Een Tactile Geautomatiseerde Passief-Finger Stimulator (TAPS)

Hoi, mijn naam is Dan Goldrich en we zijn hier in het tactiele onderzoekslaboratorium van de McMaster University. Dit zijn Ingrid Cans, Brian Peters en Mike Wong, en we gaan vandaag met jullie praten over de Tactile Automated Passive finger Stimulator, oftewel TAPS. TAPS is een apparaat voor het meten van de passieve tactiele ruimtelijke resolutie op de vingertop. Ik heb het ontwikkeld aan de Duquesne University in Pittsburgh, Pennsylvania, samen met Ingrid Cans, en sindsdien hebben we het aan de McMaster University hier in Hamilton, Ontario, aangepast met Ryan en Mike.

Dit apparaat is een methode voor het toedienen van gecontroleerde tactiele stimuli aan de vingertop, waarbij wordt gecontroleerd op de snelheid van de krachttoename en de duur van de stimulus. Deze video is onderverdeeld in drie secties. Ten eerste geven we een overzicht van de werking van taps.

Vervolgens tonen we taps in actie en beschrijven we de componenten, zodat anderen het apparaat kunnen reproduceren. Tot slot illustreren we een van de vele testprotocollen die taps kan uitvoeren: een experiment voor het graderen van oriëntatie via een twee-intervalgeforceerde keuze met baying. Adaptive tracking taps maakt gebruik van zwaartekracht om een stimulusoppervlak tegen de huid te drukken.

Zwaartekracht oefent een neerwaartse kracht uit op een massa die aan een staaf hangt. Dit zijzicht toont de kranen waarbij verschillende structuren zijn verwijderd om de werking van het apparaat duidelijk te illustreren; de arm van de deelnemer rust comfortabel in prone positie op een tafelblad. De vingertop bevindt zich boven een tunnel in de tafel.

De tunnel is niet getoond in dit diagram; op een lagere tafel, verborgen voor het zicht van de deelnemer, roteert een stappenmotor een schijf die tot 40 stimulusstukken vasthoudt, waarbij één van de stukken onder de vinger wordt geplaatst. Een dwarsbalk, hier in het rood getoond, steekt uit vanuit de beweegbare slede van een lineaire actuator en voorkomt dat de staaf draait. Terwijl de actuator naar voren beweegt, draait de staaf onder invloed van de zwaartekracht, waardoor een stimulusstuk door de tunnel omhoog tegen de huid wordt gedrukt.

Eenvoudige natuurkunde relateert de snelheid van de actuator aan de snelheid waarmee het stimulusoppervlak omhoog komt om de huid te raken, en het gewicht van de hangende massa aan de statische kracht van de tactiele stimulus. Wanneer de actuator van richting verandert om de staaf terug te brengen naar de beginpositie, valt het stimulusstuk naar beneden; de stappenmotor draait vervolgens om een ander stuk onder de vinger te positioneren en het hele proces herhaalt zich. Dit bovenaanzicht, waarbij de vinger is verwijderd, toont een andere stimuluscyclus.

Let op hoe het stimulusstuk omhoog komt wanneer de actuator naar voren beweegt en naar beneden gaat wanneer de actuator terugkeert. Om de stimulusstukken te maken, zijn we begonnen met Delrin-staven van een halve inch diameter en drie inch lang op een Shoreline mini-freesmachine. We hebben een kopfrees gebruikt om beide uiteinden vlak te maken, waardoor de lengte van de staaf werd teruggebracht naar 2,75 inch.

We gebruiken de fly cutter om rechthoekige assen van twee inch lang en 8,7 millimeter vierkant te vormen. We snijden parallelle groeven in het ronde vlak om vierkante golfgradaties te creëren met gelijke breedtes voor de groeven en de tussenruimtes om grotere groeven uit te snijden. Voor kleinere groeven hebben we een kopfrees gebruikt.

We hebben een snijsaus gebruikt. We hebben siliconen O-ringen rond de as geplaatst om trillingen van de onderdelen te verminderen terwijl de schijf draait. De mechanische componenten van de kranen worden hier getoond. Wanneer de slede van de lineaire actuator naar voren beweegt, kan de hangende massa onder invloed van de zwaartekracht vallen.

Het gewicht van deze massa en de afstand tot het draaipunt langs de roterende staaf bepalen samen de opwaartse kracht waarmee het stimulerende element de huid van de proefpersoon raakt. Een specifiek element wordt direct onder een tunnel in de bovenste tafel geplaatst door een door de computer aangestuurde stappenmotor die de stimuluslade draait. Nadat de proefpersoon op een antwoordknop drukt, geeft de computer de stappenmotor de opdracht om de stimuluslade te draaien, waardoor een ander stimulerend element direct onder de tunnel wordt gepositioneerd.

In de bovenste tabel. De beweging van de kraancomponenten wordt gemonitord door verschillende sensoren. Een retroreflectieve sensor detecteert de aanwezigheid van een verhoogd stimulusstuk.

Let op het groene lampje dat aan- en uitgaat. Deze sensor wordt door de kranen gebruikt tijdens de initialisatie van het experiment om de roterende staaf correct te positioneren op een specifieke afstand onder de stimulusstukken. Bovendien schakelt de activering van de sensor de stappenmotor uit om beschadiging van de apparatuur te voorkomen die anders zou optreden.

Mocht een stimulusstuk per ongeluk vastlopen in de tunnel. Een U-vormige foto-elektrische sensor stelt de homepositie voor het stimulusplateau vast. Deze sensor wordt geactiveerd wanneer een stukje stijf papier, dat op de rand van het roterende plateau is gelijmd, de infraroodstraal van de sensor onderbreekt.

Alle bewegingen van de stimuluslade worden vervolgens berekend ten opzichte van deze nulpositie. Een HU-effectsensor stelt de nulpositie van de lineaire actuator in. Hier zien we de slede van de actuator naar voren bewegen; de draaitafel zal bewegen wanneer de slede zich in de nulpositie bevindt.

De sensor activeert; let op het rode licht dat aan- en uitgaat als veiligheidsfunctie. Er zijn twee soortgelijke sensoren. Eén daarvan is hier afgebeeld en stelt limieten in voor de voorwaartse en achterwaartse beweging van de slede in het onwaarschijnlijke geval van een storing van de actuator.

Deze eindsensoren schakelen de actuator uit om ongecontroleerde bewegingen van de slede te voorkomen. Bij de instelling van de draaitafel en met de nauwkeurig uitgelijnde dwarsbalk die vanuit de slede van de actuator uitsteekt, komt deze in contact met een verticale stang die naar beneden loopt vanaf de draaistang bij het draaipunt. Een vrijwel wrijvingsloos metalen lager dient als draaipunt en zorgt ervoor dat de stang vrij kan roteren.

Wanneer de slede van de actuator naar voren beweegt, worden de massa's in een klittenbandmandje geplaatst dat aan de roterende staaf hangt. Zodra de arm van de proefpersoon in pronaampositie op de tafel is geplaatst, wordt het distale kussentje van de te testen vinger boven een tunnel in de tafel geplaatst, waaruit de stimulusoppervlakken omhoog komen. Om contact met de huid te maken en zijdelingse beweging van de vinger te voorkomen, worden voorzichtig twee barrières, waarvan de onderkant is voorzien van dubbelzijdige schuimtape, tegen de zijkanten van de vinger geplaatst.

Plaats de krachtsensor met behulp van een draaipunt voorzichtig tegen de vingernagel nabij de nagelriem, onder een hoek van 90 graden ten opzichte van het vlak van de nagel, en zorg dat de sensor een kracht uitoefent tussen 50 en 80 gram. Deze kracht is comfortabel voor de proefpersoon en zorgt voor een uitstekende gevoeligheid van de sensor voor vingerbewegingen. Bevestig de draaiknoppen; dit is een veelzijdig systeem dat kan worden gebruikt om elke stimulus aan te brengen op oppervlakken die in de vlakken van staven met een diameter van een halve inch zijn gesneden.

Ten behoeve van de demonstratie laten we zien hoe een tweevoudige interval forced-choice taak voor het beoordelen van oriëntatie wordt uitgevoerd. In ons laboratorium maakt deze taak gebruik van 20 stimulusoppervlakken met GR-breedtes die variëren van minimaal 0,25 millimeter tot maximaal 3,1 millimeter. Elke trial bestaat uit twee opeenvolgende stimuluspresentaties met gradaties van dezelfde groefbreedte, maar die 90 graden verschillen in oriëntatie. Deze worden aangebracht op het distale kussentje van de vinger.

In de ene presentatie zijn de groeven verticaal uitgelijnd of parallel aan de lange as van de vinger, en in de andere zijn de groeven horizontaal uitgelijnd of loodrecht op de lange as van de vinger. De volgorde van presentatie wordt willekeurig gekozen. De proefpersoon geeft aan of de horizontale oriëntatie in het eerste of tweede interval voorkwam door met de niet-geteste hand op een van de twee knoppen te drukken; om aan te geven dat horizontaal als eerste werd gepresenteerd, drukt de proefpersoon op de linkerknop, en om aan te geven dat horizontaal werd gepresenteerd.

Ten tweede zou de proefpersoon op de knop aan de rechterkant drukken. Laten we nu kijken naar wat een typische proefpersoon zou ervaren tijdens een testsessie. Ik wil uw aandacht vestigen op de twee beoordelingen die linksboven in deze trial worden getoond.

De proefpersoon werd eerst op de vinger getikt met de schaalverdeling horizontaal uitgelijnd en daarna met de schaalverdeling verticaal uitgelijnd. In dit geval is de correcte reactie om op de linkerknop te drukken. In dit voorbeeld drukt de proefpersoon op de rechterknop, wat een onjuiste reactie is.

Dit wordt in de prestatiegrafiek in de rechterbovenhoek aangegeven door een rode X. De volgende te presenteren groefbreedte wordt geselecteerd door een Bayesiaans adaptief algoritme, waar we in het volgende segment van de video verder op in zullen gaan. Deze poging zou voor de proefpersoon gemakkelijker moeten zijn, aangezien de door het algoritme geselecteerde groefbreedte groter is dan de groefbreedte van de vorige poging.

De proefpersoon krijgt opnieuw twee rasters gepresenteerd. In dit geval is het eerste raster verticaal uitgelijnd en het tweede horizontaal. Deze keer geeft de proefpersoon een correct antwoord door op de rechterknop te drukken, wat in de prestatiegrafiek wordt aangegeven door een blauw kruis.

In de derde trial is de groepsbreedte iets afgenomen, waardoor de taak moeilijker wordt. Opnieuw geeft de proefpersoon een correct antwoord. Deze reeks gebeurtenissen wordt voortgezet totdat het vastgestelde aantal trials is gepresenteerd.

We voeren gewoonlijk blokken van 40 trials uit om de psychometrische functie van elke deelnemer te schatten. We maken gebruik van een aangepaste versie van de Bayesian adaptive SI-methode van Cevi en Tyler. In de psychofysica relateert een psychometrische functie een fysieke stimulusparameter (in ons geval de groefbreedte) aan de waarschijnlijkheid van een correct antwoord.

Volgens Conserv en Tyler modelleren we D prime als de machtswetfunctie van de groevenbreedte. Dit leidt tot een cumulatieve normale psychometrische functie die wordt gedefinieerd door drie parameters, a, B en delta A, waarbij de drempelparameter de groef is waarvan de oriëntatie door de proefpersoon in 76% van de gevallen correct kan worden onderscheiden, wat overeenkomt met een DPR van één bij deze taak.

Hier is te zien dat naarmate ik de waarde van de drempel verhoog, de curve naar rechts verschuift. Wanneer ik de drempel verlaag, verschuift de curve naar links. Proefpersonen die beter scoren op de taak kunnen de oriëntatie van dunnere groeven onderscheiden, waardoor de curves naar links verschuiven.

Let op dat hoewel de curve verschuift langs de X-dimensie, aangezien de drempelwaarde is gewijzigd, de helling van de curve gelijk blijft. De helling van de curve wordt bepaald door de B-parameter. Deze geeft aan hoe snel de curve stijgt.

De curve is vlak bij lage waarden voor de helling, maar u kunt zien dat de curve steiler wordt naarmate ik de waarde van de helling verhoog. Mogelijk heeft u ook gemerkt dat de curve nadert naar 1 of 100% bij grote gleedbreedtes. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de proefpersoon bij voldoende grote gleedbreedtes altijd correct zal antwoorden.

In de praktijk verliezen proefpersonen echter soms hun concentratie of drukken ze per ongeluk op de verkeerde antwoordknop. Daarom zullen ze niet altijd correct antwoorden, zelfs niet wanneer een grote groefbreedte wordt gepresenteerd. Met andere woorden is er een bovengrens aan de hoogte van de psychometrische functie, en deze wordt bepaald door de delta- of lapse rate-parameter.

Nu we de parameters van een psychometrische functie hebben besproken, kijken we naar hoe de Bayesiaanse adaptieve procedure tot een schatting van deze parameters komt. Tijdens een testsessie voer ik hier een simulatie uit van een modelproefpersoon met een drempelwaarde van 1,75 millimeter, een helling van vijf en een lapse rate van 4%. De psychometrische functie van de proefpersoon wordt weergegeven door de paarse curve in de plot linksboven.

Deze curve is wat we proberen te schatten. De plot in de rechterbovenhoek toont een overzicht van de prestaties van de proefpersoon over een blok proeven. Zoals eerder getoond, geeft een rode X een incorrect antwoord aan en een blauw kruis een correct antwoord.

Aan het begin van het experiment zijn we onzeker over de vorm van de psychometrische functie van het subject. We drukken deze onzekerheid uit door een reeks mogelijke waarden voor A, B en delta te overwegen.

We kennen een gelijke a-priori-waarschijnlijkheid toe aan elk a b delta-triplet. Met andere woorden, we wijzen een uniforme a-priori-waarschijnlijkheidsverdeling toe over verschillende duizenden mogelijke psychometrische functies. Naarmate het experiment vordert, leren we uit de antwoorden van de proefpersoon dat sommige van deze functies waarschijnlijker zijn dan andere.

De onzekerheid of entropie van de waarschijnlijkheidsverdeling neemt af om te bepalen welk stimulusonderdeel vervolgens moet worden gepresenteerd. Het algoritme berekent de verwachte entropie voor elk van de groefbreedtes na elke voltooide trial. Dit wordt weergegeven in de grafiek linksonder. De groefbreedte met de laagste verwachte entropie zal aan de proefpersoon worden gepresenteerd.

Deze groefbreedte wordt aangegeven door een wit kruis in de grafiek linksboven. Deze stap is cruciaal voor de efficiëntie van de bayesiaanse adaptieve procedure, omdat we voortdurend proberen de onzekerheid over de psychometrische functie van een proefpersoon te verminderen door die groefbreedte te schatten en te presenteren die de hoeveelheid verkregen informatie maximaliseert. De grafiek rechtsonder toont de gezamenlijke posterior-waarschijnlijkheidsdistributiefunctie of PDF van de hellings- en drempelparameters.

In deze grafiek staat wit voor een hoge waarschijnlijkheid en zwart voor een lage waarschijnlijkheid. Om deze grafiek te maken, hebben we de som genomen over of gemarginaliseerd over de parameter voor de uitvalratio. Na elke trial komen we tot een schatting van de drempelwaarde en de hellingswaarde van het subject.

De modus van deze grafiek, aangegeven door het rode kruis, is de huidige beste schatting van de drempelwaarde en de helling. Met behulp van deze waarden kunnen we een schatting van de psychometrische functie van het subject uitzetten. Dit wordt weergegeven door de groene curve in de grafiek linksboven.

Naarmate we meer gegevens verzamelen, wordt onze schatting verfijnd. De gezamenlijke posterior PDF wordt smaller, wat aangeeft dat onze onzekerheid over de geschatte parametervaarden afneemt. U kunt ook zien dat de geschatte curve, bij meer gegevens, de vorm van de werkelijke curve benadert.

Nu we klaar zijn met het verzamelen van onze gegevens, kunnen we een nauwkeurigere schatting maken van onze parameters. Aangezien onze afhankelijke maat een drempelwaarde is, kunnen we marginaliseren over de hellingsparameter om de meest nauwkeurige schatting van de drempelparameter te verkrijgen; hier wordt de posterior PDF van de drempelparameter getoond. De modus van deze PDF is onze beste schatting van de drempelwaarde van het subject, maar er is onzekerheid over deze schatting.

Deze onzekerheid wordt weergegeven door de breedte van de curve. Hoe breder de curve, des te minder zeker we zijn over onze schatting van de drempelwaarde van de proefpersoon en omgekeerd: hoe smaller de curve, des te zekerder we zijn over onze schatting van de drempelwaarde van de proefpersoon. Hiermee is onze beschrijving van taps, de tactiele geautomatiseerde passieve vingerstimulator, voltooid.

We hopen dat deze methoden door anderen zullen worden gereproduceerd en zullen bijdragen aan de verschuiving naar gecontroleerde tactiele tests, waar de afgelopen jaren veelbelovende vooruitgang is geboekt. Neem contact met ons op als u nog verdere vragen heeft.