Summary
وصفت وسيلة فعالة لاكتساب المعرفة في كيفية انتقال البشر أنفسهم في ثلاثة أبعاد. طريقة يستفيد من جهاز محاكاة حركة قادرة على نقل المراقبين بطرق غير قابلة للتحقيق من قبل أجهزة المحاكاة التقليدية. تؤكد النتائج التي يتم التقليل من شأن الحركة في المستوى الأفقي، في حين يتم المبالغة في تقدير الحركة العمودية.
Abstract
مسار التكامل هو عملية يتم فيها دمج الذاتي الحركة مع مرور الوقت للحصول على تقدير للموقف واحد النسبي الحالي إلى نقطة البداية 1. يمكن أن يفعل البشر مسار التكامل يستند حصرا البصرية 2-3، سمعي 4، أو العظة بالقصور الذاتي 5. ومع ذلك، مع اشارات متعددة الحالي، منبهات بالقصور الذاتي - kinaesthetic خاصة - ويبدو أن تهيمن 6-7. في ظل غياب الرؤية، والبشر يميلون إلى المبالغة في تقدير المسافات القصيرة (<5 م) والزوايا تحول (<30 درجة)، ولكن نقلل من أطول منها 5. الحركة من خلال الحيز المادي لذلك لا يبدو أن تكون ممثلة بدقة من قبل الدماغ.
وقد تم القيام بأعمال مكثفة لتقييم مسار التكامل في المستوى الأفقي، ولكن لا يعرف الكثير عن حركة رأسية (انظر 3 للحركة الظاهرية من رؤية وحدها). وأحد أسباب ذلك هو أن أجهزة محاكاة الحركة التقليدية لديها مجموعة صغيرة من الحد من استخدام حركةتيد في المقام الأول إلى المستوى الأفقي. هنا علينا أن نستفيد من جهاز محاكاة حركة 8-9 مع طائفة واسعة من الحركة لتقييم ما إذا كان التكامل مسار مشابه بين طائرات عمودية وأفقية. كما تم تقييم الإسهامات النسبية للمنبهات بالقصور الذاتي والمرئية للملاحة مسار.
جلس 16 مراقبا تستقيم في مقعد شنت على شفة من ذراع الروبوت كوكا تعديل مجسم. تم التلاعب بها من خلال توفير المعلومات الحسية البصرية العظة الحركة (تدفق البصرية، ومحدودية مجال نجم عمر)، الدهليزي، kinaesthetic (المنفعلة حركة النفس مع عيون مغلقة)، أو البصرية والدهليزي kinaesthetic. وتألفت مسارات الحركة في الطائرات، أفقي السهمي وأمامي من أطوال الجزء 2 (1: 0.4 متر، 2: 1 م؛ ± 0.24 متر / ثانية تسارع الذروة 2). وكان في زاوية من الجزئين إما 45 درجة أو 90 درجة. وأشار المراقبون إلى أصلها عن طريق تحريك السهم الذي تم فرضه على الشخصية المقدمة على screEN.
مراقبون من المرجح أن نقلل من حجم زاوية للحركة في المستوى الأفقي مقارنة مع الطائرات العمودية. في المراقبون طائرة أمامي كانوا أكثر عرضة لحجم المبالغة في تقدير زاوية في حين لم يكن هناك انحياز من هذا النوع في المستوى السهمي. أخيرا، وردت من المراقبين أبطأ عند الإجابة على أساس الدهليزي-kinaesthetic المعلومات وحدها. الإنسان مسار التكامل على أساس الدهليزي-kinaesthetic المعلومات وحدها وبالتالي يأخذ وقتا أطول من المعلومات البصرية عندما موجودا. لافتا أن يتسق مع التقليل والمبالغة في زاوية واحدة انتقلت من خلال الطائرات في الأفقي والعمودي على التوالي، تشير إلى أن التمثيل العصبي للحركة على الذات من خلال الفضاء هو غير متناظرة والتي قد تتعلق بحقيقة أن حركة خبرة البشر في معظمها داخل أفقي الطائرة.
Protocol
1. كوكا Roboter محدودة
- جهاز محاكاة سيبرموتيون MPI يتكون من ستة الروبوت مشترك المسلسل في تكوين 3-2-1 (الشكل 1). لأنه يقوم على Robocoaster كوكا التجارية (أ تعديل KR-500 الروبوت الصناعي مع الحمولة 500). التعديلات المادية وهيكل الرقابة البرامج المطلوبة ليكون لها إعداد مرنة وآمنة التجريبية قد سبق وصفها، بما في ذلك سرعة جهاز محاكاة الحركة والقيود التسارع، والتأخير في وظيفة تحويل نظام 9. وتحدد التعديلات من هذا الإعداد السابقة أدناه.
الشكل 1. تمثيل رسومي للسيبرموتيون MPI الحالي مساحة عمل جهاز محاكاة.
- ملامح الحركة المعقدة التي تجمع بين الحركات الجانبية مع تناوب ممكنة مع محاكي سيبرموتيون MPI. محاور 1 و 4 و 6 كاليفورنيا ن تناوب مستمر. 4 أزواج من الأجهزة نهاية يتوقف المحور لحد 2 و 3 و 5 في كلا الاتجاهين. المدى الأقصى من الحركات الخطية وتعتمد بشدة على موقف الحركة من الذي يبدأ. وسيتم عرض الأجهزة الحالية نهاية للتوقف عن محاكي سيبرموتيون MPI في الجدول رقم 1.
محور مجموعة [درجة] كحد أقصى. سرعة [درجة / ثانية] محور 1 متواصل 69 محور 2 -128 إلى -48 57 محور 3 -45 إلى +92 69 محور 4 متواصل 76 المحور 5 -58 إلى +58 76 محور 6 متواصل 120
- قبل إجراء أي تجربة على جهاز محاكاة سيبرموتيون MPI، كل مسار الحركة التجريبية يخضع لمرحلة اختبار على جهاز كمبيوتر محاكاة كوكا (PC مكتب). في "PC مكتب" هو منتج خاص المباعة من قبل كوكا الذي يحاكي ذراع الروبوت الحقيقي ويشمل نظام التشغيل متطابقة والسيطرة تخطيط الشاشة كما الروبوت الحقيقي. ويظهر لمحة التخطيطي لنظام السيطرة على جهاز محاكاة سيبرموتيون MPI للتكوين المفتوح حلقة في الشكل 2.
الشكل 2. نظرة عامة تخطيطي لنظام التحكم في حلقة مفتوحة للمحاكي سيبرموتيون MPI. اضغط هنا للحصول على أكبر شخصية .
- تفاصيل سيطرةويمكن الاطلاع على tructure هنا 9. وباختصار، لتكوين حلقة مفتوحة مثل التي استخدمت في التجربة الحالية، والمسارات هي مبرمجة مسبقا عن طريق تحويل مسارات الإدخال في الإحداثيات الديكارتية إلى زوايا مساحة مشتركة من خلال الكينماتيكا معكوس (الشكل 2).
- نظام مراقبة MPI يقرأ في هذه الزيادات زاوية مشتركة المطلوب ويرسل هؤلاء إلى نظام الرقابة على أداء الحركات كوكا محور عبر التيارات الحركية. وترسل القيم محلل مشتركة لنظام الرقابة كوكا الذي يحدد المواقف الحالية زاوية مشترك بمعدل الداخلية لل12ms، والتي بدورها تؤدي الى زيادة المشترك القادم يمكن ان تقرأ في ملف من قبل نظام مراقبة MPI كذلك الكتابة بوصفها المشتركة الحالية زاوية المواقف إلى القرص. التواصل بين MPI وكوكا نظم التحكم بواسطة اتصال Ethernet باستخدام بروتوكول كوكا-مؤشر القوة النسبية.
- وترد مقعد رسكر (RECARO القطب موقف) مزودة بنظام حزام الأمان من 5 نقاط (شروت) إلى مبادرة الخوذ البيضاء الهيكلالفصل يشتمل على مسند للقدمين. تم تركيب هيكل السيارة للشفة من الذراع الالي (الشكل 3A). التجارب هي أيضا ممكن من المشاركين الجلوس داخل المقصورة المغلقة (الشكل 3B).
الشكل 3. MPI الإعداد محاكي سيبرموتيون. أ) تكوين لتجربة الحالية مع عرض الكريستال السائل. ب) تكوين لاجراء تجارب تتطلب المقصورة المغلقة مع جبهة إسقاط العرض ستيريو. ج) أحادية إسقاط الجبهة العرض. د) رئيس شنت العرض.
- كما يتم تنفيذ هذه التجربة في الظلام، وكاميرات الأشعة تحت الحمراء يسمح للرصد المرئي من غرفة التحكم.
2. تصور
- تكوينات متعددة تصور ممكن مع محاكي سيبرموتيون MPI بما في ذلك شاشات الكريستال السائل، ستيريو أو أحادية الإسقاط الأمامي، ويعرض رئيس شنت (الشكل 3). للتياروتقدم تجربة الاشارات البصرية لحركة الذاتي عن طريق شاشة LCD (الشكل 3A) 50 سم وضعها في الجبهة من المراقبين الذين تم اختبارها وإلا في الظلام.
- ولدت في عرض مرئي باستخدام Virtools 4،1 البرمجيات وتتألف من العشوائية، والوقت محدود حياة الميداني نقطة. وقد شغل ومتوازي المستطيلات تمتد ثماني وحدات الظاهري للجبهة، اليسار اليمين صعودا وهبوطا من وجهة نظر المشاركين (أي 16 × 16 × 8 وحدات في حجم) مع 200000 جسيمات متساوية الحجم تتألف من دوائر بيضاء 0.02 وحدة في قطر أمام خلفية سوداء. وقد وزعت عشوائيا النقاط عبر الفضاء (متجانسة التوزيع الاحتمالي في الفضاء). تم تحجيم الحركة في وحدات الظاهري لتتوافق 1-1 مع الحركة الجسدية (1 وحدة ظاهرية = 1 متر المادية).
- وظهر كل جسيم لمدة ثانيتين قبل التلاشي، وتظهر على الفور مرة أخرى في مكان عشوائي في الفضاء. وبالتالي تغير من نصف النقاط التيموقف في غضون ثانية واحدة. وعرضت النقاط بين مسافة 0.085 و 4 وحدات للمشاركين (زوايا بصرية المقابلة: 13 درجة ودرجة 0.3).
- وتزامن الحركة داخل مجال نقطة مع الحركة الجسدية التي تلقي مسارات الحركة من الكمبيوتر التحكم MPI تنتقل عن طريق اتصال Ethernet باستخدام بروتوكول UDP. عندما تتحرك من خلال الميدان نقطة وبقي متوسط عدد النقاط الثابتة لجميع الحركات. قدم هذا العرض لا مقياس الحجم المطلق، ولكن تدفق البصرية والمنظر الحركة كنقاط كانت المجالات مع حجم ثابت؛ يبحث الأصغر وفقا للمسافة النسبية للمراقب.
3. تصميم تجريبي
- 16 مشاركا، والذين كانوا من السذاجة لتجربة مع استثناء من مؤلف واحد (MB-C)، وارتدى الضوضاء الغاء سماعات مجهزة ميكروفون للسماح للاتصال ثنائي الاتجاه مع المجرب. وقد لعبت بشكل مستمر إضافية الضوضاء السمعية من خلال headpho غير مذكورة على مزيد من الضجيج قناع التي تنتجها الروبوت.
- تستخدم المشاركين عصا مخصصة لبناء مجهزة أزرار استجابة مع البيانات المرسلة من قبل اتصال Ethernet باستخدام بروتوكول UDP.
- وكان في زاوية من شرائح حركة 2 إما 45 درجة أو 90 درجة. وتألفت الحركات في الطائرات، أفقي السهمي وأمامي من: إلى الأمام واليمين (FR) أو اليمين إلى الأمام (RF)، نزولا إلى الأمام (مدافع)، أو إلى الأمام وأسفل (FD)، ونزولا نحو اليمين، (DR) أو نحو اليمين، النزولي (RD) حركات على التوالي (الشكل 4A).
الشكل 4. الداخلي. أ) تمثيل تخطيطي من المسارات المستخدمة في التجربة. ب) المعلومات الحسية المقدمة لكل نوع مسار اختبار. ج) الإشارة مهمة تستخدم للإشارة إلى الأصل من حيث المشاركين يعتقد أنها انتقلت من.rge.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لعرض أكبر شخصية.
- تم التلاعب بها من خلال توفير المعلومات الحسية البصرية (التدفق البصري، ومحدودية مجال نجم عمر)، الدهليزي، kinaesthetic (المنفعلة حركة النفس مع عيون مغلقة)، أو العظة الحركة البصرية والدهليزي kinaesthetic-(الشكل 4B).
- وتألفت حركة مسارات ذات أطوال الجزء 2 (1: 0.4 متر، 2: 1 م؛ ± 0.24 متر / ثانية تسارع الذروة 2؛ الشكل 4B). وتألفت مسارات ترجمة فقط. حدث لا التناوب من المشاركين. للحد من تدخل محتمل من الحركة قبل كل محاكمة، وضمان أن تم اختبار النظام الدهليزي بدءا من حالة مستقرة، سبقتها وقفة 15 ثانية في كل مسار.
- وأشار المراقبون إلى أصلها عن طريق تحريك السهم الذي تم فرضه على الشخصية المقدمة على الشاشة، الشكل (4C). كانت مقيدة حركة السهم لمسار الطائرة، والتي تسيطر عليها تيهو عصا التحكم. تم عرض وجهات النظر الشخصية من أمامي، السهمي والأفقي. تم السماح للمراقبين لاستخدام أي أو جميع وجهات النظر للرد. وكان التوجه بدءا من السهم العشوائية عبر المحاكمات.
- كما اشترط على المشاركين لافتا مهمة لتحويل عقليا وجهة نظرهم لافتا من أناني إلى تمثيل exocentric، أتيحت للمشاركين على تعليمات حول كيفية الإشارة إلى مصدرها مع الإشارة إلى الشخصية قبل الممارسة والتجارب التجريبية. وقال المشاركون أنه ينبغي الإشارة كما لو أن الشخصية كانت هيئة خاصة بهم. وصدرت تعليمات للمشاركين ثم للإشارة إلى أهداف مادية بالنسبة إلى الذات باستخدام تقنية قياس exocentric. على سبيل المثال، وصدرت تعليمات للمشاركين للإشارة إلى عصا التحكم يستريح في اللفة بهم في منتصف الطريق بينها وبين الشاشة، الأمر الذي يتطلب المشاركين للإشارة السهم إلى الأمام وإلى أسفل بالنسبة إلى الرمزية. وكان جميع المشاركين قادرين على تنفيذ هذهالمهام دون التعبير عن ارتباك.
- وتكرر كل حالة تجريبية 3 مرات، وقدم في ترتيب عشوائي. وقد تم تحليل خطأ وقعت وزمن الاستجابة والمتغيرات المستقلة في 2 3 منفصلة (طائرة) * 2 (الزاوية) * 3 (الطريقة) وكرر التدابير ANOVA. أزيلت أوقات الاستجابة من مشارك واحد ناشز المدقع من التحليل.
4. ممثل النتائج
وانهارت نتيجة خطأ وقعت عبر طرائق والزوايا كما لم يتم العثور على آثار كبيرة الرئيسي لهذه العوامل. 5A يوضح الشكل تأثير كبير الرئيسي لحركة طائرة (F (2،30) = 7.0، P = 0.003) حيث المراقبين التقليل من حجم زاوية ( متوسط البيانات أقل من 0 درجة) للحركة في الطائرة الأفقي (-8.9 درجة مئوية، SE 1.8). في المراقبون طائرة أمامي كانوا أكثر عرضة في المتوسط إلى المبالغة في تقدير حجم زاوية (5.3 درجة مئوية، SE 2.6)، في حين لم يكن هناك انحياز من هذا النوع في المستوى السهمي (-0.7 درجة مئوية، SE 3.7). WHوكان آثار إيل الرئيسي للزاوية وطريقة لم تكن كبيرة، وجدت زاوية للتفاعل بشكل كبير مع طائرة (F (2،30) = 11.1، P <0.001) مثل أن تضخيم في الطائرة الأمامية كانت أكبر بالنسبة للحركات من خلال 45 درجة مئوية (7.9 درجة ، SE 2.6) من خلال 90 درجة (2.8 درجة مئوية، SE 2.7)، في حين أن مثل هذا التناقض كان غائبا عن الطائرات الاخرى. وبالإضافة إلى ذلك، تم العثور على طريقة للتفاعل بشكل كبير مع زاوية (F (2،30) = 4.7، P = 0.017) بحيث يقلل من معلومات الدهليزي وحدها للحركات من خلال 90 درجة وكانت أكبر بكثير (-4.3 درجة مئوية، SE 2.1) مقارنة ب البصري (-2.0 درجة مئوية، SE 2.4) والمعلومات الدهليزي والبصرية مجتمعة (2.3 درجة مئوية، SE 2.2) الشروط، في حين مثل هذه التناقضات كانت غائبة عن الحركات من خلال 45 درجة. لم يكن تأثير كبير بين الموضوعات المطروحة للخطأ وقعت (F (1،15) = 0.7، P = 0.432). 5B الشكل يظهر نتائج زمن الاستجابة. كان هناك تأثير كبير الرئيسية للطريقة (F (2،28) = 22.6، P <0.001) حيث وردت من المراقبين الأبطأ في الإجابة على أساس الدهليزي-kinaesthetic المعلومات وحدها (11.0 ثانية، SE 1.0) مقارنة بصرية (9.3 ثانية، SE 0.8) والمشتركة (9.0 ق، SE 0.8) الظروف. كان هناك أيضا تأثير كبير الرئيسي للطائرة (F (2،28) = 7.5، P = 0.002) حيث وردت من المراقبين أبطأ عندما يتحرك في المستوى الأفقي (10.4 ثانية، SE 1.0) مقارنة مع سهمي (9.4 S، 0.8 SE ) وأمامي (9.4 ثانية، SE 0.9) طائرات. لم يكن هناك أي تأثير كبير الرئيسي للزاوية قطعة أو أي التفاعلات. فقد تم العثور على تأثير كبير بين الموضوعات المطروحة للزمن الاستجابة (F (1،14) = 129.1، P <0.001).
الشكل 5. النتائج. انهارت خطأ) توقيع عبر طريقة للطائرات التي تم اختبارها. ب) انهار زمن الاستجابة عبر طائرات الحركة للطرائقاختبار. أشرطة الخطأ + / - 1 ووزارة شؤون المرأة
Discussion
انتقلت تم دمج مسار أنشئت كذلك وسيلة تستخدم للحل حيث مراقب نشأت بل هو عرضة لليقلل من زاوية واحدة من خلال 5. نتائجنا تظهر هذه متعدية للحركة ولكن فقط في مستوى أفقي. في الطائرات العمودية المشاركين هم أكثر عرضة للالمبالغة في تقدير زاوية انتقلت من خلال أو ليس لديهم انحياز على الإطلاق. وهذه النتائج قد تفسر لماذا تقديرات ارتفاع اجتاز بين أكثر التضاريس تميل الى ان تكون مبالغا فيها (10) وأيضا لماذا الملاحة المكانية بين الطوابق المختلفة للمبنى فقير 11. ويمكن أيضا هذه النتائج تكون مرتبطة التماثل المعروفة في الحصة النسبية من الكييس إلى utricule مستقبلات (~ 0.58) 12. أبطأ زمن الاستجابة على أساس الدهليزي-kinaesthetic المعلومات وحدها بالمقارنة مع المعلومات البصرية عندما موجودا يوحي أنه قد يكون هناك مزيد من التأخير المرتبطة محاولة تحديد منشأ المرء بناء على الأدلة بالقصور الذاتي وحده، الذيتتم مقارنة بطيء قد تتصل الدراسات الحديثة تبين أن الإدراك الدهليزي على الحواس الأخرى 13-16. عموما نتائجنا تشير الى ان ويمكن استخدام استراتيجيات بديلة لتحديد منشأ المرء عندما يتحرك عموديا والتي قد تتعلق بحقيقة أن حركة خبرة البشر في معظمها داخل الطائرة الأفقي. كذلك، في حين شهدت نادرا ترجمة متتابعة وقوعها في معظم الأحيان في المستوى السهمي - حيث الأخطاء هي الحد الأدنى - مثل عندما نسير في اتجاه والتحرك على السلالم المتحركة. بينما في مرحلة ما بعد تجربة المقابلات لا تعكس استراتيجيات مختلفة بين الطائرات، وينبغي أن التجارب استكشاف هذا الاحتمال. ومن المقرر التجارب مع مسارات باستخدام درجة إضافية من الحرية، وأطول المسارات، مع الجسم بشكل مختلف نسبيا الموجه إلى الجاذبية، فضلا عن استخدام أكبر ميادين الرأي والتي هي الآن ممكن مع محاكي سيبرموتيون MPI للتحقيق مزيد من التكامل مسار الأداء في ثلاثة أبعاد.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
MPI بعد الدكتوراة رواتب إلى MB-C و TM؛ الكورية جبهة الخلاص الوطني (R31-2008-000-10008-0) إلى HHB. بفضل Beykirch كارل، مايكل Kerger وتيش يواكيم للمساعدة التقنية والمناقشة العلمية.
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).
