MPI CyberMotion Simulator: Implementatie van een nieuwe Motion Simulator uw zintuigen Pad Integratie Onderzoek in drie dimensies

Het algemene doel van het volgende experiment is om padnavigatie in drie dimensies te meten, terwijl de visuele en vestibulaire sensorische input van de deelnemer wordt gecontroleerd. Dit wordt bereikt met behulp van een aangepaste robotstoel met zes vrijheidsgraden die het vestibulaire systeem van de persoon in de stoel stimuleert. De deelnemer bekijkt een virtueel sterrenveld. Door de robotstoel te bewegen en gelijktijdig het sterrenveld te wijzigen, biedt het systeem visuele en vestibulaire aanwijzingen aan de deelnemer.

De deelnemers geven feedback over de padnavigatie op basis van de nauwkeurigheid en de snelheid waarmee zij terug kunnen wijzen naar de onthouden startpositie. De resultaten tonen aan dat een onnauwkeurige schatting van de eigen beweging afhankelijk is van het bewegingsvlak en de hoek waaronder zij worden verplaatst. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals bewegingsplatforms, is dat de MPI Cyber Motion-simulator beschikt over een grote werkruimte waarmee waarnemers in verschillende dimensies kunnen worden bewogen, in het bijzonder naar beneden.

Deze methode kan cruciale vragen binnen de neurowetenschappen beantwoorden, zoals de vraag of de hersenen zelfbeweging in verschillende dimensies op gelijke wijze representeren. We hebben het idee voor deze experimenten opgedaan uit een studie van onze collega Manuel Vidal. Hij verplaatste proefpersonen door virtuele doolhoven op basis van uitsluitend visuele presentatie.

Hier ontdekte hij dat de navigatie door de omgeving is aangetast wanneer de MACES een verticale component bevatten. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de diagnose van ruimtelijke desoriëntatie, omdat ze een referentiekader bieden voor padnavigatie in het normale brein. De NPI Cyber bewegingsstimulator bestaat uit een zes-assige seriële robot in een 3, 2, 1 configuratie.

Het is gebaseerd op een industriële robot met een payload van 500 kilogram om de robot veilig te maken voor experimenten. Er zijn aanpassingen gedaan aan zowel de hardware als de software, waardoor complexe bewegingsprofielen die laterale bewegingen combineren met rotaties mogelijk zijn via de MPI cyber motion simulator.

Assen één, vier en zes kunnen continu roteren; vier paren hardwarematige aanslagen beperken as twee, drie en vijf in beide richtingen. Het maximale bereik van lineaire bewegingen is sterk afhankelijk van de positie van waaruit de beweging begint. Voordat er experimenten worden uitgevoerd, moet elk experimenteel bewegingstraject een testfase ondergaan.

Trajecten worden geprogrammeerd met een door KUKA ontworpen kantoor-PC om de MPI cyber motion simulator te configureren. In deze open-loop configuratie worden trajecten ingevoerd in Cartesiaanse coördinaten en elke 12 milliseconden via inverse kinematica omgezet naar gewrichtshoeken. De huidige gewrichtshoekposities worden vanuit het controlesysteem via een ethernetverbinding naar de MPI cyber motion simulator verzonden, waar ze incrementeel worden uitgelezen en op de schijf van de robot worden geregistreerd.

Een raceautostoel, uitgerust met een vijfpuntsveiligheidsgordelsysteem, is bevestigd aan een chassis met een voetsteun. Het chassis is gemonteerd op de flens van de robotarm. De deelnemers moeten een noise-cancelling koptelefoon dragen, uitgerust met een microfoon voor tweewegcommunicatie met de experimentele begeleider.

Zij moeten tevens onbekend zijn met de experimentele opzet. Via de koptelefoons wordt constant ruis afgespeeld, wat het geluid van de robot maskeert. Experimenten zijn ook mogelijk door de proefpersonen in een afgesloten cabine te plaatsen terwijl het experiment in het donker wordt uitgevoerd.

Infraroodcamera's maken visuele monitoring vanuit de controlekamer mogelijk. Meerdere visualisatieconfiguraties zijn mogelijk, waaronder een LCD-scherm, een stereofrontprojectie, een monofrontprojectie of een head-mounted display. In dit experiment worden visuele cues voor eigen beweging geleverd door een LCD-display, dat 50 centimeter vóór de waarnemers is geplaatst om de visuele cues te presenteren.

De software presenteert een virtuele OID-ruimte gevuld met 200.000 stippen aan de deelnemer. Elke stip in de ruimte is getekend als een witte cirkel tegen een zwarte achtergrond. Het scherm toont stippen die overeenkomen met visuele hoeken van 13 tot 0,3 graden.

Deze stippen bevinden zich op een afstand van 0,085 en vier virtuele eenheden van de deelnemer. De beweging van het virtuele veld wordt gesynchroniseerd met de fysieke beweging via bewegingstrajecten van de MPI-besturingscomputer om parallax te creëren tussen de optische stroom en de beweging.

De stippen die zich dieper in het gezichtsveld bevinden, worden kleiner getekend, ongeacht de bewegingen van de deelnemer. Elke stip wordt gedurende twee seconden asynchroon getoond voordat deze willekeurig opnieuw wordt toegewezen. In totaal bewegen er dus honderdduizend stippen per seconde.

Een op maat gebouwde joystick, uitgerust met responsknoppen, stelt deelnemers in staat om gegevens via een ethernetverbinding naar het controlesysteem te verzenden. Sensorische informatie kan worden gemanipuleerd door enkel visuele signalen te geven vanuit het beperkte sterrenveld van de levensduur. Alleen vestibulaire kinesthetische signalen door passieve eigenbeweging met de ogen van de deelnemer gesloten, of beide signalen met de ogen van de deelnemer open.

In dit experiment bestonden de bewegingstrajecten uit twee segmentlengtes. De eerste is 0,4 meter en de tweede is één meter. De hoek tussen twee willekeurige bewegingssegmenten is ingesteld op 45 graden of 90 graden.

Bijvoorbeeld bestaat beweging in het horizontale vlak uit ofwel een voorwaartse beweging naar rechts over 90 graden, een naar rechts gerichte beweging over 45 graden naar rechts, een voorwaartse beweging over 90 graden of een voorwaartse beweging naar rechts over 45 graden. Deze typen bewegingen worden ook uitgevoerd in het sagittale en frontale vlak. Trajecten worden uitgevoerd als translaties zonder rotatie.

Elke traject wordt gevolgd door een herpositioneringssequentie, gevolgd door een pauze van 15 seconden om eventuele interferentie door beweging voorafgaand aan elke trial te verminderen. Om te garanderen dat het vestibulaire systeem vanuit een rusttoestand wordt getest om feedback te geven over hun waargenomen beweging, bewegen deelnemers een pijl met een joystick om hun beweging ten opzichte van hun oorspronkelijke positie aan te geven. De oorsprong wordt gepresenteerd als een avatar vanuit drie verschillende perspectieven, en de pijl wordt vóór de trials altijd willekeurig geplaatst voordat deze wordt bijgesteld. Het is essentieel om de deelnemer te trainen om het feedbacksysteem nauwkeurig te gebruiken.

Zij moeten in staat zijn de pijl te richten op objecten in hun omgeving, zoals de joystick die tijdens de proef op hun schoot rust. De beweging van de joystick is beperkt tot het trajectvlak, en deelnemers kunnen elk of alle standpunten gebruiken bij het verzamelen van gegevens. Elke experimentele conditie wordt drie keer herhaald en in willekeurige volgorde gepresenteerd.

Gegevens van de 16 deelnemers werden geanalyseerd. Extreme uitschieters werden weggelaten; modaliteit en hoek hadden geen significant effect op de geschatte beweging. Deelnemers onderschatten echter de grootte van de bewegingshoek in het horizontale vlak met bijna negen graden en overschatten de hoekgrootte in het frontale vlak met ongeveer vijf graden.

Er werd vastgesteld dat de hoekfactor een significante interactie vertoonde met de factor frontale vlak, zodanig dat overschattingen groter waren bij bewegingen over 45 graden dan bij bewegingen over 90 graden. Daarnaast bleek dat de modaliteit significant interageerde met de hoek, waarbij onderschattingen op basis van enkel vestibulaire informatie bij bewegingen over 90 graden significant groter waren in vergelijking met de visuele en gecombineerde condities. Dergelijke discrepanties waren afwezig bij bewegingen over 45 graden.

Er werd vastgesteld dat de responstijd significant langzamer was wanneer feedback uitsluitend werd gegeven op basis van vestibulaire kinesthetische signalen, vergeleken met de visuele en gecombineerde condities. De deelnemers waren ook significant langzamer wanneer zij in het horizontale vlak werden bewogen in vergelijking met andere vlakken. Deze resultaten zijn zeer verrassend, aangezien zij suggereren dat de representatie van de ruimte in de hersenen niet symmetrisch is over de dimensies heen.

We weten inmiddels dat mensen geneigd zijn hun beweging in het horizontale vlak te onderschatten; hier tonen we voor het eerst aan dat dit niet het geval is in de verticale dimensie. In de toekomst zullen we deze methoden kunnen gebruiken om paden in alle drie de dimensies te construeren, inclusief gebogen paden. Dit zal ons in staat stellen om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe de hersenen in staat zijn om bewegingen over verschillende vlakken te integreren, en hoe zij bochten navigeren.