MPI CyberMotion Simulator: implementacja nowatorskiego symulatora ruchu w celu zbadania integracji ścieżek multisensorycznych w trzech wymiarach

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zmierzenie nawigacji po ścieżce w trzech wymiarach przy jednoczesnym kontrolowaniu wizualnych i przedsionkowych danych sensorycznych dla uczestnika. Odbywa się to za pomocą zmodyfikowanego fotela robotycznego o sześciu stopniach swobody, który stymuluje układ przedsionkowy siedzący na krześle. Widok uczestnika na wirtualne pole gwiazd Przesuwając fotel robota i jednocześnie zmieniając pole gwiazdy, system dostarcza uczestnikowi wskazówek wizualnych i przedsionkowych.

Uczestnicy przekazują informacje zwrotne na temat nawigacji po ścieżce poprzez dokładność i prędkość, z jaką mogą wskazać z powrotem zapamiętaną pozycję początkową. Wyniki pokazują, że niedokładne oszacowanie ruchu własnego zależy od płaszczyzny ruchu i kąta, pod jakim są one poruszane. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak platformy ruchu, jest to, że symulator MPI Cyber Motion ma dużą przestrzeń roboczą zdolną do przesuwania obserwatorów w różnych wymiarach, szczególnie w dół.

Metoda ta może odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki, takie jak to, czy mózg w równym stopniu reprezentuje ruch własny w różnych wymiarach. Pomysł na te eksperymenty zaczerpnęliśmy z badań naszego kolegi Manuela Vidala. Poruszał ludźmi za pomocą wirtualnych buław, tylko z wizualną prezentacją.

Odkrył on, że nawigacja medyczna jest zaburzona, gdy MACES zawierają komponent pionowy. Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku diagnozy dezorientacji przestrzennej, ponieważ stanowią one punkt odniesienia dla nawigacji po ścieżkach w normalnym mózgu. Stymulator ruchu NPI Cyber składa się z sześciostawowego robota szeregowego w konfiguracji 3, 2, 1.

Opiera się na robocie przemysłowym o udźwigu 500 kilogramów, dzięki czemu robot jest bezpieczny do eksperymentów. Modyfikacje są wprowadzane zarówno w sprzęcie, jak i oprogramowaniu, możliwe są złożone profile ruchu, które łączą ruchy boczne z obrotami. Z symulatorem ruchu cybernetycznego MPI.

Osie pierwsza, czwarta i szósta mogą obracać w sposób ciągły cztery pary sprzętu i ograniczać oś drugą, trzecią i piątą w obu kierunkach. Maksymalny zakres ruchów liniowych jest silnie uzależniony od pozycji, z której rozpoczyna się ruch. Przed przeprowadzeniem jakichkolwiek eksperymentów każda eksperymentalna trajektoria ruchu musi przejść fazę testową.

Trajektorie są programowane za pomocą zaprojektowanego przez firmę KUKA komputera biurowego w celu skonfigurowania symulatora ruchu MPI. W tej konfiguracji otwartej pętli trajektorie są umieszczane we współrzędnych kartezjańskich i są przekształcane na kąty przestrzeni stawów za pomocą kinematyki odwrotnej co 12 milisekund. Aktualne pozycje kątów połączeń są przesyłane z systemu sterowania do symulatora ruchu cybernetycznego MPI za pośrednictwem połączenia Ethernet, gdzie są one stopniowo odczytywane i rejestrowane na dysku w robocie.

Fotelik samochodowy wyposażony w pięciopunktowy system pasów bezpieczeństwa jest przymocowany do ramy, która zawiera podnóżek. Podwozie jest zamontowane do kołnierza ramienia robota. Uczestnicy muszą nosić słuchawki z redukcją szumów, wyposażone w mikrofon do dwukierunkowej komunikacji z eksperymentatorem.

Powinni być również naiwni w stosunku do konfiguracji eksperymentalnej. Ciągły hałas jest odtwarzany przez słuchawki, co maskuje hałas robota. Eksperymenty są również możliwe poprzez umieszczenie uczestników w zamkniętej kabinie, ponieważ eksperyment jest przeprowadzany w ciemności.

Kamery termowizyjne umożliwiają monitoring wizyjny z dyspozytorni. Możliwych jest wiele konfiguracji wizualizacji, w tym ekran LCD, stereofoniczna projekcja przednia, monochromatyczna projekcja przednia lub wyświetlacz montowany na głowie. W tym eksperymencie wizualne wskazówki dotyczące własnego ruchu są dostarczane przez wyświetlacz LCD, umieszczony 50 centymetrów przed obserwatorami, aby dostarczać wskazówki wizualne.

Oprogramowanie przedstawia uczestnikowi wirtualną przestrzeń OID wypełnioną 200 000 kropek.każda. w przestrzeni jest rysowany jako białe kółko na czarnym tle. Na ekranie wyświetlane są kropki odpowiadające kątom widzenia od 13 do 0,3 stopnia.

Te kropki znajdują się w odległości 0,085 i czterech. Jednostki wirtualne od uczestnika. Ruch pola wirtualnego jest synchronizowany z ruchem fizycznym za pomocą trajektorii ruchu z komputera sterującego MPI w celu wytworzenia paralaksy między przepływem optycznym a ruchem.

Kropki znajdujące się głębiej w polu widzenia są rysowane w mniejszych rozmiarach niezależnie od ruchów uczestnika.każda z nich jest wyświetlana przez dwie sekundy asynchronicznie, zanim zostanie losowo przypisana. W ten sposób w każdej sekundzie porusza się łącznie sto tysięcy kropek.

Specjalnie zbudowany joystick wyposażony w przyciski odpowiedzi umożliwia uczestnikom przesyłanie danych przez połączenie ethernet do systemu sterowania. Informacjami sensorycznymi można manipulować, dostarczając jedynie wskazówek wizualnych z pola gwiazdowego o ograniczonym czasie życia. Tylko kinestetyczne wskazówki przedsionkowe z pasywnego ruchu siebie z zamkniętymi oczami uczestnika lub oba sygnały z otwartymi oczami uczestnika.

W tym eksperymencie trajektorie ruchu składały się z dwóch długości segmentów. Pierwszy ma 0,4 metra, a drugi jeden metr. Kąt dowolnych dwóch segmentów ruchu jest przenoszony jako 45 stopni lub 90 stopni.

Na przykład ruch w płaszczyźnie poziomej składa się z ruchu do przodu w prawo o 90 stopni do przodu, ruchu w prawo przez 45 stopni w prawo, ruchu do przodu o 90 stopni lub ruchu w prawo do przodu o 45 stopni. Tego typu ruchy wykonywane są również w płaszczyźnie strzałkowej i czołowej. Trajektorie są dostarczane jako tłumaczenia bez rotacji.

Po każdej trajektorii następuje sekwencja zmiany położenia, po której następuje 15-sekundowa przerwa w celu zmniejszenia wszelkich możliwych zakłóceń spowodowanych ruchem przed każdą próbą oraz zapewnienia, że układ przedsionkowy jest testowany ze stanu ustalonego w celu dostarczenia informacji zwrotnej o postrzeganym ruchu, uczestnicy przesuwają strzałkę za pomocą joysticka, aby wskazać swój ruch względem ich pochodzenia. Początek układu współrzędnych jest przedstawiany jako awatar z trzech punktów widzenia, a strzałka jest zawsze losowo ustawiana przed dostosowaniem przed próbami. Bardzo ważne jest, aby przeszkolić uczestnika w zakresie dokładnego korzystania z systemu informacji zwrotnej.

Powinni być w stanie skierować strzałkę na obiekty w swoim otoczeniu, takie jak joystick spoczywający na ich kolanach podczas próby. Ruch joysticka jest ograniczony do płaszczyzny trajektorii, a uczestnicy mogą korzystać z dowolnych lub wszystkich punktów widzenia podczas zbierania danych. Każdy warunek eksperymentalny jest powtarzany trzy razy i prezentowany w losowej kolejności.

Przeanalizowano dane od 16 uczestników. Jeden. Ekstremalnie odstające wyniki zostały wyemitowane w modalności i kącie nie miały znaczącego wpływu na szacowany ruch. Jednak uczestnicy nie docenili rozmiaru kąta ruchu w płaszczyźnie poziomej o prawie dziewięć stopni i przeszacowali rozmiar kąta w płaszczyźnie czołowej o około pięć stopni. Tu.

Stwierdzono, że współczynnik kąta znacząco oddziałuje ze współczynnikiem płaszczyzny czołowej, tak że przeszacowania były większe dla ruchów o 45 stopni niż ruchów o 90 stopni. Ponadto stwierdzono, że modalność znacząco oddziałuje na kąt, tak że niedoszacowania na podstawie samych informacji przedsionkowych dla ruchów o 90 stopni były znacznie większe w porównaniu z warunkami wizualnymi i łącznymi. Takich rozbieżności nie było dla ruchów o 45 stopni.

Stwierdzono, że czas odpowiedzi był znacznie wolniejszy, gdy informacja zwrotna została udzielona na podstawie samych wskazówek kinestetycznych przedsionkowych w porównaniu z warunkami wzrokowymi i połączonymi. Uczestnicy byli również znacznie wolniejsi, gdy poruszali się w płaszczyźnie poziomej w porównaniu z innymi płaszczyznami. Wyniki te są naprawdę zaskakujące, ponieważ sugerują, że reprezentacja przestrzeni w mózgu nie jest symetryczna we wszystkich wymiarach.

Od jakiegoś czasu wiemy, że ludzie mają tendencję do niedoceniania swojego ruchu w płaszczyźnie poziomej po raz pierwszy, pokazujemy, że tak nie jest w wymiarze pionowym. W przyszłości będziemy mogli używać tych metod do konstruowania ścieżek we wszystkich trzech wymiarach, w tym tych, które są zakrzywione. Pozwoli nam to odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, w jaki sposób mózg jest w stanie zintegrować ruch w różnych płaszczyznach, a także jak porusza się po zakrętach.