MPI CyberMotion Simulator: Implementatie van een nieuwe Motion Simulator uw zintuigen Pad Integratie Onderzoek in drie dimensies

Het algemene doel van het volgende experiment is om padnavigatie in drie dimensies te meten, terwijl de visuele en vestibulaire sensorische input van de deelnemer wordt gecontroleerd. Dit wordt bereikt met behulp van een aangepaste robotstoel met zes vrijheidsgraden die het vestibulaire systeem van de persoon in de stoel stimuleert. De deelnemer kijkt naar een virtueel sterrenveld. Door de robotstoel te bewegen en gelijktijdig het sterrenveld te wijzigen, biedt het systeem visuele en vestibulaire aanwijzingen aan de deelnemer.

De deelnemers geven feedback over de padnavigatie op basis van de nauwkeurigheid en de snelheid waarmee zij terug kunnen wijzen naar de onthouden startpositie. De resultaten laten zien dat een onnauwkeurige schatting van de eigen beweging afhankelijk is van het bewegingsvlak en de hoek waaronder zij worden bewogen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals bewegingsplatforms, is dat de MPI Cyber Motion-simulator beschikt over een grote werkruimte waarmee waarnemers in verschillende dimensies kunnen worden bewogen, in het bijzonder naar beneden.

Deze methode kan belangrijke vragen binnen de neurowetenschappen beantwoorden, zoals de vraag of het brein eigen beweging in verschillende dimensies op gelijke wijze representeert. Het idee voor deze experimenten kwam voort uit een studie van onze collega Manuel Vidal. Hij liet proefpersonen door virtuele doolhoven bewegen met enkel visuele presentatie.

Hier ontdekte hij dat de navigatie door de omgeving wordt belemmerd wanneer de MACES een verticale component bevatten. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de diagnose van ruimtelijke desoriëntatie, omdat ze een referentiepunt bieden voor padnavigatie in het normale brein. De NPI Cyber motion stimulator bestaat uit een zes-assige seriële robot in een 3, 2, 1 configuratie.

Het is gebaseerd op een industriële robot met een payload van 500 kilogram om de robot veilig te maken voor experimenten. Er zijn zowel aan de hardware als aan de software aanpassingen gedaan, waardoor complexe bewegingsprofielen mogelijk zijn die laterale bewegingen combineren met rotaties. Met de MPI cyber motion simulator.

As één, vier en zes kunnen continu roteren; vier paren hardware en aanslagen beperken as twee, drie en vijf in beide richtingen. Het maximale bereik van lineaire bewegingen is sterk afhankelijk van de positie van waaruit de beweging begint. Voordat er experimenten worden uitgevoerd, moet elk experimenteel bewegingstraject een testfase ondergaan.

Trajectorieën worden geprogrammeerd met een door KUKA ontworpen kantoor-pc om de MPI cyber motion simulator te configureren. In deze open-loop configuratie worden trajectorieën ingevoerd in Cartesische coördinaten en elke 12 milliseconden via inverse kinematica omgezet in gewrichtshoeken. De huidige gewrichtshoekposities worden vanuit het regelsysteem via een ethernetverbinding naar de MPI cyber motion simulator verzonden, waar ze incrementeel worden uitgelezen en op de schijf van de robot worden geregistreerd.

Een racestoel, uitgerust met een vijfpuntsveiligheidsgordelsysteem, is bevestigd aan een chassis met een voetensteun. Het chassis is gemonteerd op de flens van de robotarm. De participanten moeten een noise-cancelling koptelefoon dragen, voorzien van een microfoon voor tweewegcommunicatie met de experimentator.

Zij moeten tevens onbekend zijn met de experimentele opzet. Er wordt continu ruis via de koptelefoon afgespeeld, waardoor het geluid van de robot wordt gemaskeerd. Experimenten kunnen ook worden uitgevoerd door deelnemers in een gesloten cabine te plaatsen, waarbij het experiment in het donker wordt uitgevoerd.

Infraroodcamera's maken visuele monitoring vanuit de controlekamer mogelijk. Meerdere visualisatieconfiguraties zijn mogelijk, waaronder een LCD-scherm, een stereofrontprojectie, een monofrontprojectie of een head-mounted display. In dit experiment worden visuele aanwijzingen voor eigen beweging geboden door een LCD-display, dat 50 centimeter voor de waarnemers is geplaatst om visuele cues te leveren.

De software presenteert een virtuele OID-ruimte gevuld met 200.000 stippen aan de deelnemer. Elke stip in de ruimte is getekend als een witte cirkel tegen een zwarte achtergrond. Het scherm toont stippen die overeenkomen met visuele hoeken van 13 tot 0,3 graden.

Deze stippen bevinden zich op een afstand van 0,085 en vier virtuele eenheden van de deelnemer. De beweging van het virtuele veld is gesynchroniseerd met de fysieke beweging via bewegingstrajecten vanuit de MPI-besturingscomputer om parallax te creëren tussen de optische flow en de beweging.

De stippen die dieper in het gezichtsveld liggen, worden kleiner getekend, ongeacht de bewegingen van de deelnemer. Elke stip wordt gedurende twee seconden asynchroon getoond voordat deze willekeurig opnieuw wordt toegewezen. In totaal bewegen er dus honderdduizend stippen per seconde.

Een op maat gemaakte joystick, uitgerust met responsknoppen, stelt deelnemers in staat om gegevens via een ethernetverbinding naar het controlesysteem te verzenden. Sensorische informatie kan worden gemanipuleerd door uitsluitend visuele cues te geven vanuit het beperkte sterrenveld van de levensduur. Alleen vestibulaire kinesthetische cues vanuit de passieve eigenbeweging terwijl de ogen van de deelnemer gesloten zijn, of beide cues terwijl de ogen van de deelnemer open zijn.

In dit experiment bestonden de bewegingstrajecten uit twee segmentlengtes. De eerste is 0,4 meter en de tweede is één meter. De hoek tussen twee willekeurige bewegingssegmenten is ingesteld op ofwel 45 graden of 90 graden.

Bijvoorbeeld, beweging in het horizontale vlak bestaat uit ofwel voorwaartse beweging naar rechts over 90 graden, beweging naar rechts over 45 graden, voorwaartse beweging over 90 graden of voorwaarts-rechtse beweging over 45 graden. Deze typen bewegingen worden ook uitgevoerd in het sagittale en frontale vlak. Trajecten worden uitgevoerd als translaties zonder rotatie.

Aan elke traject wordt een repositioneringssequentie voorafgegaan, gevolgd door een pauze van 15 seconden om eventuele interferentie door beweging vóór elke trial te verminderen. Om ervoor te zorgen dat het vestibulaire systeem vanuit een stabiele toestand wordt getest om feedback over hun waargenomen beweging te geven, verplaatsen deelnemers een pijl met een joystick om hun beweging ten opzichte van hun oorsprong aan te geven. De oorsprong wordt gepresenteerd als een avatar vanuit drie gezichtspunten, en de pijl wordt vóór de trials telkens willekeurig geplaatst voordat deze wordt bijgesteld. Het is essentieel om de deelnemer te trainen om het feedbacksysteem nauwkeurig te gebruiken.

Ze moeten in staat zijn om de pijl naar objecten in hun omgeving te richten, zoals de joystick die tijdens de proef op hun schoot rust. De beweging van de joystick is beperkt tot het trajectvlak, en deelnemers kunnen gebruikmaken van een willekeurig aantal of alle standpunten bij het verzamelen van gegevens. Elke experimentele conditie wordt drie keer herhaald en in willekeurige volgorde gepresenteerd.

De gegevens van de 16 deelnemers werden geanalyseerd. Extreme uitschieters werden weggelaten; modaliteit en hoek hadden geen significant effect op de geschatte beweging. De deelnemers onderschatten echter de grootte van de bewegingshoek in het horizontale vlak met bijna negen graden en overschatten de hoekgrootte in het frontale vlak met ongeveer vijf graden.

Er werd vastgesteld dat de hoekfactor significant interacteerde met de factor van het frontale vlak, zodanig dat overschattingen groter waren bij bewegingen over 45 graden dan bij bewegingen over 90 graden. Daarnaast bleek dat de modaliteit significant interacteerde met de hoek, waarbij onderschattingen op basis van uitsluitend vestibulaire informatie bij bewegingen over 90 graden significant groter waren in vergelijking met de visuele en gecombineerde condities. Dergelijke discrepanties waren afwezig bij bewegingen over 45 graden.

Er werd vastgesteld dat de reactietijd significant trager was wanneer feedback uitsluitend werd gegeven op basis van vestibulaire kinesthetische signalen, vergeleken met de visuele en gecombineerde condities. De deelnemers waren ook significant trager wanneer zij in het horizontale vlak werden bewogen in vergelijking met andere vlakken. Deze resultaten zijn zeer verrassend, omdat ze suggereren dat de representatie van de ruimte in de hersenen niet symmetrisch is over de dimensies heen.

We weten al enige tijd dat mensen hun beweging in het horizontale vlak hebben de neiging te onderschatten; hier tonen we voor het eerst aan dat dit niet het geval is in de verticale dimensie. In de toekomst zullen we deze methoden kunnen gebruiken om paden in alle drie de dimensies te construeren, inclusief gebogen paden. Dit zal ons in staat stellen om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe de hersenen in staat zijn bewegingen over verschillende vlakken heen te integreren, en hoe ze bochten navigeren.