Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

MPI CyberMotion Simulator: Gjennomføring av en roman Motion Simulator til Undersøke multisensorisk Sti Integrering i tre dimensjoner

doi: 10.3791/3436 Published: May 10, 2012

Summary

En effektiv måte å få innsikt i hvordan mennesker navigerer seg i tre dimensjoner er beskrevet. Metoden utnytter en bevegelse simulator kan bevege observatører på måter uoppnåelig med tradisjonelle simulatorer. Resultatene bekrefter at bevegelse i horisontalplanet er undervurdert, mens vertikale bevegelsen er overvurdert.

Abstract

Bane integrering er en prosess der selv-motion er integrert over tid for å få et anslag over ens nåværende posisjon i forhold til et utgangspunkt en. Mennesker kan gjøre stien integrasjon basert utelukkende på 2-3 visuell, auditiv 4, eller treghet signaler fem. Men med flere signaler til stede, treghet signaler - spesielt kinestetisk - synes å dominere 6-7. I fravær av visjon, mennesker har en tendens til å overvurdere korte avstander (<5 m) og snu vinkler (<30 °), men undervurdere lengre de fem. Bevegelse gjennom fysisk plass derfor ikke synes å være korrekt representert av hjernen.

Omfattende arbeid har vært gjort på å vurdere sti integrering i horisontalplanet, men lite er kjent om vertikal bevegelse (se 3 for virtuell bevegelse fra visjon alene). En årsak til dette er at tradisjonelle motion simulatorer har et lite utvalg av bevegelse begrensningerted hovedsakelig til horisontalplanet. Her har vi dra nytte av en bevegelse simulator 8-9 med et stort spekter av bevegelse til å vurdere om stien integrering er lik mellom horisontale og vertikale plan. De relative bidragene av treghet og visuelle signaler for sti navigasjon ble også vurdert.

16 observatører satt oppreist i et sete montert i flensen en modifisert Kuka antropomorf robot arm. Sensorisk informasjon ble manipulert ved å gi visuelle (optisk flyt, begrenset levetid stjerne felt), vestibulær-kinestetisk (passiv selv bevegelse med øynene lukket), eller visuell og vestibulær-kinestetisk bevegelse signaler. Movement baner i de horisontale og sagittal og frontal plan besto av to segment lengder (første: 0,4 m, andre: 1 m, ± 0.24 m / s 2 peak akselerasjon). Vinkelen på de to segmentene var enten 45 ° eller 90 °. Observatører peker tilbake til opprinnelsen sin ved å bevege en pil som ble lagt oppå en avatar presentert på screno.

Observatører var mer sannsynlig å undervurdere vinkel størrelse for bevegelse i horisontalplanet i forhold til de vertikale plan. I frontal plan observatørene var mer sannsynlig å overvurdere vinkel størrelse, mens det var ingen slik skjevhet i sagittal planet. Til slutt svarte observatører tregere når du svarer basert på vestibulær-kinestetisk informasjon alene. Menneskelig sti integrasjon basert på vestibulær-kinestetisk informasjon alene tar dermed lengre tid enn når visuell informasjon er til stede. Det peker er konsistent med underslår og overestimere vinkel man har beveget seg gjennom i de horisontale og vertikale plan henholdsvis antyder at det nevrale representasjon av selv-bevegelse gjennom rommet er ikke-symmetrisk som kan forholde seg til det faktum at mennesker opplever bevegelse meste innen horisontalplanet.

Protocol

1. Kuka Roboter GmbH

  1. MPI CyberMotion Simulator består av en seks-joint seriell robot i en 3-2-1 konfigurasjon (figur 1). Den er basert på det kommersielle Kuka Robocoaster (en modifisert KR-500 industrirobot med en 500 kg nyttelast). De fysiske modifikasjoner og programvaren styringsstrukturen som trengs for å ha en fleksibel og sikker eksperimentelle oppsettet har tidligere blitt beskrevet, inkludert bevegelse simulatoren hastighet og akselerasjon begrensninger, og de ​​forsinkelser og overføring funksjon av systemet 9. Modifiseringer fra dette tidligere oppsettet er definert nedenfor.

Figur 1
Figur 1. Grafisk fremstilling av gjeldende MPI CyberMotion Simulator arbeidsplass.

  1. Komplekse bevegelse profiler som kombinerer sidebevegelsen med rotasjoner er mulig med MPI CyberMotion Simulator. Akser 1, 4 og 6 ca n rotere kontinuerlig. 4 par hardware end-stopper grensen 2 Axis, 3 og 5 i begge retninger. Den maksimale rekkevidde av lineære bevegelser er sterkt avhengig av posisjonen som bevegelsen begynner. Den nåværende maskinvare end-stopper av MPI CyberMotion Simulator er vist i tabell 1.
    Axis Range [grader] Max. hastighet [grader / s]
    Axis 1 Kontinuerlig 69
    Axis 2 -128 Til -48 57
    Axis 3 -45 Til 92 69
    Axis 4 Kontinuerlig 76
    Axis 5 -58 Til 58 76
    Axis 6 Kontinuerlig 120
NT "> Tabell 1. gjeldende tekniske spesifikasjoner for MPI CyberMotion Simulator.

  1. Før noen eksperiment er utført på MPI CyberMotion Simulator, gjennomgår hver eksperimentell bevegelse bane en testfasen på en Kuka simulering PC (Office PC). "Office PC" er et spesielt produkt solgt av Kuka som simulerer den virkelige robotarmen og omfatter identiske operativsystemet og kontroll skjermen layout som den virkelige robot. En skjematisk oversikt over styringen av MPI CyberMotion Simulator for en open-loop konfigurasjon er vist i figur 2.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk oversikt over den åpne sløyfe kontrollsystem av MPI CyberMotion Simulator. Klikk her for større figur .

  1. Detaljene i kontrollen structure finner du her ni. I korte trekk, for en open-loop konfigurasjon som den som brukes i dagens eksperiment, baner er ferdig programmert ved å konvertere inndata baner i kartesiske koordinater til felles plass vinkler gjennom inverse kinematikk (figur 2).
  2. MPI styresystem leser i disse ønskede felles vinkel trinn og sender disse til Kuka kontrollsystem for å utføre aksen bevegelser via motoriske strømninger. Felles resolver verdier blir sendt til Kuka kontrollsystem som bestemmer dagens felles vinkel posisjoner på en internrente 12ms, som i sin tur utløse den neste leddet tilveksten skal leses inn fra fil ved MPI styresystem samt skrive gjeldende felles vinkel posisjoner til disk. Kommunikasjon mellom MPI og Kuka kontroll systemer er av en Ethernet-tilkobling ved hjelp av Kuka-RSI-protokollen.
  3. En racecar sete (RECARO Pole Position) utstyrt med en 5-punkts sikkerhetsbelte system (Schroth) er festet til et chassis Which har en fotstøtte. Chassiset er montert til flensen på robotarmen (figur 3a). Eksperimenter er også mulig ved sittegrupper aktører innen en lukket kabin (figur 3b).

Figur 3
Figur 3. MPI CyberMotion Simulator oppsett. a) Konfigurasjon for inneværende eksperimentere med LCD display. b) Konfigurasjon for eksperimenter som krever en lukket kabin med fronten projeksjon stereo display. c) Foran projeksjon mono skjerm. d) Head Mounted Display.

  1. Etter hvert som eksperimentet utføres i mørket, infrarøde kameraer tillater visuell overvåking fra kontrollrommet.

2. Visualisering

  1. Flere visualisering konfigurasjoner er mulig med MPI CyberMotion Simulator inkludert LCD, stereo eller mono foran projeksjon, og hode montert skjermer (figur 3). For inneværendeeksperimentere visuelle pekepinner til selv-motion er levert av en LCD-skjerm (figur 3a) plassert 50 cm foran observatørene som ble ellers testet i mørket.
  2. Den visuelle presentasjonen ble generert ved hjelp Virtools 4.1 software og besto av en tilfeldig, begrenset levetid dot-feltet. En cuboid utvide åtte virtuelle enheter til fronten, høyre, venstre, oppover og nedover fra synspunkt av deltakeren (dvs. 16 x 16 x 8 enheter i størrelse) ble fylt med 200.000 like store partikler som består av hvite sirklene 0,02 enheter i diameter foran en svart bakgrunn. Prikkene ble tilfeldig fordelt over hele plassen (homogen sannsynlighetsfordeling i rommet). Bevegelse i virtuelle enheter ble skalert å tilsvare 1-1 med fysisk bevegelse (1 virtuell enhet = 1 fysisk meter).
  3. Hver partikkel ble vist i to sekunder før forsvinning og straks dukke opp igjen på et tilfeldig sted i rommet. Dermed halvparten av prikkene endret sittposisjon innen ett sekund. Dots mellom en avstand på 0,085 og 4 enheter ble vist til deltakerne (tilsvarende visuelle vinkler: 13 ° og 0,3 °).
  4. Bevegelse innenfor dot feltet ble synkronisert med fysisk bevegelse ved å motta bevegelse baner fra MPI kontroll datamaskinen overføres av en Ethernet-tilkobling ved hjelp av UDP-protokollen. Når du går gjennom dot-feltet gjennomsnittlig antall prikker oppholdt konstant for alle bevegelser. Denne skjermen forutsatt ingen absolutt størrelse skala, men optisk flyt og bevegelse parallakse som prikker var kuler med en fast størrelse, ser mindre henhold til avstanden i forhold til observatøren.

3. Eksperimentell Design

  1. 16 deltakere, som var naive til forsøket med unntak av en forfatter (MB-C), hadde støyreduserende hodetelefoner utstyrt med en mikrofon for å tillate to-veis kommunikasjon med eksperimentator. Ekstra auditiv støy ble kontinuerlig spilt gjennom headpho Nes ytterligere maske støy fra roboten.
  2. Deltakerne brukte en tilpasset bygget joystick utstyrt med respons knapper med dataene som overføres av en Ethernet-tilkobling ved hjelp av UDP-protokollen.
  3. Vinkelen på de to bevegelsene segmentene var enten 45 ° eller 90 °. Bevegelser i de horisontale og sagittal og frontal plan besto av: forover-rightward (FR) eller rightward framover (RF), nedover-forover (DF) eller frem nedover (FD), og nedover-rightward (DR) eller rightward- nedover (RD) bevegelser henholdsvis (figur 4a).

Figur 4
Figur 4. Prosedyre. a) Skjematisk fremstilling av baner brukt i forsøket. b) Sensorisk opplysninger for hver bane typetestet. c) Peker oppgave brukes for å indikere opprinnelsen til der deltakerne mente at de hadde flyttet fra.rge.jpg "target =" _blank "> Klikk her for større figur.

  1. Sensorisk informasjon ble manipulert ved å gi visuell (optisk flyt, begrenset levetid stjerne felt), vestibulær-kinestetisk (passiv selv bevegelse med øynene lukket), eller visuelle og vestibulær-kinestetisk motion pekepinner (figur 4b).
  2. Movement baner besto av to segment lengder (første: 0,4 m, andre: 1 m, ± 0.24 m / s 2 spissakselerasjon; figur 4b). Baner besto av oversettelse bare. Ingen rotasjoner av deltakerne skjedde. For å redusere mulig forstyrrelse av bevegelse før hvert forsøk, og sørge for at det vestibulære systemet ble testet fra en steady state, innledes en 15 s pause hver bane.
  3. Observatører peker tilbake til opprinnelsen sin ved å bevege en pil som ble lagt oppå en avatar presentert på skjermen (figur 4c). Bevegelse av pilen var begrenset til banen i flyet og kontrollert av than styrespaken. Avataren ble presentert fra frontale, sagittal og horisontal synspunkter. Observatører fikk lov til å bruke noen eller alle synspunkter for å svare. Den starter orientering av pilen var randomisert tvers studier.
  4. Som peker oppgaven kreves deltakerne mentalt forvandle deres peker perspektiv fra en egosentrisk til en exocentric representasjon, ble deltakerne gitt instruksjoner om hvordan å peke tilbake til deres opprinnelse med henvisning til avatar før praksis og eksperimentelle studier. Deltakerne ble fortalt at peker bør gjøres som om avataren var deres egen kropp. Deltakerne ble så bedt om å peke på fysiske mål i forhold til selv å bruke exocentric måleteknikken. For eksempel, ble deltakerne bedt om å peke på styrespaken hviler på deres runde halvveis mellom seg og skjermen, som krevde deltakerne til å peke pilen fremover og ned i forhold til avatar. Alle deltakerne var i stand til å utføre disseoppgaver uten uttrykker forvirring.
  5. Hver eksperimentell tilstand ble gjentatt 3 ganger og presentert i tilfeldig rekkefølge. Signert feil og responstid ble analysert som avhengige variabler i to separate 3 (plan) * 2 (vinkel) * 3 (modalitet) gjentatt tiltak ANOVA. Responstiden fra en ekstrem avvikende deltaker ble fjernet fra analysen.

4. Representative Resultater

Signerte feil resultater kollapset på tvers av modaliteter og vinkler som ingen signifikante hovedeffekter ble funnet for disse faktorene. Figur 5a viser den betydelige viktigste effekten av bevegelse fly (F (2,30) = 7,0, p = 0,003) hvor observatører undervurdert vinkel størrelse ( gjennomsnittsdata mindre enn 0 °) for bevegelse i horisontalplanet (-8,9 °, se 1.8). I frontal plan observatørene var mer sannsynlig i gjennomsnitt å overvurdere vinkel størrelse (5,3 °, se 2.6), mens det var ingen slik skjevhet i sagittal planet (-0,7 °, se 3.7). WhIle viktigste effektene av vinkel og modalitet var ikke signifikant, ble vinkelen funnet å signifikant samhandle med fly (F (2,30) = 11,1, p <0,001) slik at overvurderer i frontal plan var større for bevegelser gjennom 45 ° (7,9 ° , se 2.6) enn 90 ° (2,8 °, se 2.7), mens et slikt avvik var fraværende for de andre flyene. I tillegg ble modalitet funnet å signifikant samhandle med vinkel (F (2,30) = 4,7, p = 0,017) slik at undervurderer fra vestibulær informasjon alene for bevegelser gjennom 90 ° var betydelig større (-4,3 °, se 2.1) i forhold til den visuelle (-2,0 °, se 2.4) og vestibulære og visuell informasjon kombinert (2,3 °, se 2.2) betingelser, mens slike avvik var fraværende for bevegelser gjennom 45 °. Ingen signifikant mellom fag effekten var for signert feil (F (1,15) = 0,7, p = 0,432). Figur 5b viser responstiden resultatene. Det var en signifikant hovedeffekt avmodalitet (F (2,28) = 22,6, p <0,001) hvor observatører reagerte tregeste når du svarer basert på vestibulær-kinestetisk informasjon alene (11,0 s, 1.0 SE) sammenlignet med det visuelle (9,3 s, se 0.8) og kombinerte (9,0 s, SE 0,8) forhold. Det var også en signifikant hovedeffekt av flyet (F (2,28) = 7,5, p = 0,002) hvor observatører reagerte tregeste når flyttet i horisontalplanet (10.4 s, se 1.0) sammenlignet med sagittal (9,4 s, se 0.8 ) og frontale (9,4 s, se 0.9) fly. Det var ingen signifikant hovedeffekt av segment vinkel eller noen interaksjoner. En betydelig mellom fagene effekt ble funnet for responstid (F (1,14) = 129,1, p <0,001).

Figur 5
Figur 5. Resultater. a) Undertegnet feil kollapset over modalitet for flyene som ble testet. b) Responstid kollapset over bevegelsene fly for modalitetertestet. Feilfelt er + / - 1 sem

Discussion

Sti integrasjon har blitt godt etablert som et middel til å løse der en observatør opprinnelse, men er utsatt for undervurderer av vinkelen man har beveget seg gjennom fem. Våre resultater viser dette for translasjonell bevegelsen, men bare innenfor horisontalplanet. I de vertikale flyene deltakerne er mer sannsynlig å overvurdere vinkelen flyttet gjennom eller har ingen skjevhet i det hele tatt. Disse resultatene kan forklare hvorfor beregninger av høyde krysset-over terreng tendens til å være overdrevet 10 og også hvorfor romlig navigasjon mellom ulike etasjene i en bygning er dårlig 11. Disse resultatene kan også være relatert til kjente asymmetrier i den relative andelen av saccule til utricule reseptorer (~ 0,58) 12. Langsommere responstid basert på vestibulær-kinestetisk informasjon alene i forhold til når visuell informasjon er til stede tyder på at det kan være ytterligere forsinkelser i forbindelse med å prøve å fastslå ens opprinnelse basert på treghet pekepinner alene, somkan forholde seg til nyere studier som viser at vestibulær oppfatning er treg i forhold til de andre sansene 13-16. Samlet våre resultater tyder på at alternative strategier for å bestemme ens opprinnelse kan brukes når du flytter vertikalt som kan forholde seg til det faktum at mennesker opplever bevegelse meste innenfor horisontalplanet. Videre, mens sekvensiell oversettelser sjelden opplevd de forekommer oftest i sagittal planet - hvor feilene er minimal - slik som når vi går mot og gå på en rulletrapp. Mens post-eksperimentet intervjuer ikke reflekterer ulike strategier blant flyene, bør eksperimenter utforske denne muligheten. Eksperimenter med baner å bruke ekstra frihetsgrader, lengre baner, med kroppen annerledes orientert i forhold til tyngdekraften, samt å bruke større synsfelt som er nå mulig med MPI CyberMotion Simulator er planlagt ytterligere undersøke sti integrering ytelse i tre dimensjoner.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

MPI Postdoc stipend til MB-C og TM, koreansk NRF (R31-2008-000-10008-0) til HHB. Takket Karl Beykirch, Michael Kerger og Joachim Tesch for teknisk assistanse og vitenskapelig diskusjon.

References

  1. Loomis, J. M., Klatzky, R. L., Golledge, R. G. Navigating without vision: Basic and applied research. Optometry and Vision Science. 78, 282-289 (2001).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Gärling, T., Böök, A., Lindberg, E., Arce, C. Is elevation encoded in cognitive maps. Journal of Environmental Psychology. 10, 341-351 (1990).
  11. Montello, D. R., Pick, H. L. J. Integrating knowledge of vertically aligned large-scale spaces. Environment and Behaviour. 25, 457-483 (1993).
  12. 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).
  13. Barnett-Cowan, M., Harris, L. R. Perceived timing of vestibular stimulation relative to touch, light and sound. Experimental Brain Research. 198, 221-231 (2009).
  14. Barnett-Cowan, M., Harris, L. R. Temporal processing of active and passive head movement. Experimental Brain Research. 214, 27-35 (2011).
  15. 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).
  16. 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).
MPI CyberMotion Simulator: Gjennomføring av en roman Motion Simulator til Undersøke multisensorisk Sti Integrering i tre dimensjoner
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

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

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter