Neuroscience

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

Published: May 10, 2012 doi: 10.3791/3436

Michael Barnett-Cowan¹, Tobias Meilinger¹, Manuel Vidal², Harald Teufel¹, Heinrich H. Bülthoff^1,3

¹Department of Human Perception, Cognition and Action, Max Planck Institute for Biological Cybernetics, ²Laboratoire de Physiologie de la Perception et de l'Action, Collège de France - CNRS, ³Department of Brain and Cognitive Engineering, Korea University

Summary

Эффективный способ получить представление о том, как люди сами перемещаться в трех измерениях описано. Метод использует движение симулятор способен двигаться таким образом, наблюдатели недостижимый традиционными тренажерами. Результаты подтверждают, что движение в горизонтальной плоскости недооценен, в то время как вертикальные движения переоценить.

Protocol

1. KUKA роботы GmbH

Симулятор MPI CyberMotion состоит из шести совместных серийный робот в конфигурации 3-2-1 (рис. 1). Он основан на коммерческой KUKA Robocoaster (изменение KR-500 промышленных роботов с 500 кг полезной нагрузки). Физические изменения и структура программного обеспечения управления необходимо иметь гибкий и безопасный экспериментальной установки ранее были описаны, в том числе скорость движения тренажера и ускорение ограничений и задержек и передаточной функции системы ^9. Модификации этого предыдущие настройки описаны ниже.

Рисунок 1. Графическое представление текущей CyberMotion MPI рабочее пространство Simulator.

Комплекс профилей движения, объединяющие боковые движения с поворотами возможны Simulator CyberMotion MPI. Топоры 1, 4 и 6 ок я непрерывно вращаться. 4 пары аппаратные конечные остановки предела Axis 2, 3 и 5 в обоих направлениях. Максимальная дальность линейных перемещений сильно зависит от позиции, с которой начинается движение. В настоящее время аппаратного конечных остановках Simulator CyberMotion MPI приведены в таблице 1.

Ось	Диапазон [град]	Максимум скорость [град / с]
Ось 1	Непрерывный	69
Ось 2	От -128 до -48	57
Ось 3	От -45 до +92	69
Ось 4	Непрерывный	76
Ось 5	От -58 до +58	76
Оси 6	Непрерывный	120

П "> Таблица 1. Существующие технические характеристики тренажера CyberMotion MPI.

Перед эксперимент проводится на тренажере CyberMotion MPI, каждой экспериментальной траектории движения проходит этап тестирования на компьютере KUKA моделирование (Управление компьютером). "Управление компьютером" представляет собой специальный продукт продается по KUKA, которая моделирует реальную манипулятора и включает в себя идентичные операционной системы и расположение экрана управления как реального робота. Схематический обзор системы управления MPI Simulator CyberMotion для разомкнутой конфигурация показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема обзор разомкнутой системы управления MPI Simulator CyberMotion. Нажмите здесь для увеличения рисунка .

Детали управления сtructure можно найти здесь ^9. Короче говоря, для разомкнутой конфигурации, такие, что и в текущем эксперименте, траектории запрограммированы путем преобразования входных траектории в декартовых координат углов поворота пространства через инверсной кинематики (рис. 2).
Система MPI контроль говорится в этих желаемых совместных шагом угол и передает их в систему управления KUKA для выполнения оси движения с помощью токов двигателя. Совместное значения разрешения направляются в системе управления KUKA который определяет текущие совместные позиции углом внутренняя норма 12 мс, что, в свою очередь, вызовет следующий совместный шаг следует рассматривать в файл MPI система контроля, а также записи текущей совместной Угол позиции на диске. Связь между MPI и KUKA системы управления является соединение Ethernet с помощью KUKA-RSI протокола.
Сиденья гоночных автомобилей (RECARO Pole Position), оснащенный 5-точечный ремень безопасности системы (Шрот) крепится к шасси бееч. включает подставку для ног. Корпус крепится к фланцу манипулятора (рис. 3а). Эксперименты также возможно сидения участников в закрытом салоне (рис. 3б).

Рисунок 3. MPI CyberMotion Simulator установки. а) конфигурации для текущих экспериментов с ЖК-дисплеем. б) Конфигурация для экспериментов, требующих закрытой кабиной с передним дисплеем стерео проекции. в) передней проекции моно дисплея. г) Глава установлен дисплей.

Поскольку эксперимент проводится в темноте, инфракрасные камеры позволяют визуального контроля из диспетчерской.

2. Визуализация

Несколько конфигураций визуализации возможны Simulator MPI CyberMotion в том числе ЖК-дисплей, стерео или моно фронтальной проекции, и голова установлены дисплеи (рис. 3). На текущийЭксперимент визуальные подсказки самодвижения предоставляются ЖК-дисплей (рис. 3а) размещены 50 см в передней части наблюдателей, которые в противном случае были протестированы в темноте.
Визуального представления был создан с помощью Virtools 4,1 программного обеспечения и состоит из случайных, ограниченный срок службы интернет-поле. Кубовидной расширение восьми виртуальных единиц на фронт, вправо, влево, вверх и вниз с точки зрения участника (например, 16 х 16 х 8 блоков по размеру) было заполнено 200 000 равный размер частиц, состоящих из белых кружков 0,02 единиц в диаметре, перед черным фоном. Точки были случайным образом распределены в пространстве (однородные распределения вероятностей в пространстве). Движение в виртуальных единицах был сокращен, чтобы соответствовать 1 к 1 с физического движения (1 виртуальная единица = 1 физическое метр).
Каждая частица была показана в течение двух секунд, прежде чем исчезает и тут же появляется снова в случайном месте в пространстве. Таким образом, половина точек изменили своеположение в течение одной секунды. Точки между расстоянии 0.085 и 4 единицы были представлены участникам (соответствующий угол зрения 13 ° и 0,3 °).
Движение в поле точка была синхронизирована с физического движения, получая траекторий движения из MPI компьютерного управления передается соединение Ethernet с использованием протокола UDP. При переходе через точку поля среднее число точек оставались неизменными для всех движений. Этот дисплей не представила абсолютную шкалу размеров, но оптического потока и движение параллакса в виде точек были сферы с фиксированным размером, глядя меньше в зависимости от их расстояния по отношению к наблюдателю.

3. Опытное конструкторское

16 участников, которые были наивны в эксперименте, за исключением одного автора (MB-C), носил шумоподавления наушники оснащены микрофоном, чтобы двустороннее общение с экспериментатором. Дополнительный шум слуховой непрерывно воспроизводится через headpho РЭШ дальнейшего шума маску производства роботов.
Участники использовали индивидуальному заказу джойстик оснащен кнопками ответа с данными передается связи Ethernet, используя UDP протокола.
Угол из двух отрезков движение было либо 45 ° или 90 °. Движение в горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскостях входили: вперед-вправо (FR) или вправо-вперед (РФ), вниз-вперед (DF) или вперед-вниз (FD), и вниз, вправо (DR) или вправо- вниз (RD) движений соответственно (рис. 4а).

Рисунок 4. Процедуры. а) Схематическое изображение траекторий, используемых в эксперименте. б) сенсорная информация для каждой траектории испытанного типа. в) Указывая задача используется для обозначения происхождения, где участники считали, что они переехали из.rge.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь для увеличения рисунка.

Сенсорная информация манипулируют, обеспечивая визуальный (зрительный поток, ограниченное поле звезды жизни), вестибулярного, кинестетическая (пассивное движение себя с закрытыми глазами), или визуальные и вестибулярные-кинестетические движения сигналов (рис. 4б).
Движение траекторий состоит из двух сегментов длины (1: 0,4 м, 2-й: 1 м ± 0,24 м / с ² пиковое ускорение, 4б). Траектории состояла из переводов только. Нет поворотов участников произошло. Чтобы уменьшить возможные помехи от движения до каждого испытания и убедиться, что вестибулярный аппарат был проверен, начиная от стационарного состояния, пауза 15 секунд предшествовало каждой траектории.
Наблюдатели отметили обратно в их происхождении, перемещая стрелку, которая была наложена на аватары, представленные на экране (рис. 4в). Движение стрелки был вынужден плоскость траектории и контролируется тОн джойстика. Аватар был представлен с фронтальной, сагиттальной и горизонтальной точки зрения. Наблюдателям было разрешено использовать любые точки зрения, чтобы ответить. Начальная ориентация стрелки были рандомизированы по испытаниям.
Как указывает задача требует участникам мысленно трансформировать свои указывая перспективу от эгоцентрической к exocentric представление, участниками были даны инструкции о том, чтобы указать к своим происхождением со ссылкой на аватар до практики и экспериментальных исследований. Участники сказали, что указание должно быть сделано, как если бы аватар был их собственным телом. Участники были затем поручил указать на физические цели по отношению к себе использование exocentric измерительной техники. Например, участники были проинструктированы, чтобы указать на джойстик опираясь на свои колени на полпути между собой и экраном, которые необходимы участникам указывать стрелками вперед и вниз по отношению к аватару. Все участники были в состоянии выполнять этизадачи, не выражая замешательство.
Каждая экспериментальная состояние повторяется 3 раза, а в случайном порядке. Подпись ошибки и время отклика были проанализированы в качестве зависимых переменных в двух отдельных 3 (самолет) * 2 (угол) * 3 (модальность) повторных измерений ANOVA. Время отклика от одной крайности участник выброса были исключены из анализа.

4. Представитель Результаты

Подпись результаты ошибок рухнул через формы и углы, никаких существенных основных эффектов выявлено не было этих факторов. 5а показывает значительный основной эффект движения плоскости (F _(2,30) = 7,0, р = 0,003), где наблюдатели недооценили угол размера ( средние данные ниже 0 °), для движения в горизонтальной плоскости (-8,9 °, себе 1.8). Во фронтальной плоскости наблюдатели, скорее всего в среднем переоценить угол размера (5.3 °, SE 2.6), в то время не было такого смещения в сагиттальной плоскости (-0,7 °, SE 3.7). БелыйИль основные эффекты угол и модальность не были статистически значимыми, угол оказался значительно взаимодействовать с самолета _{(F (2,30)} = 11,1, р <0,001), что завышенные во фронтальной плоскости были больше для движения на 45 ° (7.9 ° , SE 2.6), чем на 90 ° (2.8 °, себе 2.7), в то время как такое расхождение не было для других самолетов. Кроме того, методом было обнаружено значительное взаимодействие с углом _{(F (2,30)} = 4,7, р = 0,017), что недооценивает от вестибулярного информация только для движения на 90 °, значительно больше (-4,3 °, SE 2.1) по сравнению с визуального (-2.0 °, себе 2.4) и вестибулярных и визуальной информации в сочетании (2.3 °, SE 2.2) условия, в то время как такие расхождения отсутствовали движения на 45 °. Никаких существенных между субъектами эффект был подписан на ошибку (F _(1,15) = 0,7, р = 0,432). На рисунке 5б приведены результаты времени отклика. Существовал значительный основной эффектмодальности _{(F (2,28)} = 22,6, р <0,001), где наблюдатели ответили медленным, отвечая на основе вестибулярного-кинестетическая информация сама по себе (11,0 S, SE 1.0) по сравнению с визуальной (9,3 S, SE 0.8) и комбинированный (9.0 Ю, Ю-0.8) условиях. Существовал также значительный основной эффект плоскости (F _(2,28) = 7,5, р = 0,002), где наблюдатели ответили медленным, при перемещении в горизонтальной плоскости (10,4 S, SE 1.0) по сравнению с сагиттальной (9,4 S, SE 0,8 ) и фронтальной (9,4 S, SE 0.9) плоскостях. Существовал никаких существенных основной эффект сегмент угол или взаимодействий. Значительное влияние между субъектами нашлось время отклика _{(F (1,14)} = 129,1, р <0,001).

Рисунок 5. Результаты. а) Подпись ошибки рухнул через модальность для самолетов испытания. б) время отклика рухнул поперек движения самолетов на условияхиспытания. Ошибка бары + / - 1 сем

Discussion

Пути интеграции был также создан в качестве средства, используемые для решения которых возникла наблюдателя, но склонен к недооценке угла Один из них, перемещаемых через ^5. Наши результаты показывают, это для поступательного движения, но только в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости участники, скорее всего, переоценивают угол, перемещаемых через или не имеют уклон на всех. Эти результаты могут объяснить, почему оценки высоты пройденного, на местности, как правило, преувеличены ^10, а также почему пространственной навигации между разными этажами здания бедных ^11. Эти результаты могут также быть связаны с известной асимметрии удельный вес мешочка с utricule рецепторов (~ 0,58) ^12. Медленнее время отклика на основе вестибулярного-кинестетическая информация только по сравнению с визуальной информацией, когда присутствует о том, что могут быть дополнительные задержки, связанные с попыткой определить происхождение своей основе инерционный сигналы только, чтомогут быть связаны с недавних исследований показывают, что вестибулярные восприятия медленной по сравнению с другими чувствами ^13-16. Общие результаты показывают, что альтернативные стратегии для определения происхождения или иного лица может быть использован при движении по вертикали, которая может относиться к тому, что люди опыт движения в основном в пределах горизонтальной плоскости. Кроме того, в то время как последовательные переводы редко испытывали они происходят чаще всего в сагиттальной плоскости - где ошибки минимальна - например, когда мы идем в сторону и перейти на эскалатор. Хотя после эксперимента интервью не отражает различные стратегии среди самолетов, экспериментов следует изучить эту возможность. Эксперименты с траектории с использованием дополнительных степеней свободы, больше путей, с телом, по-разному ориентированных относительно тяжести, а также с помощью большего поля зрения, которые сейчас можно с Simulator CyberMotion MPI планируется дальнейшее изучение производительности пути интеграции в трех измерениях.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

MPI постдока стипендии для MB-C и ТМ; корейский NRF (R31-2008-000-10008-0) HHB. Благодаря Карлу Beykirch, Майкл Кергер и Йоахим Теш для оказания технической помощи и научного обсуждения.

References

Loomis, J. M., Klatzky, R. L., Golledge, R. G. Navigating without vision: Basic and applied research. Optometry and Vision Science. 78, 282-289 (2001).
Vidal, M., Amorim, M. A., Berthoz, A. Navigating in a virtual three-dimensional maze: how do egocentric and allocentric reference frames interact. Cognitive Brain Research. 19, 244-258 (2004).
Vidal, M., Amorim, M. A., McIntyre, J., Berthoz, A. The perception of visually presented yaw and pitch turns: Assessing the contribution of motion, static, and cognitive cues. Perception & Psychophysics. 68, 1338-1350 (2006).
Loomis, J. M., Klatzky, R. K., Philbeck, J. W., Golledge, R. Assessing auditory distance perception using perceptually directed action. Perception & Psychophysics. 60, 966-980 (1998).
Loomis, J. M., Klatzky, R. L., Golledge, R. G., Cicinelli, J. G., Pellegrino, J. W., Fry, P. A. Nonvisual navigation by blind and sighted: Assessment of path integration ability. Journal of Experimental Psychology General. 122, 73-91 (1993).
Bakker, N. H., Werkhoven, P. J., Passenier, P. O. The effects of proprioceptive and visual feedback on geographical orientation in virtual environments. Presence. 8, 36-53 (1999).
Kearns, M. J., Warren, W. H., Duchon, A. P., Tarr, M. J. Path integration from optic flow and body senses in a homing task. Perception. 31, 349-374 (2002).
Study of a novel motion platform for flight simulators using an anthropomorphic robot. Pollini, L., Innocenti, M., Petrone, A. Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, Keystone, Colorado AIAA, , 2006-6360 (2006).
Teufel, H. J., Nusseck, H. -G., Beykirch, K. A., Butler, J. S., Kerger, M., Bulthoff, H. H. MPI motion simulator: development and analysis of a novel motion simulator. Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, Hilton Head, South Carolina AIAA, , 2007-6476 (2007).
Gärling, T., Böök, A., Lindberg, E., Arce, C. Is elevation encoded in cognitive maps. Journal of Environmental Psychology. 10, 341-351 (1990).
Montello, D. R., Pick, H. L. J. Integrating knowledge of vertically aligned large-scale spaces. Environment and Behaviour. 25, 457-483 (1993).
Correia, M. J., Hixson, W. C., Niven, J. I. On predictive equations for subjective judgments of vertical and horizon in a force field. Acta oto-laryngologica Supplementum. 230, 3 (1968).
Barnett-Cowan, M., Harris, L. R. Perceived timing of vestibular stimulation relative to touch, light and sound. Experimental Brain Research. 198, 221-231 (2009).
Barnett-Cowan, M., Harris, L. R. Temporal processing of active and passive head movement. Experimental Brain Research. 214, 27-35 (2011).
Sanders, M. C., Chang, N. N., Hiss, M. M., Uchanski, R. M., Hullar, T. E. Temporal binding of auditory and rotational stimuli. Experimental Brain Research. 210, 539-547 (2011).
Barnett-Cowan, M., Raeder, S. M., Bulthoff, H. H. Persistent perceptual delay for head movement onset relative to auditory stimuli of different duration and rise times. Experimental Brain Research. , Forthcoming (2012).