휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

Quanying Liu; Yorie Nakahira; Zhichao Liang; Ahkeel Mohideen; Adam Dai; Sung  Hoon Choi; Angelina Pan; Dimitar  M. Ho; John  C. Doyle

doi:10.3791/61092

방법 논문

휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

DOI:

10.3791/61092

⸱

2020년 8월 15일

Quanying Liu¹^,²^,³ , Yorie Nakahira² , Zhichao Liang¹ , Ahkeel Mohideen² , Adam Dai² , Sung Hoon Choi² , Angelina Pan² , Dimitar M. Ho² , John C. Doyle²

¹Department of Biomedical Engineering, Southern University of Science and Technology, ²Division of Engineering and Applied Science, California Institute of Technology, ³Neuroscience Center, Huntington Medical Research Institutes

이 논문에서

요약

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휠콘은 가파르고 뒤틀리고 울퉁불퉁한 트레일을 따라 산악 자전거를 비침습적으로 시뮬레이션하는 비디오 게임을 디자인하는 새로운 무료 및 오픈 소스 플랫폼입니다. 그것은 인간의 감각 운동 제어 (지연, 양자화, 소음, 교란 및 다중 피드백 루프)에 제시 하는 구성 요소를 포함 하 고 연구원 감각 모터 제어에서 계층 아키텍처를 공부 할 수 있습니다.

초록

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피드백 제어 이론은 이론적으로 인간 감각 조절을 모델링하기 위해 광범위하게 구현되었습니다. 그러나 여러 피드백 루프의 중요한 구성 요소를 조작할 수 있는 실험 플랫폼은 개발이 부족합니다. 이 백서에서는 이러한 불충분을 해결하기 위한 오픈 소스 플랫폼인 휠콘(WheelCon)에 대해 설명합니다. 휠콘은 컴퓨터, 표준 디스플레이, 힘 피드백 모터가 장착된 저렴한 게이밍 스티어링 휠만을 사용하여 산악 자전거를 가파르고 뒤틀리고 울퉁불퉁한 트레일아래로 라이딩하는 정경적인 감각 모터 작업을 안전하게 시뮬레이션합니다. 이 플랫폼은 제공된 데모에서 입증되는 것처럼 유연성을 제공하므로 연구원들은 고급 계획 계층및 낮은 수준의 지연 반사 층을 포함하여 계층화된 피드백 루프의 장애, 지연 및 양자화(데이터 속도)를 조작할 수 있습니다. 이 문서에서는 WheelCon의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 기존 데모의 입력 및 출력, 새로운 게임을 설계하는 방법을 설명합니다. 또한 모델의 예측과 잘 어울리는 데모 게임의 기본 피드백 모델과 실험 결과를 제시합니다. 휠콘 플랫폼은 https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon 다운로드할 수 있습니다. 요컨대, 이 플랫폼은 효과적인 감각 운동 신경 과학 연구 및 제어 엔지니어링 교육을 위한 프로그래밍에 저렴하고 사용하기 간단하며 유연하게 제공됩니다.

서론

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인간 감각 운동 제어 시스템은 매우 견고한^1,감지가 분포되어 있지만, 변수, 희소, 정량화, 시끄러운 및 지연^2,^,^3,^,^4; 중추 신경계의 컴퓨팅은⁵^5,^6,^,^7이느립니다. 및 근육 작동 피로 와 포화^8. 많은 전산 이론적 모델은 인간의 범위 및^응답(15,^16)에서절충 과정인 복잡한 인간 감각조절 공정^4,^9,¹⁶^10,^,^{11, 12,}^,^,¹²^,^13,....

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프로토콜

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프로토콜의 개발 및 응용 프로그램은 캘리포니아 공과 대학 기관 검토 위원회 (IRB)와 과학 기술 IRB의 남부 대학에 의해 승인되었다. 주체는 수행되는 절차에 앞서 정보에 입각한 동의를 제공했습니다.

1. 시스템 준비 및 설정

권장되는 기본 하드웨어는 2GHz 듀얼 코어 프로세서와 4GB의 시스템 메모리입니다.
C# 프로그래밍 언어를 사용하는 동안 Unity 플랫폼 아래 게임 플랫폼을 구축합니다. 로지텍 게이밍 휠 드라이버와 로지텍 스티어링 휠 SDK는 게이밍 플랫폼 개발에 필요합니다.
게임 플랫폼 실행 파일은 Windows 10 운영 체제(OS)만 지원합니다. 따라서 Windows 10을 실행하는 PC에서 해당 레이싱 휠 드라이버를 다운로드하여 설치합니다. 그런 다음 압축 된 WheelCon 소프트웨어 (https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon/archive/master.zip)를 다운로드하고 로컬 하드 드라이브에 파일을 추출합니다.
레이싱 휠을 모니터 앞의 좌석 높이에 단단히 장착한 다음 휠의 USB 케이블을 PC와 전원 어댑터를 콘센트에 연결합니다.
드라이버 GUI를 시작하여 올바른 입력 판독을 테스트하고 피드백을 강제로....

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결과

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모델링 피드백 제어

도 1에표시된 단순화된 피드백 제어 모델을 보여 드립니다. 시스템 역학은 다음을 통해 제공됩니다.

figure-results-1

여기서x(t)는시간에 x오차가 t, rr(t)은 트레일 교란tw(t)이며,t범프 교란, u(t)는 대조군 동작이다. w ut

트레일 교란의 작업 지연 모델링

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토론

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이 논문에서는 인간 감각 모터 제어에서 지연, 양자화, 교란 및 계층화된 피드백 루프의 효과를 연구하기 위한 무료 오픈 소스 게임 플랫폼인 WheelCon을 선보였습니다. 우리는 하드웨어, 소프트웨어 및 GUI를 보여 주었다. 지연 및 양자화를 갖춘 단일 감각 조절 루프의 설정이 구현되어 감각 모터 제어의 지연, 정량화 및 방해의 영향을 측정할 수 있습니다. 실험 결과는 피드백 제어 이론의 예측과 잘 일치합니다.

이 프로토콜은 외부 지연을 비침습적으로 조작하고 비전 입력 및 작업 출력 모두에서 데이터 속도를 제한하고 감각 모터 제어 성능을 분석하는 방법을 제공합니다. 프로토콜에서, 우리는 플랫폼에 미리 정의 된 몇 가지 작업 시나리오에서 게임을 참가자를 요청합니다. 이러한 작업을 통해지연(도 3 및 도 4)과양자화의 비선형 효과(도5)의.......

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공개 사항

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저자는 이해 상충이 없다고 밝힌다.

감사의 글

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대본을 재구성하고, 영상을 촬영하고 편집해주신 왕양씨와 영상 편집에 감사드립니다. 이 연구는 CIT 인다우먼트 및 국립 과학 재단 (JCD), 보스웰 펠로우십 (QL) 및 고급 대학 기금 (No.)의 지원을 받았습니다. G02386301, G02386401), 광동자연과학재단 공동기금(2019A151111038호)

....

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름	회사	카탈로그 번호	댓글
게임 휠	Logitech
Windows 10 OS	, Microsoft

참고문헌

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Franklin, D. W., Wolpert, D. M. Computational Mechanisms of Sensorimotor Control. Neuron. 72 (3), 425-442 (2011).
Bays, P. M., Wolpert, D. M. Computational principles of sensorimotor control that minimize uncertainty and variability. The Journal of Physiology....

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감사의 글

재료

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