Artykuł metodologiczny

WheelCon: platforma do gier oparta na sterowaniu kierownicą do badania kontroli sensomotorycznej człowieka

DOI:

10.3791/61092

⸱

15 sierpnia 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

WheelCon to nowatorska, darmowa platforma o otwartym kodzie źródłowym do projektowania gier wideo, która nieinwazyjnie symuluje jazdę na rowerze górskim po stromym, krętym i wyboistym szlaku. Zawiera komponenty obecne w kontroli sensomotorycznej człowieka (opóźnienie, kwantyzacja, szum, zakłócenia i wielokrotne pętle sprzężenia zwrotnego) i pozwala naukowcom badać warstwową architekturę w kontroli sensomotorycznej.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Teoria kontroli sprzężenia zwrotnego została szeroko zaimplementowana do teoretycznego modelowania kontroli sensomotorycznej człowieka. Jednak platformy eksperymentalne zdolne do manipulowania ważnymi komponentami wielu pętli sprzężenia zwrotnego nie są rozwijane. W tym artykule opisano WheelCon, platformę open source, której celem jest rozwiązanie takich problemów. Korzystając tylko z komputera, standardowego wyświetlacza i niedrogiej kierownicy do gier wyposażonej w silnik z siłowym sprzężeniem zwrotnym, WheelCon bezpiecznie symuluje kanoniczne zadanie sensomotoryczne, jakim jest jazda na rowerze górskim po stromym, krętym, wyboistym szlaku. Platforma zapewnia elastyczność, co zostanie zademonstrowane w dostarczonych demonstracjach, dzięki czemu badacze mogą manipulować zakłóceniami, opóźnieniami i kwantyzacją (szybkością danych) w warstwowych pętlach sprzężenia zwrotnego, w tym w zaawansowanej warstwie planu wysokiego poziomu i warstwie opóźnionego odruchu niskiego poziomu. W tym artykule ilustrujemy graficzny interfejs użytkownika (GUI) WheelCon, dane wejściowe i wyjściowe istniejących wersji demonstracyjnych oraz sposób projektowania nowych gier. Ponadto prezentujemy podstawowy model sprzężenia zwrotnego oraz wyniki eksperymentalne z gier demonstracyjnych, które dobrze pokrywają się z przewidywaniami modelu. Platformę WheelCon można pobrać pod adresem https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. Krótko mówiąc, platforma jest tania, prosta w użyciu i elastyczna w programowaniu dla skutecznych badań neurobiologicznych sensomotorycznych i edukacji w zakresie inżynierii sterowania.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

System kontroli sensomotorycznej człowieka jest niezwykle wytrzymały1, chociaż wykrywanie jest rozproszone, zmienne, rzadkie, skwantowane, hałaśliwe i opóźnione2,3,4; obliczenia w ośrodkowym układzie nerwowym są powolne5,6,7; a mięśnie aktywują zmęczenie i saturates8. Zaproponowano wiele obliczeniowych modeli teoretycznych w celu wyjaśnienia skomplikowanego procesu kontroli sensomotorycznej u człowieka4,

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rozwój i zastosowanie protokołu zostały zatwierdzone przez California Institute of Technology Institutional Review Board (IRB) oraz Southern University of Science and Technology IRB. Pacjent wyraził świadomą zgodę przed wykonaniem jakichkolwiek zabiegów.

1. Przygotowanie i konfiguracja systemu

  1. Zalecany podstawowy sprzęt to dwurdzeniowy procesor 2 GHz i 4 GB pamięci systemowej.
  2. Zbuduj platformę do gier na platformie Unity, korzystając z języka programowania C#. Sterownik kierownicy do gier firmy Logitech i zestaw SDK kierownicy firmy Logitech są potrzebne do tworzenia platform do gier.
  3. Pliki wykonywalne platfo....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Modelowanie kontroli sprzężenia zwrotnego

Pokazujemy uproszczony model kontroli sprzężenia zwrotnego pokazany w Rysunek 1. Dynamika systemu jest określona wzorem:

figure-results-1

gdzie x(t) to błąd w czasie t, r(t) to zakłócenie szlaku w(t), to zakłócenie .......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule przedstawiliśmy darmową platformę do gier o otwartym kodzie źródłowym, WheelCon, do badania skutków opóźnień, kwantyzacji, zakłóceń i warstwowych pętli sprzężenia zwrotnego w ludzkiej kontroli sensomotorycznej. Pokazaliśmy sprzęt, oprogramowanie i graficzny interfejs użytkownika. Zaimplementowano ustawienia pojedynczej pętli sterowania sensomotorycznego z opóźnieniem i kwantyzacją, co pozwala nam mierzyć efekty opóźnienia, kwantyzacji i zaburzeń w kontroli sensomotorycznej. Wyniki eksperymentu są zgodne z .......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy ujawniają, że nie mają konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Panu Zhengyang Wang za przeredagowanie scenariuszy, nakręcenie i montaż filmu, oraz Panu Ziyuan Ye za montaż filmu. Badanie to otrzymało wsparcie od CIT Endowment & National Science Foundation (do JCD), stypendium Boswell (do QL) i High-level University Fund (nr G02386301, G02386401), Guangdong Natural Science Foundation Joint Fund (nr 2019A1515111038).

....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kierownica do gierLogitech
, Windows 10, System operacyjnyMicrosoft
:

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Franklin, D. W., Wolpert, D. M. Computational Mechanisms of Sensorimotor Control. Neuron. 72 (3), 425-442 (2011).
  2. Bays, P. M., Wolpert, D. M. Computational principles of sensorimotor control that minimize uncertainty and variability. The Journal of Physiology....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Sensorimotor ControlWheelCon PlatformGaming Steering WheelFeedback Control TheoryHuman SensorimotorMountain Bike SimulationDisturbance ManipulationDelay QuantizationData Rate ControlExperimental Results

Powiązane artykuły