MPI CyberMotion Simulator: Осуществление Роман симулятор движения по расследованию мультисенсорная путь интегрирования в трех измерениях

Общая цель следующего эксперимента заключается в измерении навигации по маршруту в трехмерном пространстве при контроле зрительных и вестибулярных сенсорных сигналов, поступающих к участнику. Это реализуется с помощью модифицированного роботизированного кресла с шестью степенями свободы, которое стимулирует вестибулярную систему человека, сидящего в кресле. Участник наблюдает виртуальное звездное поле. Посредством перемещения роботизированного кресла и одновременного изменения звездного поля система предоставляет участнику зрительные и вестибулярные ориентиры.

Участники предоставляют обратную связь по навигации по маршруту, основываясь на точности и скорости, с которой они могут указать на запомненное начальное положение. Результаты показывают, что неточная оценка собственного движения зависит от плоскости перемещения и угла, под которым перемещаются испытуемые. Основным преимуществом этого метода перед существующими, такими как платформы движения, является то, что симулятор MPI Cyber Motion обладает обширной рабочей зоной, позволяющей перемещать наблюдателей в различных измерениях, в частности, вниз.

Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области нейробиологии, например, одинаково ли мозг представляет собственное движение в разных измерениях. Идея этих экспериментов пришла к нам после изучения работы нашего коллеги Мануэля Видаля, в которой испытуемые перемещались по виртуальным лабиринтам, используя только визуальную стимуляцию.

Здесь он обнаружил, что навигация по маршруту нарушается, когда MACES включают вертикальный компонент. Значение данной методики распространяется на диагностику пространственной дезориентации, так как она обеспечивает эталон для навигации по маршруту в нормальном мозге. Стимулятор кибер-движения NPI состоит из шестизвенного серийного робота в конфигурации 3, 2, 1.

Система основана на промышленном роботе с грузоподъемностью 500 килограмм, что обеспечивает безопасность проведения экспериментов. Были внесены модификации как в аппаратное, так и в программное обеспечение, что позволило реализовать сложные профили движения, сочетающие боковые перемещения с вращениями, с помощью симулятора кибердвижения MPI.

Оси одна, четыре и шесть могут вращаться непрерывно; четыре пары аппаратных ограничителей ограничивают движение осей две, три и пять в обоих направлениях. Максимальный диапазон линейных перемещений сильно зависит от положения, из которого начинается движение. Перед проведением любых экспериментов каждая траектория экспериментального перемещения должна пройти фазу тестирования.

Траектории программируются с помощью офисного ПК разработки KUKA для настройки симулятора кибердвижения MPI. В данной конфигурации с разомкнутым контуром траектории задаются в декартовых координатах и каждые 12 миллисекунд преобразуются в углы в пространстве сочленений с помощью обратной кинематики. Текущие значения углов сочленений передаются от системы управления в симулятор кибердвижения MPI через Ethernet-соединение, где они считываются с определенным шагом и записываются на диск робота.

Гоночное сиденье, оснащенное пятиточечной системой ремней безопасности, закреплено на шасси, которое включает в себя подножку. Шасси установлено на фланец манипулятора робота. Участники должны использовать шумоподавляющие наушники, оснащенные микрофоном для двусторонней связи с экспериментатором.

Они также не должны быть знакомы с экспериментальной установкой. Через наушники транслируется непрерывный шум, который маскирует шум робота. Также возможна организация экспериментов с размещением участников в закрытой кабине, при этом эксперимент проводится в темноте.

Инфракрасные камеры позволяют осуществлять визуальный мониторинг из комнаты управления. Возможны различные конфигурации визуализации, включая ЖК-экран, стереопроекцию, монопроекцию или наголовный дисплей. В данном эксперименте визуальные стимулы собственного движения предоставляются с помощью ЖК-дисплея, расположенного на расстоянии 50 сантиметров перед наблюдателями.

Программное обеспечение предоставляет участнику виртуальное пространство OID, заполненное 200 000 точками. Каждая точка в пространстве представлена в виде белого круга на черном фоне. На экране отображаются точки, соответствующие визуальным углам от 13 до 0,3 градусов.

Эти точки находятся на расстоянии 0,085 и 4 виртуальных единиц от участника. Движение в виртуальном поле синхронизировано с физическим движением с помощью траекторий перемещения, передаваемых с управляющего компьютера MPI, для создания параллакса между оптическим потоком и движением.

Точки, находящиеся глубже в поле зрения, отрисовываются меньшего размера независимо от движений участника. Каждая точка отображается в течение двух секунд асинхронно, после чего ей случайным образом назначается новое положение. Таким образом, каждую секунду перемещается в общей сложности сто тысяч точек.

Специально сконструированный джойстик, оснащенный кнопками отклика, позволяет участникам передавать данные в систему управления по сети Ethernet. Сенсорная информация может быть модифицирована путем предоставления только визуальных стимулов в виде ограниченного поля звезд, только вестибулярно-кинестетических стимулов при пассивном движении с закрытыми глазами участника или обоих типов стимулов при открытых глазах участника.

В данном эксперименте траектории движения состояли из двух сегментов разной длины. Первый сегмент составляет 0,4 метра, второй — один метр. Угол между любыми двумя сегментами движения составляет либо 45 градусов, либо 90 градусов.

Например, движение в горизонтальной плоскости состоит либо из движения вперед и вправо на 90 градусов, либо из движения вправо на 45 градусов, либо из движения вперед на 90 градусов, либо из движения вперед и вправо на 45 градусов. Аналогичные типы движений выполняются в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Траектории реализуются в виде перемещений без вращения.

Каждой траектории предшествует последовательность перепозиционирования, за которой следует 15-секундная пауза для уменьшения любых возможных помех от движения перед каждым испытанием; чтобы обеспечить проверку вестибулярной системы из состояния покоя для получения обратной связи об их воспринимаемом движении, участники перемещают стрелку с помощью джойстика, чтобы указать свое перемещение относительно начальной точки. Начальная точка представлена в виде аватара с трех точек зрения, а стрелка перед регулировкой перед началом испытаний всегда располагается случайным образом. Крайне важно обучить участника точному использованию системы обратной связи.

Они должны иметь возможность направлять стрелку на объекты в своем окружении, например, на джойстик, лежащий у них на коленях во время испытания. Движение джойстика ограничено плоскостью траектории, и участники могут использовать любые или все ракурсы при сборе данных. Каждое экспериментальное условие повторяется трижды и представляется в случайном порядке.

Были проанализированы данные 16 участников. Один. Экстремальные выбросы были удалены; модальность и угол не оказали значительного влияния на оценку движения. Однако участники недооценили величину угла движения в горизонтальной плоскости почти на девять градусов и переоценили величину угла во фронтальной плоскости примерно на пять градусов. Здесь.

Было обнаружено, что фактор угла значимо взаимодействует с фактором фронтальной плоскости, при этом завышенные оценки были больше для движений на 45 градусов, чем для движений на 90 градусов. Кроме того, было выявлено значимое взаимодействие модальности с углом: заниженные оценки, основанные только на вестибулярной информации при движениях на 90 градусов, были значительно больше по сравнению со зрительным и комбинированным условиями. Подобные расхождения отсутствовали при движениях на 45 градусов.

Было обнаружено, что время реакции было значительно медленнее, когда обратная связь предоставлялась только по вестибулярно-кинестетическим признакам по сравнению с визуальными и комбинированными условиями. Участники также реагировали значительно медленнее при перемещении в горизонтальной плоскости по сравнению с другими плоскостями. Эти результаты весьма неожиданны, так как они указывают на то, что представление пространства в мозге не является симметричным по всем измерениям.

Уже давно известно, что люди склонны недооценивать свои перемещения в горизонтальной плоскости; здесь мы впервые демонстрируем, что в вертикальном измерении такая тенденция отсутствует. В будущем мы сможем использовать эти методы для построения путей во всех трех измерениях, включая искривленные траектории. Это позволит нам ответить на дополнительные вопросы, такие как то, каким образом мозг интегрирует движения в разных плоскостях, а также как он осуществляет навигацию при поворотах.