MPI CyberMotion Simulator: Implementazione di un simulatore di movimento Novel per Indagare l'integrazione multisensoriale Percorso in tre dimensioni

L'obiettivo generale del seguente esperimento è misurare la navigazione del percorso in tre dimensioni controllando simultaneamente gli input sensoriali visivi e vestibolari del partecipante. Questo viene ottenuto utilizzando una sedia robotica modificata con sei gradi di libertà, che stimola il sistema vestibolare del soggetto seduto sulla sedia. Il partecipante osserva un campo stellare virtuale. Muovendo la sedia robotica e alterando contemporaneamente il campo stellare, il sistema fornisce al partecipante stimoli visivi e vestibolari.

I partecipanti forniscono un feedback sulla navigazione percorsa attraverso l'accuratezza e la velocità con cui riescono a indicare nuovamente la posizione iniziale ricordata. I risultati mostrano che la stima inaccurata del movimento autopercettivo dipende dal piano di movimento e dall'angolo attraverso cui i soggetti vengono spostati. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come le piattaforme mobili, è che il simulatore MPI Cyber Motion dispone di un'ampia area operativa in grado di muovere gli osservatori in diverse dimensioni, in particolare verso il basso.

Questo metodo può rispondere a domande fondamentali nel campo delle neuroscienze, ad esempio se il cervello rappresenti in modo equivalente il movimento del sé in diverse dimensioni. L'idea per questi esperimenti ci è venuta da uno studio del nostro collega Manuel Vidal. Egli ha spostato delle persone attraverso mazze virtuali utilizzando esclusivamente una presentazione visiva.

Qui ha scoperto che la navigazione spaziale è compromessa quando il MACES include una componente verticale. Le implicazioni di questa tecnica riguardano la diagnosi della disorientamento spaziale, poiché forniscono un punto di riferimento per la navigazione del percorso nel cervello normale. Lo stimolatore NPI Cyber motion è costituito da un robot seriale a sei giunti in una configurazione 3, 2, 1.

Si basa su un robot industriale con un carico utile di 500 chilogrammi, reso sicuro per gli esperimenti. Sono state apportate modifiche sia all'hardware che al software; sono possibili profili di movimento complessi che combinano movimenti laterali con rotazioni. Con il simulatore di movimento cyber MPI.

L'asse uno, quattro e sei può ruotare in modo continuo; quattro coppie di componenti hardware e finecorsa limitano gli assi due, tre e cinque in entrambe le direzioni. L'escursione massima dei movimenti lineari dipende fortemente dalla posizione da cui ha inizio il movimento. Prima di eseguire qualsiasi esperimento, ogni traiettoria di movimento sperimentale deve essere sottoposta a una fase di prova.

Le traiettorie sono programmate utilizzando un PC da ufficio progettato da KUKA per configurare il simulatore di movimento MPI. In questa configurazione ad anello aperto, le traiettorie sono inserite in coordinate cartesiane e convertite in angoli dello spazio articolare tramite cinematica inversa ogni 12 millisecondi. Le posizioni angolari attuali delle articolazioni vengono trasmesse dal sistema di controllo al simulatore di movimento MPI attraverso una connessione ethernet, dove vengono lette e registrate progressivamente su disco nel robot.

Un sedile da auto da corsa dotato di un sistema di cintura di sicurezza a cinque punti è fissato a un telaio, che include un poggiapiedi. Il telaio è montato sul braccio flangiato del robot. I partecipanti devono indossare cuffie con cancellazione attiva del rumore, dotate di microfono per la comunicazione bidirezionale con l'operatore.

Dovrebbero inoltre essere ignari della configurazione sperimentale. Un rumore continuo viene trasmesso attraverso le cuffie, mascherando il rumore del robot. Gli esperimenti possono essere effettuati anche posizionando i partecipanti all'interno di una cabina chiusa, poiché l'esperimento viene svolto al buio.

Le telecamere a infrarossi consentono il monitoraggio visivo dalla sala di controllo. Sono possibili diverse configurazioni di visualizzazione, tra cui uno schermo LCD, una proiezione frontale stereoscopica, una proiezione frontale monoculare o un display indossabile. In questo esperimento, gli indizi visivi del movimento autopercettivo sono forniti da un display LCD, posizionato a 50 centimetri davanti agli osservatori per trasmettere stimoli visivi.

Il software presenta a ciascun partecipante uno spazio virtuale di OID riempito con 200.000 punti. Ogni punto nello spazio è rappresentato come un cerchio bianco su sfondo nero. Sullo schermo vengono visualizzati punti corrispondenti ad angoli visivi compresi tra 13 e 0,3 gradi.

Questi punti si trovano a una distanza di 0,085 e quattro unità virtuali dal partecipante. Il movimento del campo virtuale è sincronizzato con il movimento fisico tramite traiettorie di movimento provenienti dal computer di controllo MPI, al fine di creare un parallasse tra il flusso ottico e il movimento.

I punti più in profondità nel campo visivo vengono disegnati più piccoli indipendentemente dai movimenti del partecipante. Ogni punto viene mostrato per due secondi in modo asincrono prima di essere riassegnato casualmente. In questo modo, un totale di centomila punti si muove ogni secondo.

Un joystick appositamente costruito, dotato di pulsanti di risposta, consente ai partecipanti di trasmettere dati al sistema di controllo tramite connessione ethernet. Le informazioni sensoriali possono essere manipolate fornendo soltanto indicazioni visive provenienti dal campo stellare a vita limitata, oppure soltanto indicazioni vestibolocinestetiche derivanti dal movimento passivo del sé con gli occhi del partecipante chiusi, oppure entrambe le indicazioni con gli occhi del partecipante aperti.

In questo esperimento, le traiettorie di movimento erano costituite da due segmenti di lunghezza. Il primo è di 0,4 metri, e il secondo è di un metro. L'angolo tra due segmenti di movimento viene trasmesso come 45 gradi o 90 gradi.

Ad esempio, il movimento nel piano orizzontale consiste in un movimento in avanti verso destra di 90 gradi, un movimento verso destra di 45 gradi, un movimento in avanti di 90 gradi oppure un movimento verso destra in avanti di 45 gradi. Questi tipi di movimento vengono eseguiti anche nei piani sagittale e frontale. Le traiettorie vengono eseguite come traslazioni senza rotazione.

Ogni traiettoria è seguita da una sequenza di riposizionamento, seguita da una pausa di 15 secondi per ridurre eventuali interferenze dovute al movimento precedente ogni prova, e per assicurare che il sistema vestibolare venga testato a partire da uno stato stazionario. Per fornire un riscontro sulla loro percezione del movimento, i partecipanti spostano una freccia mediante un joystick per indicare il proprio spostamento rispetto all'origine. L'origine viene presentata come un avatar visto da tre punti di osservazione diversi, e la freccia viene sempre posizionata casualmente prima dell'aggiustamento, antecedente alle prove. È fondamentale addestrare il partecipante a utilizzare con precisione il sistema di riscontro.

Dovrebbero essere in grado di puntare la freccia verso oggetti presenti nell'ambiente circostante, ad esempio il joystick appoggiato sulle loro gambe durante la prova. Il movimento del joystick è vincolato al piano della traiettoria e i partecipanti possono utilizzare uno o più punti di vista durante la raccolta dei dati. Ogni condizione sperimentale viene ripetuta tre volte e presentata in ordine casuale.

I dati dei 16 partecipanti sono stati analizzati. Uno. I punteggi estremi sono stati eliminati; la modalità e l'angolo non hanno avuto alcun effetto significativo sulla stima del movimento. Tuttavia, i partecipanti hanno sottostimato l'ampiezza dell'angolo di movimento nel piano orizzontale di quasi nove gradi e sovrastimato l'ampiezza dell'angolo nel piano frontale di circa cinque gradi. Qui.

È stato riscontrato che il fattore angolo interagisce in modo significativo con il fattore del piano frontale, in modo tale che le sovrastime siano maggiori per movimenti effettuati attraverso 45 gradi rispetto ai movimenti attraverso 90 gradi. Inoltre, è stato osservato che la modalità interagisce in modo significativo con l'angolo, tale per cui le sottostime derivanti esclusivamente dall'informazione vestibolare per movimenti attraverso 90 gradi sono significativamente maggiori rispetto alle condizioni visiva e combinata. Tali discrepanze risultano assenti per movimenti effettuati attraverso 45 gradi.

Il tempo di risposta si è rivelato significativamente più lento quando il feedback era fornito esclusivamente in base ai segnali cinestetici vestibolari, rispetto alle condizioni visiva e combinata. I partecipanti sono stati inoltre significativamente più lenti quando spostati nel piano orizzontale rispetto agli altri piani. Questi risultati sono davvero sorprendenti, poiché suggeriscono che la rappresentazione dello spazio da parte del cervello non è simmetrica tra le diverse dimensioni.

Sappiamo da tempo che le persone tendono a sottostimare il proprio movimento nel piano orizzontale; per la prima volta qui mostriamo che ciò non avviene nella dimensione verticale. In futuro, potremo utilizzare questi metodi per costruire traiettorie in tutte e tre le dimensioni, inclusi percorsi curvilinei. Ciò ci permetterà di rispondere ad ulteriori domande, come ad esempio come il cervello riesce a integrare il movimento tra diversi piani e come gestisce le svolte.