Artigo de método

Design e uso de um aparelho para apresentação de objetos Graspable no espaço de trabalho 3D

DOI:

10.3791/59932

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8 de agosto de 2019

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1Qiushi Academy for Advanced Studies, Zhejiang University, 2Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, 3Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University

Neste artigo

Resumo

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

Aqui apresentamos um protocolo para construir um aparelho automático que orienta um macaco para realizar a tarefa flexível de alcance-a-agarrar. O aparelho combina um dispositivo de translação 3D e uma tabela de giro para apresentar vários objetos em uma posição arbitrária no espaço 3D.

Resumo

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

Alcançar e agarrar são movimentos altamente acoplados, e sua dinâmica neural subjacente tem sido amplamente estudada na última década. Para distinguir as codificações de alcance e apreensão, é essencial apresentar diferentes identidades de objetos independentemente de suas posições. É apresentado aqui o projeto de um instrumento automático que seja montado com uma tabela de giro e um dispositivo translacional tridimensional (3D) para conseguir este objetivo. A tabela de giro alterna objetos diferentes correspondentes a diferentes tipos de aderência, enquanto o dispositivo translacional 3D transporta a tabela de giro no espaço 3D. Ambos são conduzidos independentemente pelos motores de modo que a posição e o objeto do alvo sejam combinados arbitrariamente. Enquanto isso, a trajetória do punho e os tipos de aderência são gravados através do sistema de captura de movimento e sensores de toque, respectivamente. Além disso, os resultados representativos que demonstram com sucesso o macaco treinado usando este sistema são descritos. Espera-se que este aparelho facilite pesquisadores para estudar a cinemática, os princípios neurais e as interfaces cérebro-máquina relacionadas à função do membro superior.

Introdução

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

Vários aparelhos foram desenvolvidos para estudar os princípios neurais subjacentes ao alcance e apreensão do movimento em primatas não humanos. Em alcançar tarefas, tela de toque1,2, cursorde tela controlado por um joystick3,4,5,6,7e tecnologia de realidade virtual8 , 9 anos de , 10 foram todos empregados para apresentar alvos 2D e 3D, respectivamente. Para introduzir diferentes tipos de aderência, os objetos de forma diferente fixados em uma posição ou girando em torno de um eixo foram amplamente utilizados nas tarefas de apreensão11,12,13. Uma alternativa é usar dicas visuais para informar os sujeitos a compreenderem o mesmo objeto com diferentes tipos de aderência14,15,16,17. Mais recentemente, os movimentos de alcance e apreensão têm sido estudados em conjunto (ou seja, os sujeitos atingem múltiplas posições e agarram-se com diferentes tipos de aderência em uma sessão experimental)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Experimentos precoces têm apresentado objetos manualmente, o que inevitavelmente leva ao baixo tempo e à precisão espacial20,21. Para melhorar a precisão experimental e economizar mão de obra, dispositivos de apresentação automática controlados por programas têm sido amplamente utilizados. Para variar a posição de destino e o tipo de aderência, os experimentadores têm exposto vários objetos simultaneamente, mas a posição relativa (ou absoluta) dos alvos e os tipos de aderência são vinculados, o que causa padrões rígidos de queima por meio de treinamento de longo prazo22 ,27,28. Os objetos são geralmente apresentados em um plano 2D, o que limita a diversidade de alcance do movimento e atividade neural19,25,26. Recentemente, a realidade virtual24 e o braço do robô23,29 foram introduzidos para apresentar objetos no espaço 3D.

Apresentamos aqui os protocolos detalhados para a construção e utilização de um aparelho automatizado30 que pode atingir qualquer combinação de múltiplas posições alvo e tipos de aderência no espaço 3D. Nós projetamos uma tabela de giro para comutar objetos e o dispositivo translacional 3D para transportar a tabela de giro no espaço 3D. A tabela de giro e o dispositivo translacional são conduzidos por motores independentes. Enquanto isso, a trajetória 3D do pulso do sujeito e os sinais neurais são gravados simultaneamente durante todo o experimento. O aparelho fornece uma valiosa plataforma para o estudo da função do membro superior no macaco rhesus.

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Protocolo

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Todos os procedimentos comportamentais e cirúrgicos conformados com o guia para o cuidado e uso de animais de laboratório (Ministério da saúde da China) e foram aprovados pelo Comitê de cuidados com animais na Universidade de Zhejiang, China.

1. montagem do dispositivo translacional 3D

  1. Construir um quadro de tamanho 920 mm x 690 mm x 530 mm com trilhos de construção em alumínio (secção transversal: 40 mm x 40 mm).
  2. Fixe quatro pedestais nas duas extremidades dos trilhos Y com parafusos (M4) (Figura 1b).
  3. Fixar dois trilhos em Y na superfície superior do quadro em paralelo, fixando os quatro pedestais nos quatro cantos da superfície superior com parafusos (M6) (Figura 1b).
  4. Conecte dois trilhos Y com um eixo de conexão e dois acoplamentos do diafragma. Aperte os parafusos de trava dos acoplamentos para sincronizar os eixos de dois trilhos (Figura 1b).
  5. Coloque seis porcas (M4) nas ranhuras traseiras do trilho Z. Fixe um lado do quadro triangular direito à parte de trás do trilho Z com parafusos.
  6. Puxe a moldura do triângulo para a extremidade que é distal ao eixo e aperte os parafusos. Fixe a outra moldura triangular direita ao outro trilho Z da mesma forma (Figura 1C).
  7. Fixe os outros lados direito-angulares de dois frames do triângulo aos deslizadores de dois Y-trilhos com parafusos (M6) (Figura 1C).
  8. Conecte dois trilhos Z com um eixo de conexão e acoplamentos de diafragma e aperte os parafusos de travamento do acoplamento (Figura 1C).
  9. Fixe as duas placas de ligação em forma de T à parte de trás do trilho X com porcas e parafusos (M4). Em seguida, puxe as duas placas em forma de T para as duas extremidades do trilho X e aperte os parafusos (Figura 1D).
  10. Fixe as duas placas de conexão em forma de T nos controles deslizantes de dois trilhos Z com parafusos (M6), respectivamente (Figura 1D).
  11. Insira o motor de piso no orifício do eixo do redutor de engrenagens e aparafuse as flanges juntas (Figura 1e).
  12. Fixe o anel de ligação à extremidade do eixo do trilho X activo com parafusos (M4).
  13. Insira o eixo do trilho X no acoplamento e fixe o redutor de engrenagens no anel de conexão com os parafusos (M4).  Aperte os parafusos de trava do acoplamento (Figura 1e).
  14. Fixar os outros dois motores de degrau e redutores de engrenagens para o Y-Rail ativo e Z-Rail usando os métodos descritos nas etapas 1.11 – 1.12.
  15. Insira os cabos de alimentação e controle dos três motores de piso para as portas de alimentação e controle de seus motoristas, respectivamente e fixe os cabos com parafusos no lado do condutor.

2. montagem da mesa de giro

  1. Baixe o. Arquivos de projeto DWG dos arquivos suplementares deste artigo. Prepare os objetos, o eixo mental, a barra de localização, o rotator e a caixa por impressão 3D ou processamento mecânico.
  2. Coloque os sensores de toque na ranhura do corpo do objeto e cole-os sobre as áreas de toque predefinidas com fita dupla face (Figura 2b).
    Nota: cada objeto consiste em quatro subcomponentes: um encosto, corpo de objeto com ranhura dentro, placa de cobertura e sensores de toque.
  3. Passe os fios pelo orifício do encosto do objeto e fixe a placa de cobertura no corpo do objeto com parafusos (Figura 2b).
  4. Passe os fios dos sensores de toque através dos furos nos lados do rotator e fixe os objetos no rotator com parafusos. (Figura 2C).
  5. Solda as extremidades do fio de sensores de toque para as extremidades de arame rotativo do anel deslizante elétrico e enrole as articulações com fita elétrica (Figura 2D).
  6. Fixe o estojo ao controle deslizante do trilho X com parafusos. Coloque o rolamento no orifício inferior da caixa e fixe a barra de localização na superfície superior do estojo com parafusos (Figura 2e).
  7. Coloque o rotator no caso do lado, coincidindo os eixos do rotador, rolamento e caixa. Passe os fios do anel deslizante elétrico pelo orifício superior da caixa (Figura 2F).
  8. Insira o eixo metálico no rolamento do orifício superior da caixa e encaixe a chave do eixo na chaveira do rotador (Figura 2G).
  9. Coloque o anel deslizante elétrico em torno do eixo metálico. Coloque a extremidade da barra de localização no entalhe do anel deslizante elétrico para evitar que o anel externo gire (Figura 2G).
  10. Introduza o eixo do motor de piso no furo do eixo do metal e fixe o motor na parte superior da caixa com parafusos. (Figura 2h).
  11. Insira os cabos de alimentação e controlo do motor nas portas de alimentação e controlo do seu condutor e fixe-os com parafusos.
  12. Stick um LED tricolor (RGB) para o lado da frente do caso com fita adesiva e fixar a placa lateral direita para o caso.

3. configuração do sistema de controlo

  1. Insira os cabos de direção e controle de pulso dos quatro drivers de motor nas portas de e/s digitais (pinos 81, 83, 85, 87) e portas de contador digital (pinos 89, 91, 93, 95) da placa de aquisição de dados (DAQ), respectivamente. Fixe os fios com parafusos.
  2. Insira os fios de controle do LED (cor verde usada para a sinalização "Go", a cor azul usada para a sinalização "Error" e a cor vermelha representando ocioso) nas portas de e/s digitais (pino 65 e 66) da placa DAQ e fixe-as com parafusos.
  3. Insira os fios de saída dos sensores de toque e o botão de comutação nas portas de e/s digitais (pino 67 – 77) da placa DAQ e fixe os fios com parafusos.
  4. Insira os fios de controle de início e de direção da bomba peristáltica nos pinos de e/s digitais 1 e 80, respectivamente. Insira o fio de controle de velocidade de fluxo na porta de e/s analógica AO2. Fixe os fios com parafusos.
  5. Configure um sistema de captura de movimento conforme descrito pelo fabricante para registrar a trajetória da mão no espaço 3D.
    Nota: um sistema de captura de movimento comercial (ver tabela de materiais) foi usado, que consiste em oito câmeras, um hub de energia, um switch Ethernet e um software de apoio (por exemplo, Cortex). Por favor, consulte o manual para obter mais detalhes sobre a configuração do sistema.
  6. Setup um sistema de aquisição do sinal neural como descrito pelo fabricante para gravar o sinal da electrofisiologia do assunto.
    Nota: foi utilizado um sistema de aquisição de dados comerciais (tabela de materiais), que consiste em um processador de sinais neurais (NSP), amplificador de front-end (FEA), fonte de alimentação do amplificador (ASP), estágios de cabeça e seu software de suporte (por exemplo, central). Consulte o manual para obter mais detalhes sobre a configuração do sistema.

4. preparação da sessão experimental

  1. Inicialize o dispositivo translacional 3D e a tabela de torneamento. Especificamente, puxe os controles deslizantes de todos os trilhos de slides lineares para o ponto de partida (canto inferior esquerdo) e gire o primeiro objeto (ou seja, a alça colocada verticalmente) da mesa giratória para enfrentar a parte da frente da mesa de giro.
  2. Energia nos dispositivos experimentais, incluindo sistema de captura de movimento, aquisição de sinais neurais, placa DAQ, bomba peristáltica e quatro motores.
  3. Configure o software de paradigma (Figura 3a).
    1. Clique duas vezes em Paradigm. exe para abrir o software de paradigma (disponível a pedido).
    2. Defina o número de posições de alcance e suas coordenadas 3D (x, y e z, em milímetros) em relação às posições iniciais (etapa 4,2).
    3. Escreva coordenadas de todas as posições na forma de matriz em um documento. txt. Certifique-se de que cada linha inclua as coordenadas x, y e z de uma posição separada por um espaço. Guarde o documento txt.
    4. Clique em Abrir arquivo no painel do pool de software de paradigma e selecione o documento. txt salvo antes de carregar as posições de apresentação no software de paradigma.
      Nota: neste estudo, oito posições-alvo foram ajustadas de acordo com a faixa de alcance do animal, que estão localizadas em vértices de um espaço de trabalho cubóide9,10(90 mm x 60 mm x 90 mm).
    5. Verifique os objetos a serem apresentados na experiência no pool de objeto do software de paradigma.
    6. Ajuste parâmetros experimentais no painel de parâmetros de tempo do software de paradigma. Definir linha de base = 400 MS, motor Run = 2.000 MS, planejamento = 1.000 MS, Max tempo de reação = 500 MS, Max tempo de alcance = 1.000 MS, min tempo de espera = 500 MS, recompensa = 60 MS, e Error cue = 1.000 MS.
  4. Assente o macaco do rhesus (com uma disposição do micro-elétrodo implantado no córtice de motor) na cadeira do macaco introduzindo seu colar no sulco da cadeira e fixando sua cabeça.
  5. Fixe a cadeira do macaco ao frame de construção de alumínio. Manter a cabeça 250 mm de distância da parte da frente do cubóide e manter os olhos 50 mm acima do lado superior da área de trabalho cubóide (ângulo visual horizontal: 20 °; ângulo visual vertical: 18 °).
  6. Construa um modelo de rastreamento do sistema de captura de movimento.
    1. Anexar três marcadores reflexivos no final do braço (perto do pulso) com fita dupla face. Certifique-se de que os três marcadores formam um triângulo escaleno.
    2. Clique no botão executar do software de paradigma para iniciar a tarefa.
    3. Clique no botão Record no painel de captura de movimento do software Cortex para gravar trajetórias de três marcadores para 60 s quando o macaco está fazendo a tarefa. Clique no botão parar para suspender o experimento.
    4. Construa um modelo de rastreamento de três marcadores no software Cortex usando as trajetórias gravadas e salve o modelo.
      Nota: por favor, consulte o manual do cortex para obter mais detalhes sobre como construir um modelo.
  7. Conecte as portas GND da FEA e da matriz de microeletrodos implantadas no córtex motor do macaco com um fio e torneiras de aperto. Em seguida, insira os estágios da cabeça no conector do microeletrodo array31.
  8. Abra o software central de sistema de aquisição de sinal neural e definir parâmetros de gravação, incluindo o caminho de armazenamento, cancelamento de ruído de linha, filtro de pico, limiar de pico, etc.
    Nota: refira por favor o manual do sistema de aquisição do sinal neural para mais detalhes da configuração de software.
  9. Abra o software de sincronização (Figura 3B, disponível a pedido). Clique nos três botões de conexão nos painéis Cerebus, captura de movimento e paradigma para conectar o software de sincronização com o sistema de aquisição de sinal neural, sistema de captura de movimento e software de paradigma, respectivamente.
  10. Clique no botão executar do software de paradigma para continuar o experimento.
  11. Clique no botão gravar no painel de armazenamento de arquivos do software central para iniciar a gravação dos sinais neurais.
  12. Verifique o modelo de acompanhamento guardado e clique no botão gravar no painel de captura de movimento do software Cortex para começar a gravar a trajetória do pulso do macaco.

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Resultados

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O tamanho do espaço de trabalho completo do aparelho é de 600 mm, 300 mm e 500 mm em eixos x, y e z, respectivamente. A carga máxima do dispositivo translacional 3D é 25 quilogramas, quando a tabela de giro (que inclui o motor de piso) for ponderada 15 quilogramas e puder ser transportada em uma velocidade de até 500 mm/s. A precisão cinemática do dispositivo translacional 3D é inferior a 0,1 mm e o ruído do aparelho é inferior a 60 dB.

Para demonstrar a utilidade do sistema, o macaco é treina...

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Discussão

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O aparelho comportamental é descrito aqui permite uma combinação de julgamento de diferentes movimentos de alcance e agarramento (ou seja, o macaco pode agarrar objetos de forma diferente em qualquer locais arbitrários em 3D em cada julgamento). Isto é conseguido através da combinação de uma tabela de giro feita encomenda que comuta objetos diferentes e um dispositivo translacional linear que transporte a tabela de giro às posições múltiplas no espaço 3D. Além disso, os sinais neurais do macaco, trajetória do punho e for...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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Agradecemos ao Sr. Shijiang Shen por seu Conselho sobre o design de aparelhos e a Sra. GUIHUA Wang por sua assistência com cuidados com animais e treinamento. Este trabalho foi apoiado pelo programa-chave nacional de pesquisa e desenvolvimento da China (2017YFC1308501), a Fundação Nacional de ciência natural da China (31627802), os projetos públicos da província de Zhejiang (2016C33059), e os fundos de pesquisa fundamentais para o Universidades centrais.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Tecnologia de automação CCM X-rail ativaInc., ChinaW50-25Curso efetivo, 600 mm; Carga, 25 kg
Trilho Y ativoCCM Automation technology Inc., ChinaW60-35Curso efetivo, 300 mm, Carga 35 kg
Trilho Z ativoCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Curso efetivo, 500 mm; Carga 25 kg
RolamentoTaobao.com6004-2RSHCaixa de acrílico
Processamento mecânico personalizadoTT-CAcrílico
Anel de conexãoCCM Automation technology Inc., China57/60-W50
Eixo de conexãoCCM Automation technology Inc., ChinaD12-700Diam., 12 mm;Comprimento, 700 mm
Acoplamento de diafragmaCCM Automation technology Inc., ChinaCCM 12-1212-12 mm
CCM Automation technology Inc., ChinaCCM 12-14Diâmetro interno, anel deslizante elétrico de 14-12 mm
Semring Inc., ChinaSNH020a-12acrílica
Processamento mecânico personalizadoTT-LSistema
captura de movimentoMotion Analysis Corp. USEagle-2.36
Sistema de aquisição de sinal neuralBlackrock Microsystems Corp. USCerebus
NI Dispositivo DAQNational Instruments, USUSB-6341
ObjetoProcessamento mecânico personalizadoTT-OAcrílico
Passivo TrilhoY CCM Automation technology Inc., ChinaW60-35Curso efetivo, 300 mm; Carga 35 kg
Trilho Z passivoCCM Automation technology Inc., ChinaW50-25Curso efetivo, 500 mm; Carga 25 kg
PedestalCCM Automation technology Inc., China80-W60
Bomba peristálticaLonger Inc., ChinaBT100-1L
Redutor planetárioCCM Automation technology Inc., ChinaPLF60-5Flange, 60 vezes; 60 mm; Taxa de redução, quadro
triângulo retânguloCCM Automation technology Inc., China290-300
RotadorProcessamento mecânico personalizadoTT-RServo
motorYifeng Inc., China60ST-M01930Flange, 60 vezes; 60 mm; Torque, 1.91 N· m; para o servo motor Yifeng Inc. do Y-trilho e do Z-trilho
, flange de China60ST-M01330, 60× 60 mm; Torque, 1.27 N· m; para o eixo do X-trilho
Processamento mecânico feito sob encomendaacrílicode TT-S
Taobao.com86HBS120, 86× 86 mm; Torque, 1.27 N· m; Sensor de toque de mesa giratória
de condução Taobao.comCM-12X-5V
LED tricolorTaobao.comCK017,
CCM Automation technology Inc., China110-120
Diâmetro interno, acoplamento de diafragma de Barra de localização de acrílico de 1:5 acrílico O motor de piso flange placa de conexão em forma de T RGB

Referências

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