Vibrotactile Uyaranların için İstemli motor Yanıtları güncelliği ve doğruluğundan değerlendirilmesi için bir yöntem

Summary

Bu makalede, bir insan katılımcı uyluk vibrotactile uyarıcısının uygulanmasının ve stimülasyon konumu ve frekans çeşitli kombinasyonları için katılımcının istemli tepki hassasiyeti ve reaksiyon zaman ölçümü için bir yöntem açıklanır.

Abstract

Yapay duyusal geri bildirim (ASF) sistemleri, alt ekstremite bozukluğu olan bireylerde kaybedilen propriyosepsiyonu telafi etmek için kullanılabilir. Bu ASF sistemlerinin etkili tasarımı, belirli geri besleme mekanizmasının parametrelerinin kullanıcı algısını ve uyaranlara tepkisini nasıl etkilediğinin derinlemesine anlaşılmasını gerektirir. Bu makale, insan katılımcılara vibrodokunsal uyaranlar uygulamak ve tepkilerini ölçmek için bir yöntem sunmaktadır. Dönen kütle titreşimli motorlar, katılımcının uyluğunda önceden tanımlanmış yerlere yerleştirilir ve özel donanım ve yazılım aracılığıyla kontrol edilir. Katılımcıların titreşimli uyaranlara istemli tepkilerinin hızı ve doğruluğu, araştırmacı tarafından belirlenen motor yerleştirme ve titreşim frekansı kombinasyonları için ölçülür. Burada açıklanan protokol, vibrotaktil uyaranlara basit bir ikili yanıt toplamak için basmalı düğmeler kullanırken, teknik, sırasıyla eklem açısı ve ağırlık taşıma oranlarını ölçmek için atalet ölçüm birimleri veya basınç sensörleri kullanılarak diğer yanıt mekanizmalarına genişletilebilir. Benzer şekilde, vibrotaktil uyaranların uygulanması, uyluk dışındaki vücut segmentleri için araştırılabilir.

Introduction

Yapay duyusal geribildirim (ASF) sık sık tehlikeye propriosepsiyon ya da diğer duyusal mekanizma telafi bireylere gerçek zamanlı biyolojik bilgi sağlama uygulama olarak tanımlanabilir. Bireylerin kez otonom sinir sistemi ⁴ istemsiz bir tepki vardı fiziksel süreçleri kontrol etmesini sağlayan, ^{3 -} ASF uzun fiziksel fonksiyon ve hareket ¹ yönlerini kurtarma yardımcı olmak için yaralı ya da engelli kişilerin rehabilitasyonu alanda kullanılmaktadır. ASF, biyomekanik biofeedback bir alt kategori, kinematik dengelemek ya da yürüyüş ile ilgili parametreleri ölçmek ve uygulamalı uyaran çeşit yoluyla bireye bu bilgileri iletişim kurmak için harici sensörler kullanır. biyomekanik geribildirim giderek daha popüler bir yaklaşım mekansal yanı sıra zamansal geribildirim sağlamak için vücudun farklı bölgelerinde yerleştirilen küçük titreşimli motorlar, ya da kontaktörü, istihdam etmektedir. Önceki edebiyat p gösterdialt ekstremite amputasyon, vestibüler engelli bireylere uygulamalarda vibrotactile geribildirim kullanımını destekleyen sonuçlar romising ve yaşlanma-ilgili denge ⁵ kaybını ^{- 9.}

Belirli uyaranlara bireyin algı ve tepki kontrol eden mekanizmaların tam olarak anlamak, farklı uygulamalar için ASF sistemlerinin etkin bir şekilde uygulanmasını bilgilendirmek için gereklidir. vibrotactile geribildirim için, bu mekanizmalar arasında baş propriosepsiyonu ve sensorimotor tepkisi, özellikle uygulanan titreşimlere kullanıcı duyarlılık ve istenen reaksiyonu yürütmek için gerekli olan zaman vardır. Titreşim uyaranlara yoluyla iletilen herhangi bir duyusal bilgi, belirli titreşim frekansı kombinasyonları, genlik, konumu ve dizi olarak kodlanmış olması gerekir. Bu nedenle, vibrotactile ASF sistemlerinin tasarımı olarak, uyaranların kullanıcının algı ve yorumlama maksimize etmek parametrelerin kombinasyonları seçmelisiniziyi zamanında ve ortaya çıkan motorun tepki doğruluğu. Bu protokolün amacı, farklı duyusal engelli nüfusa sahip kullanılmak üzere ASF sistemlerinin tasarımını bilgilendirmek için çeşitli titreşim uyaranlara yanıt süreleri ve tepki doğruluğunu değerlendirmek için bir platform sağlamaktır.

Yöntemleri burada açıklanan dokunsal ve vibrotactile geribildirim ^3,5,6 insan algısını keşfetmeye önceki araştırmalar üzerine inşa ve iki önceki çalışmalarda ^10,11 kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Son iki çalışma her iki parametre önemli ölçüde sonuç önlemleri etkilediği gösteren alt ekstremite amputasyon doğruluk ve kullanıcı tepkilerinin zamanında titreşim frekansı ve konumu etkilerini incelemek için bu protokolü istihdam ve tepki doğruluğu yüksek derecede olabilir elde etti. Bu sonuçlar, gelecekteki çalışmalar ve vibrotactile ASF sistemlerinin klinik uygulamalarda kontaktörü ideal yerleşim bilgilendirmek için kullanılabilir. Diğer son çalışmasıCrea ve ark., ¹² algılanan titreşim desenleri değişiklikleri yerine motor tepkisini belirtmek için sözlü tepkiler kullanarak, yürüyüş sırasında uyluk uygulanan titreşim desenleri değişikliklere kullanıcı duyarlılığı incelendi. Bu sözlü tepkiler algılama doğruluğunu ölçmek için kullanılabilir olsa da, motor kontrol sürecinde mevcut olabilir hatalar ve gecikmeler hesaba katmaz.

Aşağıdaki deneyler için birincil kurulum darbe genişliği modüle bir mikro kurulu çıkış pini bağlanmış titreşimli motorların birçok parçadan oluşur. pansiyon, sırayla, ticari olarak mevcut sistem tasarım yazılımı çalıştıran bir bilgisayara Universal Serial Bus (USB) bağlantısı üzerinden kontrol edilir. Motorlar yeterli voltajı sağlamak için ek bir yükseltme devresi gerektirir ve mevcut vibrasyon geniş bir frekans aralığı üzerinde temin edilir. Bir örnek amplifikatör devresi Şekil 1'de gösterilmiştir. Iki kutuplu kavşak transistor (BJR) Şekil etkinliğinin arttırılması ile ve daha küçük boyutta daha küçük metal oksit yarı-iletken alan etkili transistor (MOSFET) ile ikame edilmiş olabilir. Aynı şekilde, tüm amplifikatör devresi ek kontrol ve indirgenmiş boyutu sağlamak için bir kullanıma hazır haptik motor sürücü ile ikame edilmiş olabilir. Her motor kendi devresini gerektirir ve on motorlar kadar bu yazıda belirtilen ekipmanı kullanarak tek bir mikroişlemci kurulu tarafından kontrol edilebilir.

Şekil 1. Motor Kablolama. (A) tek bir titreşim motoru için amplifikasyon devresi gösterilmiştir. Her motor ayrı bir devre gerektirir ve mikrodenetleyici üzerinde benzersiz bir PWM çıkış portuna bağlı olmalıdır. V _DD burada mikrodenetleyici tarafından sağlanan 3,3 V gücünü temsil ve sıfır gerilim uygulaması R2 transistör anahtarı sağlamak için açılan resister olarak hizmet direnç açık kalırYalan. (B) iki motorun fiziksel kablolama bir örnek. sekiz ayrı yükseltme devresi gösterilmiştir, ancak sadece iki titreşim işletme motorlarına bağlanmıştır. Bu protokol, R1 = 4.7 kÊ ve R2 = 100 kÊ içinde. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Protocol

Aşağıdaki protokol Hollanda Bloorview Çocuk Rehabilitasyon Hastanesi Araştırma Etik Kurulu tarafından onaylanmıştır.

1. Motor Kalibrasyon

1. Bir USB bağlantı noktasını kullanarak bilgisayara mikro kartını takın.
2. Orijinal mikro yazılımı kullanarak, daire sağ ok ile gösterilen "Yükle" simgesini tıklayarak USB bağlantısını kullanarak kuruluna özel komut dosyası, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" yükleyin.
   1. Titreşim düzeyi "analogWrite" komutunu kullanarak kapalı pozisyonunda motoru koymak için sıfıra ayarlanmış olduğundan emin olun. Kod "analogWrite (vibe1,0);" okumalısınız.
   2. mikro kodda, "vibe1" değişkeni başlatarak ilgi motora gelen (PWM) çıkış pimi modüle darbe genişlik belirtin.
      Not: PWM sinyalleri mikrodenetleyici tarafından oluşturulan dijital sinyalleri yaklaşık analog çıkış üretir. pimleri labele vardırsayısal fiziksel mikrodenetleyici d. Motor PWM çıkış pimi '3' bağlı, örneğin, daha sonra temin etmesi "Int vibe1 = 3;" kodunda belirtilmiştir.
3. mikrodenetleyici kurulu analog giriş bağlantı noktalarından birine üç eksenli ivme z ekseni çıkışını ve olumlu bağlanmak ve zemin sırasıyla mikrodenetleyici kurulu 5V ivmeölçer ve toprak (GND) limanlarından yol açar.
4. Şekil 2'de gösterildiği gibi Z-ekseni, motorun düz bir yüzeye dik olan sağlanması, titreşimli motora ivmeölçer monte edin ve sert bir yüzeye motoru yerleştirin.
5. veri toplama yazılımı "Motor_Calibration.vi" dosyasını açın ve bir USB portu üzerinden bilgisayara mikrodenetleyici bağlayın.
6. sağlanan alanlar kullanılarak, açılır menünün yanı sıra örnekleme hızı ve num kullanarak, mikro girişi için seri bağlantı noktasını belirtmekNumunelerin ber toplamak için. Bu deneyler ivme verilerinin aliasing önlemek için 500 Hz örnekleme oranı standarttır ve 1000 örnekleri yaygın kaydedilir Not:.
7. "Motor_and_Accelerometer.ino" kodunu kullanarak, titreşimli motora verilen PWM darbeleri istenen görev döngüsünü belirlemek, bir kez daha "analogWrite" komutunu kullanarak ve motorları kontrol mikrodenetleyici programı yeniden indirmek (Adım 1.1 bakınız ). Örneğin, 100 darbe sayısını ayarlamak için, kod okumalısınız "analogWrite (vibe1,100);". Tablo 1 PWM değerler ve bunlara karşılık gelen görev çevrimleri.
8. "MotorCalibration.vi" arabirimde Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ekranı kullanarak, büyük tepe belirlemek ve (yatay eksen itibaren) karşılık gelen titreşim frekans değerini kaydedin.
9. Yineleyin her PWM frekans pai kayıt istenilen frekans ulaşılana kadar PWM düzeylerini ayarlayarak, 1.7-1.8 Adımlarır. 100 Hz frekans hedef ise en büyük tepe yatay eksende 100 Hz işareti üzerine oluşuncaya kadar, örneğin, Adımları 1.7-1.8 gerçekleştirin.
   Not: Bu protokolde kullanılan titreşim motorları için hedeflenen titreşimler daha iyi literatürde ^5,10,13 tarif deride mekanoreseptörlerin tepkisi frekanslarını maç için 60-400 Hz aralığında durmalıdır.
10. Tekrarlayın elle bir elektronik tablo veya kalem ve kağıt ile her motor için PWM frekans ilişkinin kaydedilmesi, 1.2.2 her motor için 1.8 Adımlar.
11. "Experiment_1.vi" dosyasını açın. Her motor için, açılır frekans menüsünde sağ tıklayın ve "Mülkiyet" i seçin. "Edit Öğeler" sekmesinde, Adımlar 1,8-1,9 belirlenen istenen frekansları ve ilgili PWM seviyelerini girmek için tabloyu kullanın. Çıkmak için "Tamam" seçeneğini seçin.
12. Sistem tasarımı yazılımının her sanal arabirim (VI) dosyası için tekrarlayın Adım 1.11 test sırasında kullanılmak üzere (örneğin, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", vb.)

Accelerometer Motor monte edilir Şekil 2.. Tri-eksenli akselerometre (yeşil) kalibrasyon için motorun düz bir yüzeye onun z-ekseni dik olan sikke motora monte edilir. Her motor farklı görev çevrimleri kullanılarak aktive edildi ve karşılık gelen titreşim frekansları ivmeölçer tarafından kaydedildi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

2. Motors Yerleştirme

1. Tüm motorlar (bölüm 2) kalibre edildikten sonra, uyluk takar.
   1. Bu yazıda anlatılan sonuçları elde etmek için, yaklaşık olarak yarıda olmak, anterior, posterior, medial ve uyluk yan yüzeyleri üzerine birer motoru yerleştirinbüyük trokanteri ve lateral femoral kondil (ya da diz üstü amputasyon için ekstremitenin distal ucunun) arasını doldurun.
      Not: Her motorun belirli yerleri ilgi araştırma soruları ve bölgelere göre değişebilir, ve bu tür cilt mekanoreseptörlerin türü ve mekansal dağılımı gibi anatomik ve fizyolojik faktörler tarafından etkilenebilir.
2. çift ​​taraflı bant kullanarak doğrudan cilde motorlar takın.
   Not: Her motorun etrafında bölgeyi Tıraş gerekli değildir, ancak cilde onların yapışma (Şekil 3) artırabilir. giyim, prostetik astar, yada algısına başka malzemeden etkileri ilgi alanıma giren uygulamalarda, yerine deri karşı daha bahsedilen malzeme üzerine motorlar yerleştirin.

Deneylerin için Şekil 3. Test Platformu. Özel bir test platformu ev t inşa edildio panoları mikrodenetleyici ve butonlar. Motorlar (gösterildiği gibi) cilde doğrudan bağlı, ya da motor ve cilt arasında bir protez astar ile. Edilebilir , bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

3. Deney 1: Uyarılar ve Kayıt Tepki Süresi uygulama

1. ile "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" yerine Kontrolörün beraberindeki yazılım paketi ile "LVIFA_Base.pde" dosyasını açıp Adım 1.1 tekrarlayarak veri toplama yazılımı aracılığıyla kurulu kontrolünü sağlamak için firmware ile mikro pansiyon, flaş Re " LVIFA_Base.pde "komut dosyası.
2. Bir seri-USB konektörü kullanarak bilgisayarın USB bağlantı noktalarından birine doğrudan push-button bağlayın. Gerekli tüm sürücüler yüklü olduğundan emin olun.
3. "Experiment_1.vi" arayüzünü açın.
4. seri belirtinsırasıyla, "Motor Girdi" ve "Yeşil Düğme" etiketli açılır menülerden ilgili seri port kimlik numaraları seçerek motorlara bağlı mikrodenetleyici için limanlar ve buton. bilgisayarın işletim sistemi aygıt yöneticisi programını kullanarak seri port kimlik numaralarını belirleyin.
5. sonuçlarını kaydedin ve programı başlatmak için dosyayı seçin.
6. Seçin motorlar ve frekanslar "Experiment_1.vi" arayüzde her motor için açılan menülerden seçerek aktive edilecek. katılımcı basın titreşim hissetti zaman geri besleme uygulandığı bacak itme düğmesi vardır. düğmesine basıldıktan sonra, saat sayma durduğunu belirterek veri toplama yazılım arayüzü yanıtı onaylamak ve açılır menülerden frekansların yeni bir dizi seçerek bir sonraki duruşma için motorlar sıfırlayın.
7. Deney tamamlandığında, dr kullanınopdown menüler sıfır konumuna tüm motorlu frekansları dönmek ve motor kontrol kartına bağlantıyı sonlandırmak için "Dur Programı" düğmesini seçin.

4. Deney 2: Uyaranların arasında ayrım

Not: Bu deney, bir tek motor ve birden fazla motor kullanılabilir Deney 1. tamamen bağımsız bir şekilde gerçekleştirilebilir. motorların belirli yerleri uygulama ve araştırma soruları bağlı olarak değişebilir.

1. Seri USB bağlantısı ile başka bir USB portuna ikinci bir buton bağlayın.
2. "Experiment_2.vi" veri toplama arabirimini açın.
3. özel araştırma uygulama için gerekli yerlerde ve konfigürasyonlarda motorları yerleştirin. Örneğin, ön, arka, yan her biri üzerinde, ortada büyük trokanter ve lateral femoral kondilin (veya ampüteler için kolun uzak ucuna) arasında, uyluk tek motorlar yerleştirin ve uyluğun medial yüzeyleri ebacak ^10,11, bu kısımların her birinin frekans hassasiyeti xamine.
4. mikrodenetleyici kurulu ve Adım 3.4 ile aynı prosedürü kullanarak hem butonlar için seri port belirtin. her porta atanan hangi buton not ettiğinizden emin olun.
5. etkinleştirilmesini özel motorlar ve yazılım arayüzü "Motor" simgeleri tıklayarak frekansları istenen dizisini seçin. Örneğin, üç frekansları denenmektedir varsayalım gibi 140 Hz, 180 Hz ve 220 Hz. bir dizi test 140 Hz ve ardından (1), 180 Hz, 140 Hz ve ardından (2) 220 Hz ve 220 Hz, ardından (3), 180 Hz olabilir.
6. Girdi gecikmeli zaman ve stimülasyon süresi başlar. 1.5 sn gecikme ve stimülasyon süreleri hem de tipiktir.
7. programını başlatın.
   Not: Adım 4.6 belirtilen gecikme, program Adım 4.5 seçilen eşleştirilmiş frekanslar dizisi motoru (ler) aktive eder sonra. Örneğin, 180 Hz vs 220 Hz ise seAdım 4.5 seçilir ve karşılık gelen motoru ilk 220 Hz geçmeden önce belirli bir süre boyunca 180 Hz'de titrer.
8. İkinci algılanan frekans ilk daha yüksek veya daha düşük olup olmadığını seçmek için iki buton katılımcı birine basın var. Yanıtlar otomatik olarak program tarafından kaydedilecektir.

Results

Şekil 4, tek bir motor bir 180 Hz titreşim frekansı PWM değerini tanımlayan kalibrasyon eğrilerini göstermektedir. primer frekans başak 180 Hz oluşana kadar% 50 görev döngüsü başlayarak, PWM değerleri tekrarlanır. Başarılı kalibrasyon denemeleri birincil titreşim frekansında net bir başak göstermesi gerekir. Ya da bir destek yüzeyine motorun motor ivme zayıf sabitleme açık bir sivri olmayan daha yaygın bir FFT neden olabilir. bağlar daha iyi bir bağlantı sağlamak için ayarlanabilir edildikten sonra bu d...

Discussion

Bu protokolün amacı, vibrotactile ASF uygulamalarında stimülasyon parametreleri değerlendirmek için bir çerçeve sağlamaktır. Özellikle, kullanıcı sensorimotor cevabına titreşim frekansı, genliği, yer ve dizinin etkilerini inceler. Bu çerçeve üzerine inşa ve daha klinik açıdan böyle bir ortak bükme veya başka bir bacak ağırlık kayması olarak olabilir kullanıcı tepkisinin ilave veya alternatif türleri içerecek şekilde genişletilebilir. Bu tür değişiklikleri gibi eylemsiz ölçü birimlerini (lerle) veya basınç sensörleri gib...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Titreşimli Çağrı Cihazları Motorları	Hassas Mikro Sürücüler	Model 310-101	Madeni para eksantrik döner kütle motorları. İlgilenilen tüm konumları ve etkileşimleri test etmek için gerektiği kadar çok
Üç eksenli İvmeölçer	Boyut Mühendisliği	ADXL 335	Gelişmiş analog ivmeölçer. 500 ve nbsp; Hz bant genişliği, 3.5-15  V girişi. Hareket, eğim ve eğim ölçümünün yanı sıra titreşim ve şok algılama için tasarlanmıştır.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	Üç eksenli ivmeölçer ile iletişim kurmak için mikrodenetleyici kartı
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Titreşim motorlarıyla arayüz oluşturmak için mikrodenetleyici kartı.
LabVIEW	Ulusal Aletler Motorları		kontrol etmek ve ivmeölçer sinyallerini görüntülemek için kullanılan veri toplama yazılımı
Arduino IDE Yazılımı	Arduino	v. 1.6.5
Buton	Köprüleri	Buddy Button	2.5  içinde/6.35  İşitsel bir tıklama ve dokunsal geri bildirim sağlayan CM aktivasyon yüzeyi.
İsteğe bağlı:
Özel dokunsal motor sürücüsü	Texas Instruments	DRV2605L	Adım 1'de açıklanan tüm amplifikasyon devresini değiştirmek için kullanılabilir.
Esnek giyilebilir gonyometre	Biyometri Ltd.	SG110	Uyaranlara yanıt olarak eklem hareketini ölçmek için basma düğmesi yerine kullanılabilen iki hareket düzlemine kadar açıları ölçmek için çift eksenli esnek gonyometreler. www.biometricsltd.com/gonio.htm