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Neuroscience

MPI Cyber​​Motion 시뮬레이터 : 가로, 세로, 높이로 Multisensory 경로 통합을 조사할 소설 모션 시뮬레이터의 구현

doi: 10.3791/3436 Published: May 10, 2012

Summary

인류가 3 차원에 서로를 탐색하는 방법에 대한 통찰력을 얻을 수있는 효율적인 방법이 설명되어 있습니다. 방법은 기존 시뮬레이터에 의해 얻기 어려운 방법으로 관찰 대상을 이동 가능한 모션 시뮬레이터의 활용합니다. 결과는 수직 운동이 과대 평가하는 동안 수평면의 움직임이, 과소 평가되었는지 확인합니다.

Abstract

경로 통합 정당 운동이 출발점 1 ~ 상대적으로 자기의 현재 위치의 견적을 얻기 위해 시간이 지남에 통합되는 과정이다. 인간은 시각 2-3, 청각 4, 또는 관성 단서 5 독점적 기반으로 경로 통합을 수행할 수 있습니다. 그러나, 여러 단서와 현재, 관성 단서는 - 특히 kinaesthetic - 6-7 지배 것 같습니다. 비전의 부재에서, 인간은 단거리 (<5m)과 회전 각도를 (<30 °) 과대 평가하지만, 5 긴 것들을 과소 평가하는 경향이 있습니다. 물리적 공간을 통해 운동 그러므로 정확하게 두뇌로 표현이 시원치 않습니다.

광범위한 작업은 수평면에서 경로 통합 평가에서 수행되었지만 거의 수직 운동 (비전 혼자의 가상 움직임에 대해 3 참조)에 대해 알려져 있습니다. 이것에 대한 한 가지 이유는 그 전통적인 모션 시뮬레이터는 모션 restric의 작은 범위를 가지고있다주로 수평면에 테드. 여기 경로 통합 수평 및 수직 비행기 사이의 유사 여부를 평가하는 운동의 큰 범위로 모션 시뮬레이터 8-9을 활용합니다. 경로 탐색을위한 관성 및 시각적 단서의 상대적인 기여도도 평가되었다.

16 관계자는 수정된 KUKA 의인화된 로봇 팔 플랜지에 탑재된 자리에 꼿꼿이 앉아 있었다. 감각 정보는 시각 (광학 흐름, 제한된 평생 스타 필드), (눈을 가진 수동형 셀프 모션 휴관) vestibular-kinaesthetic, 또는 시각과 vestibular-kinaesthetic 모션 단서를 제공하여 조작했습니다. 수평, 화살 및 전두엽 비행기의 운동의 탄도 두 세그먼트 길이 (; ± 0.24 m / s의 피크 가속 1m : : 0.4 m, 2 첫번째)로 구성되어. 두 세그먼트의 각도가 45 ° 또는 90 ° 중 하나였다. 관측 scre에 표시 아바타에 겹쳐되었다 화살표를 이동하여 자신의 근원으로 지적ko 페이지를 참조하십시오.

관측 수직 비행기에 비해 수평면에서 움직임을위한 각도 크기를 과소 평가 가능성이 더 높습했다. 전두엽 평면 관측에서는 그러한 편견은 화살 비행기에 없었습니다 동안 각도 크기를 과대 평가 가능성이 더 높습했다. vestibular-kinaesthetic 정보 실행형을 바탕으로 대답하면 마지막으로, 관찰자​​가 느리게 응답했습니다. vestibular-kinaesthetic 정보 실행형을 바탕으로 인간의 경로 통합함으로써 시각적 정보가 존재하는 경우보다 오래 걸립니다. 지목은 과소 평가하고 각도 하나가 각각 수평 및 수직 비행기로를 통해 이동되었습니다 과대 평가와 일관성이 있는지, 공간을 통해 자신의 운동 신경 표현 이내에 대부분 그 인간 경험 운동 사실에 관련된 수있는 비 대칭임을 암시 수평면.

Protocol

1. KUKA Roboter 게엠베하

  1. MPI의 CyberMotion 시뮬레이터는 3-2-1 구성에서 여섯 공동 직렬 로봇 (그림 1)으로 구성되어 있습니다. 그것은 상업적인 KUKA Robocoaster (500kg 페이로드로 바뀌었 KR-500 산업용 로봇)을 기반으로합니다. 유연하고 안전한 실험적인 설치를 위해 필요한 물리적인 개조 및 소프트웨어 제어 구조는 이전에 모션 시뮬레이터의 속도와 가속도 제한과 지연 및 시스템 9 전달 함수를 포함하여 설명되어왔다. 이 이전 설정에서 수정이 아래에 정의됩니다.

그림 1
그림 1. 현재 MPI의 CyberMotion 시뮬레이터 작업 공간의 그래픽 표현.

  1. 회전과 수평 움직임을 결합하여 복잡한 모션 프로파일은 MPI의 Cyber​​Motion 시뮬레이터로 가능합니다. 축 1, 4 및 6 CA N 지속적으로 돌린다. 하드웨어 4 쌍은 양방향으로 제한 축 2, 3과 5를 최종 중지합니다. 선형 움직임의 최대 범위는 운동이 시작있는 위치에 강하게 의존한다. MPI의 CyberMotion 시뮬레이터의 엔드 - 멈추면 현재 하드웨어는 표 1에 표시됩니다.
    범위 [있길] 맥스. 속도 [있길 / s의]
    축 일 끊임없는 69
    축 2 -128까지 -48 57
    축 세 -45의 92 69
    축 사 끊임없는 76
    축 5 -58의 58 76
    축 6 끊임없는 120
MPI의 CyberMotion 시뮬레이터의 NT "> 표 1. 현재의 기술 사양.

  1. 모든 실험은 MPI의 Cyber​​Motion 시뮬레이터에서 수행되기 전에 각각의 실험적인 모션 궤도는 KUKA 시뮬레이션 P​​C (사무실 PC)에 대한 테스트 단계를 겪습. "사무실 PC는"실제 로봇 팔을 시뮬레이션과 실제 로봇과 같은 동일한 운영 체제와 제어 화면 레이아웃을 포함 KUKA 의해 판매 특별한 제품입니다. 오픈 루프 구성을위한 MPI CyberMotion 시뮬레이터의 제어 시스템의 개략도 개요는 그림 2에 표시됩니다.

그림 2
그림 2. MPI CyberMotion 시뮬레이터의 오픈 루프 제어 시스템의 도식 개요. 큰 그림을 보시려면 여기를 클릭하세요 .

  1. 컨트롤 s의 세부 사항tructure 여기 아홉 찾을 수 있습니다. 간단히, 이러한 현재의 실험에서 사용한 것과 같은 오픈 루프 구성을 위해, 궤도는 역 운동학 (그림 2)를 통해 공동 공간 각도로 직교 좌표에 입력 궤도를 변환하여 미리 프로그램된 있습니다.
  2. MPI 제어 시스템이 원하는 관절 각도 단위로 읽고 모터 전류를 통해 축 움직임을 수행하기 위해 KUKA 제어 시스템으로 보냅니다. 공동 확인자 값은 물론 현재 공동 작성으로 나아가 MPI 제어 시스템에 의해 파일에서 읽을 수 있도록 다음 공동 증가를 실행할 12ms의 내부 속도,로 현재 공동 각도 위치를 결정 KUKA 제어 시스템으로 전송됩니다 디스크 각도 위치. MPI와 KUKA 제어 시스템 간의 통신은 KUKA-RSI 프로토콜을 사용하여 이더넷 연결하는 것입니다.
  3. 5 포인트 안전 벨트 시스템 (Schroth)을 갖춘 레이싱카 시트 (RECARO 장대 포지션)이 섀시 whi에 첨부되어채널이 발판이 포함되어 있습니다. 섀시는 로봇 팔 (그림 3A)의 플랜지에 마운트됩니다. 실험은 밀폐된 선실 (그림 3B) 이내 좌석 참가자도 가능합니다.

그림 3
그림 3. MPI의 CyberMotion 시뮬레이터 설치. LCD 디스플레이와 전류 실험을위한) 구성. B 프런트 프로젝션 입체 디스플레이 밀폐된 선실을 필요로하는 실험)를 구성. C) 프론트 프로젝션 모노 디스플레이. D) 헤드 디스플레이를 탑재.

  1. 실험이 어둠 속에서 수행되는 바와 같이, 적외선 카메라는 통제실에서 시각적인 모니터링을 허용합니다.

2. 시각화

  1. 여러 시각화 구성이 LCD, 스테레오 또는 모노 프런트 프로젝션, 그리고 헤드 마운트 디스플레이 (그림 3)를 포함하여 MPI의 CyberMotion 시뮬레이터로 가능합니다. 전류자기 운동에 대한 실험을 시각적 단서가 달리 어둠 속에서 테스트되었습니다 관측 앞에서 50 센티미터 위치 LCD 디스플레이 (그림 3A)에 의해 제공됩니다.
  2. 시각적 프레 젠 테이션은 Virtools 4.1 소프트웨어를 사용하여 생성하고 임의의 제한된 수명 시간 닷컴 필드로 구성되어되었다. 참가자의 관점 (즉, 16 x 16 픽셀 크기의 X 8 대)에서 앞, 오른쪽, 왼쪽, 위쪽 및 아래쪽 여덟 가상 장치를 확장 투자골은 흰색 동그라미로 0.02 단위로 구성된 200,000 동등한 크기의 입자로 가득 차 있었다 검은 배경 앞에 직경 인치 점들은 무작위 공간 (공간 내에서 균일한 확률 분포)를 통해 배포되었습니다. 가상 단위로 운동은 신체 운동 (1 가상의 단위 = 1 물리 미터)와 함께 1 ~ 1 대응에 따라 결정되었다.
  3. 각 입자는 사라지는 이전에 2 초 동안 표시되며 즉시 공간 내의 임의의 위치에 다시 게재되었다. 따라서 점들의 절반이 변경들​​은일초 이내에 위치. 0.085, 4 단위의 거리를 사이에 점 (dot)은 참가자 (: 13 °와 0.3 ° 해당 시각적 각도)로 표시되었다.
  4. 도트 필드 내에서 이동은 UDP 프로토콜을 사용하여 이더넷 연결을 통해 전염 MPI 제어 컴퓨터에서 모션 궤도를 수신하여 물리적인 움직임과 동기화되었습니다. 도트 필드로 이동하면 점의 평균 개수는 모든 움직임을 위해 끊임없이있었습니다. 이 전시에는 절대적인 크기의 규모를 제공하지 않았지만, 도트 등의 광학 흐름 및 모션 시차는 고정된 크기 분야였으며, 관찰자​​에 상대적으로 그들의 거리에 따라 작아 보이 네요.

3. 실험 디자인

  1. 한 작가 (MB-C)를 제외한 실험 순진 했었죠, 16 참가자, 입고 소음 - 취소 실험자와 양방향 통신을 허용하는 마이크가 장착된 헤드폰. 추가 청각 잡음이 지속 headpho 통해 재생되었다 로봇에 의해 생산되는 추가 마스크 잡음 선.
  2. 참가자는 UDP 프로토콜을 사용하여 이더넷 연결에 의해 전송된 데이터와 응답 버튼이 장착된 사용자 정의 내장 조이스틱을 사용.
  3. 두 운동 세그먼트의 각도가 45 ° 또는 90 ° 중 하나였다. 수평, 화살 및 전두엽 비행기의 움직임이 구성되어 : 미래 rightward (FR) 또는 rightward 감기 (RF), 아래쪽 전달 (DF) 또는 (FD) 미래 하향, 그리고 아래쪽 rightward (DR) 또는 rightward- 각각 하향 (R & D) 동작 (그림 4A).

그림 4
그림 4. 절차. 실험에 사용된 궤도의) 도식 표현. 나) 감각 정보가 테스트한 각 궤도 형식에 제공. C) 참가자들은 이동이되지 않았을까 어디의 출처를 표시하는 데 사용되는 작업을 가리키며.rge.jpg "대상 ="_blank "> 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 감각 정보를 제공하여 조작되었다 시각 (광학 흐름, 제한된 평생 스타 필드), (눈을 가진 수동형 셀프 모션 휴관) vestibular-kinaesthetic, 또는 시각과 vestibular-kinaesthetic 모션 단서 (그림 4B).
  2. 운동의 탄도 두 세그먼트 길이 (; ± 0.24 m / s의 피크 가속, 그림 4B 1m : : 0.4 m, 2 첫번째)로 구성되어. 탄도는 번역 구성되어. 참가자의 어떠한 회전가 발생하지. 운동의 사전 각각의 재판을 가능한 간섭을 줄이고 vestibular 시스템이 안정된 상태에서 시작하는 테스트되었는지 확인하려면 15의 정지는 각 궤도를 선행.
  3. 관측 화면 (그림 4c)에 발표 아바타에 겹쳐되었다 화살표를 이동하여 자신의 근원으로 지적했다. 화살표 운동은 궤도의 비행기에 제약과 T에 의해 통제되었다그는 조이스틱. 아바타는 전두엽 화살과 수평 입장에서 만납니다. 관계자는 답변 또는 전부 시점을 사용하도록 허용되었다. 화살표의 시작 방향은 시련에 걸쳐 무작위로했습니다.
  4. 포인팅 작업이 참가자들이 정신적으로 exocentric 표현으로 자기 중심에서 자신의 지적 관점을 변환하는 데 필요한로서 참가자는 사전 연습과 실험적인 시도로 아바타에 대한 참조와 함께 자신의 원점으로 돌아 가리 키도록하는 방법에 대한 지침을 받았습니다. 참가자는 아바타가 자신의 신체처럼 포인팅이 만들어되어야한다고 들었다. 참가자는 다음 exocentric 측정 기법을 이용하여 자체에 상대적으로 물리적 대상을 가리 키도록 지시했다. 예를 들어, 참가자 자신과 참가자들이 아바타에 상대적으로 순방향 및 아래쪽 화살표를 가리 키도록 필요한 화면 사이에 자신의 무릎 은하수 절반에 쉬고있는 조이스틱을 가리 키도록 지시했다. 모든 참가자들은 다음을 수행할 수 있었다혼동을 표현하지 않고 작업.
  5. 각 실험 조건은 3 회 반복하고 무작위 순서로 제시되었다. 서명 오류 및 응답 시간은 두 개의 분리된 3 (비행기) * 2 (각도) * 3 (양상)이 조치 ANOVA 반복의 종속 변수로 분석되었다. 한 가지 국외자 참가자의 응답 시간 분석에서 제거되었습니다.

4. 대표 결과

더 심각한 주요 효과는 이러한 요소를 찾을 수 없습니다로 서명 오류 결과는 modalities 및 각도에 걸쳐 붕괴된다. 그림 5A이 관계자는 각도의 크기를 과소 이동 비행기의 중요한 주요 효과 (F (2,30) = 7.0, P = 0.003) (보여줍니다 수평면에서 운동을위한) 0 ° 미만의 데이터 평균 (-8.9 °, SE 1.8). 그런 편견은 화살 비행기 (-0.7 °, SE 3.7)에 없었습니다 동안 전두엽 비행기 관측에서 각도의 크기 (5.3 °, SE 2.6) 과대 평가하기 평균 가능성이 더 높습했다. 누각도와 양상의 ile 주요 효과는 크게 아니라, 각도가 크게 비행기와 상호 작용하는 것으로 판명 (F (2,30) = 11.1, P <0.001) 전두엽 비행기의 과대 평가는 45 ° (7.9을 통해 움직임을 위해 더 큰 것을 같은 °되었다 , SE 2.6) 90을 통해보다 ° (2.8 °, SE 2.7), 이러한 차이가 다른 비행기에 대한 결석 동안. 또한, 양상은 (-4.3 °, SE 2.1)로 90 °까지 움직임을위한 혼자 vestibular 정보를 underestimates 상당히 큰 것을 같은 비교 (F (2,30) = 4.7 P = 0.017) 크게 각도와 상호 작용하는 것으로 확인되었다 이러한 불일치는 45 °를 통해 운동에 대한 결석 동안 시각 (-2.0 °, SE 2.4)와 vestibular과 시각 정보는 (2.3 °, SE 2.2) 조건을 결합하여. 과목 효과 사이에는 상당한 서명 오류 (F (1,15) = 0.7, P = 0.432)에 없었습니다. 그림 5B는 응답 시간 결과를 보여줍니다. 의 중요한 주요 효과가 발생했습니다(9.0 (9.3 초, SE 0.8) 영상과 결합에 비해 vestibular-kinaesthetic 정보 실행형 (11.0 초, SE 1.0)을 기반으로 응답하면 관측이 느린이 반응 양상 (F (2,28) = 22.6, P <0.001) 초, SE 0.8) 조건. 수평면 (10.4 초, SE 1.0)에 이사 왔을 때 옵서버가 화살 (9.4 초, SE 0.8에 비해 느린이 반응 비행기의 중요한 주요 효과 (F (2,28) = 7.5, P = 0.002)도 발생했습니다 )과 전두엽 (9.4 초, SE 0.9) 비행기. 세그먼트 각도의 더 큰 주요 효과 또는 상호 작용이 없었다. 과목 효과 사이에 상당한은 응답 시간 (F (1,14) = 129.1, P <0.001)에 발견되었다.

그림 5
그림 5. 결과. ) 서명 오류 테스트 비행기에 대한 양상을 가로질러 무너졌습니다. 나) 반응 시간은 modalities에 대한 이동 비행기에 걸쳐 붕괴테스트했습니다. 한 SEM - 오류 막대는 + / -이다

Discussion

경로 통합이 잘 관찰자가 발생한 위치 해결하는 데 사용되는 것을 의미하지만, 앵글 하나의 underestimates하는 경향이있다으로 자리매김하고 5를 통해 이동되었습니다. 우리의 결과는 translational 운동을 위해 오직 수평면 내에서 이것을 보여줍니다. 수직 비행기에서 참가자들은 각도를 통해 이동 과대 평가하거나 전혀 편견이 없다 가능성이 더 높습니다. 해발 고도 지형 통과 - 이상의 견적이 10 과장하는 경향이 있으며 이유는 건물의 다른 층 사이의 공간적 탐색 11 가난한 사람이 왜 이러한 결과는 설명할 수 있습니다. 이러한 결과는 또한 수용체 (~ 0.58) 12 utricule하기 saccule의 상대적 비율에 알려진 asymmetries과 관련이있을 수 있습니다. 시각 정보가 존재하는 경우에 비해 vestibular-kinaesthetic 정보 실행형을 바탕으로 느린 응답 시간은 혼자 관성 단서를 기반으로 자기의 근원을 파악하려고 애쓰고과 관련된 추가적인 지연,있을 수 있다고 암시하는그 vestibular 인식을 보여주는 최근의 연구와 관련된 수가 느린 다른 감각 13-16과 비교됩니다. 전반적으로 우리의 결과는 수평면 내에서 주로 그 인간 경험 운동 사실에 관련된 수있는 수직으로 이동할 때 자기의 원산지를 결정하기위한 대안 전략을 사용할 수있다는 것을 권장합니다. 순차 번역이 거의 경험하지하는 동안 추가로, 그들은 화살 비행기에서 가장 자주 발생합니까 - 이러한 우리쪽으로 걸어와 에스 컬레이터를 이동할 때 등 - 오류가 최소한 어디에. 사후 실험 인터뷰 비행기 간의 서로 다른 전략을 반영하지 않은 반면, 실험은이 가능성을 탐구한다. 중력에 몸을 함께 다르게 지향 친척 자유, 더 이상 경로 추가로 학위를 사용할뿐만 아니라 MPI의 Cyber​​Motion 시뮬레이터으로 지금 가능 전망이 큰 분야를 사용하여 궤도와 실험은 추가로 가로, 세로, 높이로 경로 통합 성능을 조사하기 위해 계획되어 있습니다.

Disclosures

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

Acknowledgments

MPI Postdoc은 메가바이트-C 및 TM에 stipends, 한국어 NRF (R31-2008-000-10008-0) HHB 있습니다. 칼 Beykirch 덕분에 기술 지원 및 과학 토론 마이클 Kerger & 요아킴 Tesch.

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MPI Cyber​​Motion 시뮬레이터 : 가로, 세로, 높이로 Multisensory 경로 통합을 조사할 소설 모션 시뮬레이터의 구현
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Barnett-Cowan, M., Meilinger, T., Vidal, M., Teufel, H., Bülthoff, H. H. MPI CyberMotion Simulator: Implementation of a Novel Motion Simulator to Investigate Multisensory Path Integration in Three Dimensions. J. Vis. Exp. (63), e3436, doi:10.3791/3436 (2012).More

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