito eseguiamo blocchi di 40 prove per stimare la funzione psicometrica di ogni partecipante. Utilizziamo una versione modificata del metodo adattativo bayesiano SI di Cevi e Tyler. In psicofisica, una funzione psicometrica mette in relazione un parametro fisico dello stimolo, nel nostro caso la larghezza della scanalatura, con la probabilità di una risposta corretta.

Seguendo Conserv e Tyler, modelliamo D prime come una funzione a legge di potenza della larghezza della scanalatura. Ciò porta a una funzione psicometrica normale cumulativa definita da tre parametri, a, B e delta A, ove il parametro di soglia è la larghezza della scanalatura la cui orientazione il soggetto riesce a discriminare correttamente nel 76% dei casi, il che corrisponde a un DPR pari a uno. In questo compito.

Qui si può osservare che, aumentando il valore della soglia, la curva si sposta verso destra. Diminuendo la soglia, la curva si sposta verso sinistra. I soggetti che eseguono meglio il compito riescono a discriminare l'orientamento di solchi più sottili, quindi le curve sono spostate verso sinistra.

Si noti che, sebbene la curva si sposti lungo la dimensione X a causa del cambiamento del valore della soglia, la pendenza della curva rimane invariata. La pendenza della curva è determinata dal parametro B. Esso indica quanto rapidamente la curva aumenta.

La curva è poco ripida a valori bassi della pendenza, ma si può osservare che la curva diventa più ripida all'aumentare del valore della pendenza. Potreste aver notato anche che la curva tende a uno o al 100% per larghezze elevate delle scanalature. Questo presuppone che a larghezze di scanalatura sufficientemente elevate, il soggetto risponderà sempre correttamente.

In realtà, tuttavia, i soggetti a volte perdono concentrazione o potrebbero premere accidentalmente il pulsante di risposta errato. Pertanto, non risponderanno sempre correttamente, anche quando viene presentata una larghezza della scanalatura elevata. In altre parole, esiste un limite superiore all'altezza della funzione psicometrica, determinato dal parametro delta o tasso di errore.

Ora che abbiamo discusso i parametri di una funzione psicometrica, esaminiamo come il procedimento adattativo bayesiano giunga a una stima di tali parametri. Durante una sessione di test qui, sto eseguendo una simulazione di un soggetto modello che ha una soglia di 1,75 millimetri, una pendenza di cinque e un tasso di errore casuale del 4%. La funzione psicometrica del soggetto è rappresentata dalla curva viola nel grafico in alto a sinistra.

Questa curva è ciò che stiamo cercando di stimare. Il grafico nell'angolo in alto a destra mostra un registro delle prestazioni del soggetto durante un blocco di prove. Come mostrato in precedenza, una X rossa indica una risposta errata e una croce blu indica una risposta corretta.

All'inizio dell'esperimento, non siamo certi della forma della funzione psicometrica del soggetto. Esprimiamo questa incertezza considerando un intervallo di possibili valori di A, B e delta.

Assegniamo una probabilità a priori uguale a ciascuna tripletta a b delta. In altre parole, assegniamo una distribuzione di probabilità a priori uniforme su diverse migliaia di possibili funzioni psicometriche. Mentre l'esperimento procede, impariamo dalle risposte del soggetto che alcune di queste funzioni sono più probabili di altre.

L'incertezza o entropia della distribuzione di probabilità diminuisce per determinare quale elemento stimolo presentare successivamente. L'algoritmo calcola quindi l'entropia attesa per ciascuna delle larghezze della scanalatura dopo ogni prova completata. Questo è mostrato nel grafico in basso a sinistra. La larghezza della scanalatura con l'entropia attesa più bassa verrà presentata al soggetto.

Questa larghezza della scanalatura è indicata da una croce bianca nel grafico in alto a sinistra. Questo passaggio è cruciale per l'efficienza della procedura adattativa bayesiana poiché cerchiamo costantemente di ridurre l'incertezza riguardo alla funzione psicometrica di un soggetto stimando e presentando la larghezza della scanalatura che massimizzerà la quantità di informazioni ottenute. Il grafico in basso a destra mostra la funzione di distribuzione di probabilità congiunta a posteriori, o PDF, dei parametri di pendenza e soglia.

In questo grafico, il bianco rappresenta un'elevata probabilità e il nero rappresenta una bassa probabilità. Per creare questo grafico, abbiamo sommato o marginalizzato rispetto al parametro del tasso di errore. Dopo ogni prova, otteniamo una stima del valore di soglia e della pendenza del soggetto.

La modalità di questo grafico, indicata dalla croce rossa, rappresenta la stima attuale migliore della soglia e della pendenza. Utilizzando questi valori, possiamo tracciare una stima della funzione psicometrica del soggetto. Questo è mostrato dalla curva verde nel grafico in alto a sinistra.

Man mano che raccogliamo più dati, la nostra stima diventa più precisa. La funzione di densità di probabilità a posteriori congiunta diventa più stretta, indicando che l'incertezza sui valori stimati dei parametri sta diminuendo. Si può inoltre osservare che, con un numero maggiore di dati, la curva stimata si avvicina alla forma della curva reale.

Ora che abbiamo terminato la raccolta dei dati, possiamo ottenere una stima migliore dei nostri parametri. Poiché la nostra misura dipendente è una soglia, possiamo effettuare la marginalizzazione rispetto al parametro di pendenza per ottenere la stima più accurata del parametro di soglia. Qui viene mostrata la funzione di densità di probabilità a posteriori (PDF) del parametro di soglia. Il valore modale di questa PDF rappresenta la nostra migliore stima della soglia del soggetto, ma esiste un'incertezza associata a questa stima.

Questa incertezza è rappresentata dalla larghezza della curva. Più ampia è la curva, minore è la nostra certezza riguardo alla stima della soglia del soggetto; viceversa, più stretta è la curva, maggiore è la nostra certezza riguardo alla stima della soglia del soggetto. Questo conclude la descrizione di TAPS, lo stimolatore tattile automatico passivo per le dita.

Speriamo che altri riproducano i test e contribuiscano a promuovere l'avanzamento verso il controllo dei test tattili, un campo che negli ultimi anni ha mostrato progressi promettenti. Non esitate a contattarci se avete ulteriori domande.