Login processing...

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

Neuroscience

MPI CyberMotion Simulator: Genomförande av en roman Motion Simulator för att undersöka multisensorisk Path Integration i tre dimensioner

doi: 10.3791/3436 Published: May 10, 2012

Summary

Ett effektivt sätt att få insikt i hur människor navigerar sig i tre dimensioner beskrivs. Metoden utnyttjar en rörelse simulator kan förflytta observatörer på sätt ouppnåeliga av traditionella simulatorer. Resultaten bekräftar att rörelse i horisontalplanet underskattas, medan vertikal rörelse överskattas.

Abstract

Sökväg integration är en process där själva rörelsen integreras över tiden för att få en uppskattning av sin nuvarande position i förhållande till en startpunkt 1. Människor kan göra vägen integration uteslutande på visuell 2-3, hörsel 4 eller tröga signaler 5. Men med flera ledtrådar närvarande tröga signaler - speciellt kinestetiska - verkar dominera 6-7. I avsaknad av vision, människor tenderar att överskatta korta avstånd (<5 m) och brytningar (<30 °), men underskatta längre sådana 5. Rörelse genom fysiska utrymmet därför inte verkar korrekt representeras av hjärnan.

Ett omfattande arbete har gjorts på att utvärdera väg integration i det horisontella planet, men lite är känt om vertikal rörelse (se 3 för virtuella rörelse från vision enbart). En orsak till detta är att traditionella rörelsesimulatorer har ett litet utbud av rörelse restriktionerted huvudsakligen i horisontalplanet. Här tar vi fördel av en rörelse simulator 8-9 med ett stort utbud av rörelse för att bedöma om vägen integration är likartad mellan horisontella och vertikala plan. De relativa bidrag tröghets-och visuella referenser för väg navigering också bedömts.

16 observatörer satt upprätt i ett säte monterat på flänsen hos ett modifierat KUKA antropomorfisk robotarmen. Sensorisk information manipuleras genom att tillhandahålla visuella (optisk flöde, begränsad livslängd stjärnan området), vestibulära-kinestetiska (passiv själv rörelse med slutna ögon) eller visuell och vestibulära-kinestetiska rörelse ledtrådar. Movement banor i de horisontella och sagittal och främre plan bestod av två segmentlängder (1: a: 0,4 m, 2: a: 1 m; ± 0,24 m / s 2 peak acceleration). Vinkeln för de två segmenten var antingen 45 ° eller 90 °. Observatörer pekade tillbaka till sitt ursprung genom att flytta en pil som ovanpå en avatar presenteras på skruvensv.

Observatörer var mer benägna att underskatta vinkeln storlek för rörelse i horisontalplanet i förhållande till de vertikala plan. I frontalplanet observatörerna var mer benägna att överskatta vinkeln storlek, medan det inte fanns någon sådan partiskhet i sagittalplanet. Slutligen svarade observatörer långsammare när de svarar på grundval av vestibulär-kinestetiska information på egen hand. Human vägen integration, baserad på vestibulära-kinestetiska information på egen hand tar därmed längre tid än när visuell information är närvarande. Det pekar stämmer överens med underskatta och överskatta vinkeln man har flyttat igenom i de horisontella och vertikala plan respektive tyder på att den neurala representationen av själv-rörelse genom rymden är icke-symmetrisk som kan gälla till det faktum att människor erfarenhet av rörelsen främst inom horisontalplanet.

Protocol

1. KUKA Roboter GmbH

  1. MPI CyberMotion Simulator består av en sex-led seriell robot i en 3-2-1 konfiguration (figur 1). Det är baserat på den kommersiella KUKA Robocoaster (en modifierad KR-500 industrirobot med en 500 kg nyttolast). De fysiska ändringar och programvaran kontrollstruktur som behövs för att ha en flexibel och säker experimentuppställning har tidigare beskrivits, bland annat motion simulator s hastighet och begränsningar acceleration, och förseningar och överföringsfunktion av systemet 9. Modifieringar av denna tidigare konfiguration definieras nedan.

Figur 1
Figur 1. Grafisk representation av strömresponsen MPI CyberMotion simulatorn arbetsyta.

  1. Komplexa rörelseprofiler som kombinerar laterala rörelser med vridningar är möjligt med MPI CyberMotion Simulator. Axlarna 1, 4 och 6 ca n Vrid kontinuerligt. 4 par av hårdvara slutet stannar gräns axel 2, 3 och 5 i båda riktningarna. Den maximala räckvidden av linjära rörelser är starkt beroende av den position från vilken rörelsen börjar. Den aktuella hårdvaran slutet stoppar i MPI CyberMotion simulatorn visas i tabell 1.
    Axel Range [deg] Max. hastighet [deg / s]
    Axel 1 Kontinuerlig 69
    Axel 2 -128 Till -48 57
    Axel 3 -45 Till 92 69
    Axel 4 Kontinuerlig 76
    Axis 5 -58 Till 58 76
    Axis 6 Kontinuerlig 120
nt "> Tabell 1. Aktuella tekniska specifikationerna för MPI CyberMotion Simulator.

  1. Innan något experiment utförs på MPI CyberMotion Simulator, genomgår varje experimentell rörelsebanan en testfas på en KUKA simulering PC (Office PC). "Office PC" är en speciell produkt som säljs av KUKA som simulerar den verkliga robotarmen och omfattar identiska operativsystemet och skärmen för kontroll layout som den verkliga roboten. En schematisk översikt av styrsystemet i MPI CyberMotion simulator för ett öppen slinga-konfiguration visas i figur 2.

Figur 2
Figur 2. Schematisk översikt av öppen slinga-system i MPI CyberMotion simulatorn. klicka här för större figur .

  1. Detaljerna i kontrollgruppen structure finns här 9. I korthet, en öppen slinga konfiguration, som används i den aktuella experimentet banor är förprogrammerade genom att omvandla input banor i kartesiska koordinater till gemensamma utrymmen synpunkter genom omvänd kinematik (figur 2).
  2. MPI Styrsystemet läser i dessa önskade gemensamma vinkel steg och skickar dessa till KUKA styrsystemet att utföra axelrörelser via motorströmmar. Ledresolvem värden skickas till KUKA styrsystemet som bestämmer den nuvarande gemensamma vinkelpositioner med en internränta 12 ms, vilket i sin tur utlösa nästa gemensamma steg att läsas in från filen genom MPI styrsystemet samt skriva den nuvarande gemensamma vinkelpositioner till disk. Kommunikationen mellan MPI och KUKA kontrollsystem är att en Ethernet-anslutning med KUKA-RSI protokollet.
  3. En racerbil säte (RECARO Pole Position) utrustad med en 5-punkts säkerhetsbälte system (Schroth) är monterade på ett underrede which ingår ett fotstöd. Chassit är monterad på flänsen hos robotarmen (figur 3a). Experiment är också möjlig genom säten deltagare i en sluten hytt (figur 3b).

Figur 3
Figur 3. MPI CyberMotion Simulator setup. a) konfiguration för aktuell experimentera med LCD-display. b) Konfiguration för experiment som kräver en sluten hytt med främre projektion stereo display. c) Första prognosen mono display. d) huvudmonterad display.

  1. Eftersom experimentet utförs i mörker, infraröda kameror kan visuell övervakning från kontrollrummet.

2. Visualisering

  1. Flera visualisering konfigurationer är möjliga med MPI CyberMotion Simulator, inklusive LCD, stereo eller mono fram, och huvud monterade displayer (Figur 3). För den nuvarandeexperiment visuella ledtrådar till själva rörelsen tillhandahålls av en LCD-display (figur 3a) placeras 50 cm framför de observatörer som var i övrigt testades i mörkret.
  2. Den visuella presentationen genererades med användning av Virtools 4,1 mjukvara och bestod av en slumpmässig, begränsad livslängd dot-fältet. En kub utvidga åtta virtuella enheter till fronten, höger, vänster, uppåt och nedåt från synvinkel deltagaren (dvs. 16 x 16 x 8 enheter i storlek) fylldes med 200.000 lika stora partiklar som består av vita cirklar 0,02 enheter i diameter framför en svart bakgrund. Prickarna slumpmässigt fördelade över utrymmet (homogen sannolikhetsfördelning i utrymmet). Rörelse i virtuella enheter var skalas för att motsvara 1 till 1 med fysisk rörelse (1 virtuella enhet = 1 fysiskt meter).
  3. Varje partikel visades i två sekunder innan försvinna och omedelbart visa upp igen på en slumpmässig plats i utrymmet. Således hälften av prickar ändrat sinaposition inom en sekund. Dots mellan ett avstånd av 0,085 och 4 enheter visas för deltagarna (motsvarande visuella vinklar: 13 ° och 0,3 °).
  4. Rörlighet inom pricken området var synkroniserad med fysisk rörelse genom att ta emot rörelsebanor från MPI styrdatorn överförs av en Ethernet-anslutning med hjälp av UDP-protokollet. När du flyttar genom dot-fältet genomsnittliga antalet prickar stannade konstant för alla rörelser. Denna display förutsatt att ingen absoluta storlek skala, men optik flöde och rörelse parallax som punkter var sfärer med en fast storlek, ser mindre beroende på avståndet i förhållande till betraktaren.

3. Experimentell design

  1. 16 deltagare, som var naiva för experimentet, med undantag för en författare (MB-C), hade brusreducerande hörlurar som är utrustade med en mikrofon för att tillåta två-vägs kommunikation med försöksledaren. Ytterligare auditiva ljud kontinuerligt spelas via headpho nes till ytterligare mask ljud som alstras av roboten.
  2. Deltagarna använde en specialbyggd joystick utrustad med svar knappar med uppgifter som överförs av en Ethernet-anslutning med hjälp av UDP-protokollet.
  3. Vinkeln för de två rörelser segmenten var antingen 45 ° eller 90 °. Rörelser i de horisontella och sagittal och främre plan bestod av: framåt åt höger (FR) eller åt höger framåt (RF), nedåt-framåt (DF) eller framåt-nedåt (FD), och nedåt-höger (DR) eller åt höger, nedåt (RD) rörelser respektive (Figur 4a).

Figur 4
Figur 4. Arbetsordningen. A) Schematisk representation av banor som används i experimentet. b) Sensorisk information för varje testad bana typ. c) som pekar uppgift används för att ange ursprung där deltagarna tyckte att de hade flyttat från.rge.jpg "target =" _blank "> Klicka här för större bild.

  1. Sensorisk information manipuleras genom att visuellt (optisk flöde begränsad livslängd stjärnan området), vestibulära-kinestetiska (passiv själv rörelse med slutna ögon) eller visuella och vestibulära-kinestetiska signaler rörelse (figur 4b).
  2. Movement banor bestod av två segmentlängder (1: a: 0,4 m, 2: a: 1 m; ± 0,24 m / s 2 toppacceleration, Figur 4b). Banor bestod av översättningen bara. Inga rotationer av deltagarna inträffade. För att minska eventuella störningar från rörelse före varje försök och se till att det vestibulära systemet testades med utgångspunkt från ett stabilt tillstånd, föregås en 15 s paus varje bana.
  3. Observatörer pekade tillbaka till sitt ursprung genom att flytta en pil som ovanpå en avatar presenteras på skärmen (Figur 4c). Förflyttning av pilen var tvungen att banan är plan och styrs av tHan joystick. Avatar presenterades från frontal, sagittal och horisontell synpunkter. Observatörer fick använda några eller alla synpunkter för att svara. Utgångspunkten orientering pilen var randomiserade mellan studier.
  4. Som pekar uppgiften krävs deltagarna att mentalt förändra sin pekar perspektiv från ett egocentriskt till ett exocentric representation, fick deltagarna information om hur du peka tillbaka till sitt ursprung med hänvisning till avatar innan praxis och experimentella studier. Deltagarna fick höra att peka bör göras som om avatar var deras egen kropp. Deltagarna fick sedan i uppdrag att peka på fysiska mål i förhållande till sig själv med hjälp av exocentric mätteknik. Till exempel fick deltagarna i uppdrag att peka på joysticken vilande på sina knä halvvägs mellan sig och skärmen, vilket krävde deltagarna att peka på pilen framåt och nedåt i förhållande till avatar. Alla deltagare kunde utföra dessauppgifter utan att uttrycka förvirring.
  5. Varje experimentbetingelse upprepades 3 gånger och presenteras i slumpvis ordning. Signerad fel och svarstid analyserades som beroende variabler i två separata 3 (plan) * 2 (vinkel) * 3 (modalitet) upprepade mätningar ANOVA. Svarstiderna från en extrem avvikande deltagare togs bort från analysen.

4. Representativa resultat

Signerade fel resultat rasade över hur och vinklar eftersom inga signifikanta huvudeffekter hittades för dessa faktorer. Figur 5a visar signifikant huvudeffekt rörlighet plan (F (2,30) = 7,0, p = 0,003) Om observatören underskattas vinkeln storlek ( Genomsnittliga data är mindre än 0 °) för rörelse i horisontalplanet (-8,9 °, SE 1,8). I frontalplanet observatörerna var mer benägna i genomsnitt överskatta vinkeln storlek (5,3 °, SE 2,6), medan det fanns ingen sådan bias i sagittalplanet (-0,7 °, SE 3,7). While viktigaste effekterna av vinkel och modalitet inte var betydande, var vinkeln fann signifikant interagera med plan (F (2,30) = 11,1, p <0,001) så att överskattningar i frontalplanet var större för rörelser till 45 ° (7,9 ° , SE 2,6) än genom 90 ° (2,8 °, SE 2,7), medan en sådan avvikelse inte var närvarande för de andra planen. Dessutom modalitet visade sig signifikant samverkar med vinkeln (F (2,30) = 4,7, p = 0,017), så att underskattningar från vestibulära informationen enbart för rörelse genom 90 ° var signifikant större (-4,3 °, SE 2,1) jämfört med den visuella (-2,0 °, SE 2,4) och vestibulära och visuell information kombineras (2,3 °, SE 2,2) förhållanden, medan sådana skillnader var frånvarande för rörelser genom 45 °. Ingen signifikant mellan ämnen effekten var för undertecknad fel (F (1,15) = 0,7, p = 0,432). Figur 5b visar resultaten respons tid. Det fanns en signifikant huvudeffekt avmodalitet (F (2,28) = 22,6, p <0,001) Om observatören svarade långsammaste när de svarar på grundval av vestibulär-kinestetiska information på egen hand (11,0 s, SE 1,0) jämfört med den visuella (9,3 s, se 0,8) och kombinerad (9,0 S, Se 0,8) förhållanden. Det fanns också en signifikant huvudeffekt av flygplan (F (2,28) = 7,5, p = 0,002) Om observatören svarade långsammast när de flyttas i det horisontella planet (10,4 s, SE 1,0) jämfört med sagittala (9,4 s, se 0,8 ) och de främre (9,4 S, Se 0,9) plan. Det fanns ingen signifikant huvudeffekt av segmentets vinkel eller eventuella interaktioner. En signifikant mellan individer effekt påträffades för svarstid (F (1,14) = 129,1, p <0,001).

Figur 5
Figur 5. Resultat. a) Signerad fel kollapsade över modaliteten för de testade plan. b) Svarstid kollapsade hela rörelsen plan för formernatestas. Felstaplar är + / - 1 SEM

Discussion

Sökväg integration har väl etablerad som ett medel användas för att lösa där en observatör ursprungligen, men är benägen att underskattningar av vinkeln man har flyttat till 5. Våra resultat visar detta för translationell rörelse men endast inom det horisontella planet. I vertikala plan deltagarna är mer benägna att överskatta vinkeln förflyttas genom eller har ingen bias alls. Dessa resultat kan förklara varför uppskattningar av förhöjning genomkorsas-over terrängen tenderar att överdrivas 10 och också varför rumsliga navigering mellan olika våningar i en byggnad är dålig 11. Dessa resultat kan också vara relaterad till kända asymmetrier i den relativa andelen av saccule att utricule receptorer (~ 0,58) 12. Långsammare responstid baserat på vestibulära-kinestetiska information på egen hand jämfört med när visuell information finns tyder på att det kan finnas ytterligare fördröjningar förknippade med att försöka fastställa en ursprung grundar sig på tröga ledtrådar ensam, somkan avse färska studier som visar att vestibulära uppfattning är långsam jämfört med de andra sinnena 13-16. Totalt våra resultat tyder på att alternativa strategier för att bestämma ett ursprung kan användas när man flyttar vertikalt som kan gälla till det faktum att människor erfarenhet av rörelsen främst inom det horisontella planet. Vidare, medan sekventiella översättningar sällan upplevs de uppträder oftast i sagittalplanet - där fel är minimal - till exempel när vi går mot och gå på en rulltrappa. Även post-experiment intervjuer inte återspeglade olika strategier bland planen bör försök utforska denna möjlighet. Experiment med banor med ytterligare frihetsgrader, längre banor, med kroppen på olika sätt orienterade i förhållande till gravitationen, samt med större synfält som nu möjligt med MPI CyberMotion Simulator planeras för att ytterligare undersöka prestanda vägen integration i tre dimensioner.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

MPI Postdoc stipendier till MB-C och TM, koreanska NRF (R31-2008-000-10008-0) till HHB. Tack vare Karl Beykirch, Michael Kerger & Joachim Tesch för tekniskt bistånd och vetenskapliga diskussioner.

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: Genomförande av en roman Motion Simulator för att undersöka multisensorisk Path Integration i tre dimensioner
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