MPI CyberMotion सिम्युलेटर: एक उपन्यास प्रस्ताव सिम्युलेटर का कार्यान्वयन तीन आयाम में multisensory पथ एकता जांच

Summary

कैसे मनुष्य स्वयं तीन आयामों में नेविगेट में जानकारी पाने के लिए एक कुशल वर्णित है. विधि परंपरागत सिमुलेटर द्वारा अप्राप्य मायनों में पर्यवेक्षकों चलती करने में सक्षम एक प्रस्ताव सिम्युलेटर का लाभ लेता है. परिणाम पुष्टि करते हैं कि क्षैतिज विमान में आंदोलन को कम करके आंका है, जबकि ऊर्ध्वाधर आंदोलन है overestimated है.

Abstract

Path integration is a process in which self-motion is integrated over time to obtain an estimate of one’s current position relative to a starting point ¹. Humans can do path integration based exclusively on visual ^2-3, auditory ⁴, or inertial cues ⁵. However, with multiple cues present, inertial cues – particularly kinaesthetic – seem to dominate ^6-7. In the absence of vision, humans tend to overestimate short distances (<5 m) and turning angles (<30°), but underestimate longer ones ⁵. Movement through physical space therefore does not seem to be accurately represented by the brain.

Extensive work has been done on evaluating path integration in the horizontal plane, but little is known about vertical movement (see ³ for virtual movement from vision alone). One reason for this is that traditional motion simulators have a small range of motion restricted mainly to the horizontal plane. Here we take advantage of a motion simulator ^8-9 with a large range of motion to assess whether path integration is similar between horizontal and vertical planes. The relative contributions of inertial and visual cues for path navigation were also assessed.

16 observers sat upright in a seat mounted to the flange of a modified KUKA anthropomorphic robot arm. Sensory information was manipulated by providing visual (optic flow, limited lifetime star field), vestibular-kinaesthetic (passive self motion with eyes closed), or visual and vestibular-kinaesthetic motion cues. Movement trajectories in the horizontal, sagittal and frontal planes consisted of two segment lengths (1st: 0.4 m, 2nd: 1 m; ±0.24 m/s² peak acceleration). The angle of the two segments was either 45° or 90°. Observers pointed back to their origin by moving an arrow that was superimposed on an avatar presented on the screen.

Observers were more likely to underestimate angle size for movement in the horizontal plane compared to the vertical planes. In the frontal plane observers were more likely to overestimate angle size while there was no such bias in the sagittal plane. Finally, observers responded slower when answering based on vestibular-kinaesthetic information alone. Human path integration based on vestibular-kinaesthetic information alone thus takes longer than when visual information is present. That pointing is consistent with underestimating and overestimating the angle one has moved through in the horizontal and vertical planes respectively, suggests that the neural representation of self-motion through space is non-symmetrical which may relate to the fact that humans experience movement mostly within the horizontal plane.

Protocol

1. KUKA Roboter GmbH MPI CyberMotion सिम्युलेटर एक छह संयुक्त एक 3-2-1 विन्यास में धारावाहिक रोबोट (चित्रा 1) के होते हैं. यह के वाणिज्यिक KUKA Robocoaster (संशोधित के.आर. 500 500 किलो पेलोड के साथ औद्योगिक रोबोट) पर आधारित है. भौतिक संशोधनों और सॉफ्टवेयर नियंत्रण संरचना के लिए एक लचीला और सुरक्षित प्रयोगात्मक सेटअप है की जरूरत पहले वेग गति सिम्युलेटर और त्वरण सीमाओं, और देरी और 9 प्रणाली के हस्तांतरण समारोह सहित वर्णित किया गया है,. पिछले स्थापना से संशोधन नीचे परिभाषित कर रहे हैं. चित्रा 1 वर्तमान MPI CyberMotion सिम्युलेटर काम अंतरिक्ष के ग्राफ़िकल प्रतिनिधित्व. जटिल गति प्रोफाइल है कि rotations के साथ पार्श्व आंदोलनों गठबंधन MPI CyberMotion सिम्युलेटर के साथ संभव हो रहे हैं. एक अक्ष, 4 और 6 क्षमताओं n लगातार बारी बारी से. हार्डवेयर के 4 जोड़े सीमा के दोनों दिशाओं में एक्सिस 2, 3 और 5 के अंत में बंद हो जाता है. रैखिक आंदोलनों की अधिकतम सीमा दृढ़ता से स्थिति से जो आंदोलन शुरू होता है पर निर्भर है. वर्तमान हार्डवेयर MPI CyberMotion सिम्युलेटर के अंत तक बंद हो जाता है तालिका 1 में दिखाया जाता है. अक्ष रेंज [डिग्री] मैक्स. वेग [/ डिग्री है] एक अक्ष निरंतर 69 दो अक्ष -128 करने के लिए -48 57 3 अक्ष -45 के लिए 92 69 4 अक्ष निरंतर 76 5 अक्ष -58 के लिए 58 76 6 अक्ष निरंतर 120 NT के> 1 टेबल MPI CyberMotion सिम्युलेटर की वर्तमान तकनीकी विनिर्देशों. इससे पहले कि कोई भी प्रयोग MPI CyberMotion सिम्युलेटर पर किया जाता है, प्रत्येक प्रयोगात्मक गति प्रक्षेपवक्र KUKA अनुकरण कार्यालय (पीसी) पीसी पर एक परीक्षण चरण की प्रक्रिया है. "कार्यालय पीसी" एक विशेष उत्पाद KUKA जो वास्तविक रोबोट भुजा simulates और समान ऑपरेटिंग सिस्टम भी शामिल है और असली रोबोट के रूप में नियंत्रण स्क्रीन लेआउट द्वारा बेचा है. MPI के CyberMotion सिम्युलेटर का एक खुले पाश विन्यास के लिए नियंत्रण प्रणाली का एक योजनाबद्ध सिंहावलोकन चित्रा 2 में दिखाया गया है. चित्रा 2 MPI CyberMotion सिम्युलेटर के खुले पाश नियंत्रण प्रणाली के योजनाबद्ध सिंहावलोकन. बड़ा आंकड़ा के लिए यहाँ क्लिक करें . नियंत्रण के विवरणtructure 9 यहां पाया जा सकता है. संक्षेप में, वर्तमान प्रयोग में इस्तेमाल किया है कि के रूप में एक खुले पाश विन्यास के लिए, trajectories कार्तीय निर्देशांक में इनपुट trajectories उलटा कीनेमेटीक्स (चित्रा 2) के माध्यम से संयुक्त अंतरिक्ष कोण कनवर्ट करके पूर्व क्रमादेशित रहे हैं. MPI नियंत्रण प्रणाली इन वांछित संयुक्त कोण वेतन वृद्धि में पढ़ता है और KUKA नियंत्रण प्रणाली के लिए इन भेजता मोटर धाराओं के माध्यम से धुरी आंदोलनों प्रदर्शन. संयुक्त रिज़ॉल्वर मान KUKA नियंत्रण प्रणाली है जो 12ms के एक आंतरिक दर है, जो बारी में अगले संयुक्त फ़ाइल से में MPI नियंत्रण प्रणाली द्वारा पढ़ा जा वेतन वृद्धि ट्रिगर पर वर्तमान संयुक्त कोण पदों को निर्धारित करता है के लिए भेजा जाता है के रूप में अच्छी तरह के रूप में वर्तमान संयुक्त लिखने डिस्क पर कोण पदों. MPI और KUKA नियंत्रण प्रणालियों के बीच संचार एक ईथरनेट कनेक्शन KUKA – RSI प्रोटोकॉल का उपयोग कर रहा है. एक racecar (RECARO ध्रुव स्थान) सीट 5 सूत्री सुरक्षा बेल्ट प्रणाली (SCHROTH) के साथ सुसज्जित एक हवाई जहाज़ के पहिये whi से जुड़ा हुआ हैचर्चा एक footrest शामिल है. हवाई जहाज़ के पहिये रोबोट भुजा का निकला हुआ किनारा (चित्र 3a) के लिए मुहिम शुरू की है. प्रयोगों भी संलग्न केबिन (3b चित्रा) के भीतर बैठने की प्रतिभागियों द्वारा संभव हो रहे हैं. 3. को MPI CyberMotion सिम्युलेटर सेटअप आंकड़ा. ) एक एलसीडी डिस्प्ले के साथ प्रयोग के लिए विन्यास. ख) सामने प्रक्षेपण स्टीरियो प्रदर्शन के साथ एक बंद कमरे की आवश्यकता होती है प्रयोगों के लिए विन्यास. ग) फ्रंट प्रक्षेपण मोनो प्रदर्शन. घ) प्रमुख प्रदर्शन घुड़सवार. प्रयोग के रूप में अंधेरे में किया जाता है, अवरक्त कैमरों को नियंत्रण कक्ष से दृश्य की निगरानी की अनुमति. 2. विज़ुअलाइज़ेशन एकाधिक दृश्य के विन्यास MPI CyberMotion सहित सिम्युलेटर एलसीडी, स्टीरियो या मोनो सामने प्रक्षेपण, और सिर घुड़सवार प्रदर्शित करता है (चित्रा 3) के साथ संभव हो रहे हैं. वर्तमान के लिएप्रयोग स्वयंगति दृश्य cues एक एलसीडी डिस्प्ले (चित्र 3a) पर्यवेक्षकों के सामने जो अन्यथा अंधेरे में परीक्षण किया गया में 50 सेमी रखा द्वारा प्रदान की जाती हैं. दृश्य प्रस्तुति Virtools 4.1 सॉफ्टवेयर का उपयोग कर उत्पन्न किया गया और एक यादृच्छिक, सीमित जीवन समय डॉट क्षेत्र शामिल है. एक भागीदार के देखने के बिंदु (यानी, 16 x 16 एक्स आकार में 8 इकाइयों) से सामने, सही, बाएं, ऊपर, और नीचे की ओर आठ आभासी इकाइयों के विस्तार षटफलक 200.000 बराबर आकार 0.02 इकाइयों सफेद हलकों के निर्वाचकगण कणों से भर गया था एक काले रंग की पृष्ठभूमि के सामने व्यास में. डॉट्स अनियमित अंतरिक्ष (अंतरिक्ष के भीतर सजातीय प्रायिकता बंटन) भर में वितरित किए गए. आभासी इकाइयों में आंदोलन भौतिक गति (1 आभासी = इकाई 1 शारीरिक मीटर) के साथ 1 1 अनुरूप करने के लिए बढ़ाया गया था. प्रत्येक कण दो सेकंड के लिए गायब हो जाने से पहले दिखाया गया था और तुरंत अंतरिक्ष के भीतर एक यादृच्छिक स्थान पर फिर से दिखा रहा है. इस प्रकार डॉट्स के आधे से बदल उनकीएक दूसरे के भीतर स्थिति. .085 और 4 इकाइयों की दूरी के बीच डॉट्स प्रतिभागियों (13 ° और 0.3 ° इसी दृश्य कोण) में प्रदर्शित किए गए. डॉट क्षेत्र के भीतर आंदोलन शारीरिक गति के साथ गति trajectories MPI नियंत्रण UDP प्रोटोकॉल का उपयोग कर एक ईथरनेट कनेक्शन के द्वारा प्रेषित कंप्यूटर से प्राप्त करने के द्वारा सिंक्रनाइज़ किया गया था. जब डॉट क्षेत्र के माध्यम से चलती डॉट्स की औसत संख्या सभी आंदोलनों के लिए निरंतर रहे. इस प्रदर्शन नहीं पूर्ण आकार पैमाने प्रदान की है, लेकिन ऑप्टिक प्रवाह और डॉट्स के रूप में गति लंबन एक निश्चित आकार के साथ क्षेत्रों थे, अपने पर्यवेक्षक के सापेक्ष दूरी के अनुसार छोटी लग रही. 3. प्रयोगात्मक डिजाइन 16 प्रतिभागियों, पहनी थी, जो एक लेखक (MB सी) के अपवाद के साथ प्रयोग करने के लिए भोले थे शोर रद्द headphones के experimenter के साथ दो तरह से संचार की अनुमति देने के लिए एक माइक्रोफोन के साथ सुसज्जित है. अतिरिक्त श्रवण शोर लगातार headpho के माध्यम से खेला गया nes के आगे मुखौटा रोबोट द्वारा उत्पादित शोर. प्रतिभागियों को एक कस्टम निर्मित एक ईथरनेट कनेक्शन UDP प्रोटोकॉल का उपयोग कर के माध्यम से प्रेषित डेटा के साथ प्रतिक्रिया बटन के साथ सुसज्जित जोस्टिक इस्तेमाल किया. दो आंदोलन खंडों के कोण या तो 45 डिग्री या 90 डिग्री था. क्षैतिज, बाण के समान और ललाट विमानों के आंदोलनों में शामिल: आगे दाहिनी ओर (एफआर) या दाहिनी ओर आगे (आरएफ), नीचे से आगे (लोमो) या (एफडी) आगे नीचे, और नीचे दाहिनी ओर (डा.) या दाहिनी ओर नीचे (आरडी) आंदोलनों (चित्रा 4a). 4 चित्रा प्रक्रिया के. ) एक प्रयोग में इस्तेमाल किया trajectories के योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व. ख) प्रत्येक प्रकार प्रक्षेपवक्र परीक्षण के लिए संवेदी जानकारी प्रदान की. ग) के कार्य की ओर इशारा करते हुए, जहां प्रतिभागियों सोचा था कि वे से चला गया था मूल संकेत किया.rge.jpg "लक्ष्य =" _blank "बड़ा आंकड़ा के लिए यहाँ क्लिक करें. संवेदी जानकारी उपलब्ध कराने के द्वारा चालाकी से किया गया था दृश्य (ऑप्टिक प्रवाह सीमित जीवनकाल सितारा क्षेत्र), vestibular kinaesthetic (आंखों के साथ निष्क्रिय स्वयं गति बंद), या दृश्य और vestibular – kinaesthetic गति संकेत (4b चित्रा). आंदोलन trajectories के दो खंड लंबाई (± मी / 0.24 2 शिखर त्वरण; 4b चित्रा 1 मीटर:: 0.4 मीटर, 2 1) शामिल हैं. Trajectories अनुवाद के ही शामिल थे. प्रतिभागियों की संख्या घुमाव हुआ. गति से पहले प्रत्येक परीक्षण संभव हस्तक्षेप को कम करने और यह सुनिश्चित करें कि vestibular प्रणाली एक स्थिर राज्य से शुरू परीक्षण किया गया था, एक 15 है थामने के प्रत्येक प्रक्षेपवक्र पहले. पर्यवेक्षकों अपने मूल वापस करने के एक तीर है कि एक स्क्रीन पर प्रस्तुत (चित्र 4c) अवतार पर आरोपित किया गया था हिल द्वारा उठाई. तीर के आंदोलन में प्रक्षेपवक्र विमान के लिए विवश किया गया था और टी द्वारा नियंत्रितवह जोस्टिक. अवतार ललाट, बाण के समान और क्षैतिज दृष्टिकोण से प्रस्तुत किया गया था. पर्यवेक्षकों के लिए किसी एक या सभी दृष्टिकोण का उपयोग करने के लिए जवाब की अनुमति दी गई. तीर के शुरू अभिविन्यास परीक्षण भर में यादृच्छिक था. ओर इशारा करते हुए कार्य के रूप में प्रतिभागियों को मानसिक रूप के अहंकारपूर्ण से एक एक exocentric प्रतिनिधित्व करने के लिए उनकी ओर इशारा करते हुए परिप्रेक्ष्य को बदलने के लिए आवश्यक है, प्रतिभागियों को कैसे वापस अपने मूल करने के लिए बात करने के लिए अवतार के लिए संदर्भ के साथ अभ्यास और प्रयोगात्मक परीक्षण से पहले निर्देश दिए गए थे. प्रतिभागियों को कहा गया था कि ओर इशारा करते हुए अवतार के रूप में यदि अपने स्वयं के शरीर बनाया जाना चाहिए. प्रतिभागियों को फिर शारीरिक exocentric माप तकनीक का उपयोग कर स्वयं को सापेक्ष लक्ष्यों को इंगित करने के निर्देश दिए थे. उदाहरण के लिए, प्रतिभागियों को जोस्टिक खुद को और स्क्रीन है, जो प्रतिभागियों तीर इंगित करने के लिए आगे और नीचे अवतार के लिए सापेक्ष आवश्यकता के बीच अपने गोद में आधे मार्ग पर आराम करने के लिए इस बिंदु के निर्देश दिए थे. सभी प्रतिभागियों के लिए इन करने में सक्षम थेभ्रम की स्थिति को व्यक्त करने के बिना कार्य. प्रत्येक प्रयोगात्मक हालत 3 बार दोहराया गया था और यादृच्छिक क्रम में प्रस्तुत है. त्रुटि पर हस्ताक्षर किए और प्रतिक्रिया समय में दो अलग – अलग (विमान) 3 * (कोण) 2 3 * (साधन) उपायों एनोवा दोहराया निर्भर चर के रूप में विश्लेषण किया गया. एक चरम ग़ैर भागीदार से प्रतिक्रिया समय विश्लेषण से हटा दिया गया. 4. प्रतिनिधि परिणाम पर हस्ताक्षर किए त्रुटि परिणाम, रूपात्मकता और कोण में ढह जाता है के रूप में कोई महत्वपूर्ण मुख्य प्रभाव इन कारकों के लिए पाया गया चित्रा 5a आंदोलन विमान की महत्वपूर्ण मुख्य प्रभाव (एफ (2,30) 7.0 =, पी 0.003 =) जहां पर्यवेक्षकों कोण आकार को कम करके आंका से पता चलता है. ( आंदोलन के लिए औसत 0 ° से कम) (-8.9 °, 1.8 से) क्षैतिज प्लेन में डेटा. ललाट विमान पर्यवेक्षकों में औसत पर और अधिक होने की संभावना कोण आकार (5.3 रहेंगे, 2.6 से) अतिप्राक्कलन थे, जबकि वहाँ बाण के समान विमान (-0.7 °, 3.7 से) में ऐसी कोई पूर्वाग्रह था. कइले कोण और साधन की मुख्य प्रभाव महत्वपूर्ण नहीं थे, कोण के लिए काफी विमान के साथ बातचीत पाया गया था (एफ (2,30) = 11.1, 0.001 <पी) ऐसा है कि ललाट विमान में overestimates आंदोलनों के लिए ° 45 (7.9 के माध्यम से बड़ा थे ° , 2.6 से) की तुलना में 90 के माध्यम से डिग्री (°, 2.7 से 2.8), जबकि एक ऐसी विसंगति अन्य विमानों के लिए अनुपस्थित था. इसके अलावा, साधन के लिए महत्वपूर्ण कोण के साथ बातचीत पाया गया था (एफ (2,30) = 4.7, 0.017 = पी) ऐसा है कि अकेले 90 डिग्री के माध्यम से आंदोलनों के लिए vestibular जानकारी से underestimates काफी बड़े थे (°, 2.1 से -4.3) की तुलना में दृश्य (-2.0 रहेंगे, 2.4 से) और vestibular और दृश्य सूचना (रहेंगे, 2.2 से 2.3) संयुक्त स्थितियों, जबकि 45 डिग्री के माध्यम से आंदोलनों के लिए ऐसी विसंगतियों अनुपस्थित थे. विषयों प्रभाव के बीच कोई महत्वपूर्ण हस्ताक्षर किए त्रुटि (एफ (1,15) = 0.7, 0.432 = पी) के लिए था चित्रा 5b प्रतिक्रिया समय परिणामों से पता चलता है. वहाँ एक महत्वपूर्ण का मुख्य प्रभाव था(एफ (2,28) = 22.6, 0.001 <पी) साधन है जहां पर्यवेक्षकों धीमी प्रतिक्रिया जब (9.3, 0.8 से) दृश्य और संयुक्त (9.0 की तुलना में vestibular kinaesthetic जानकारी अकेले (11.0 है, से 1.0) के आधार पर जवाब दे शर्तों, 0.8 से). वहाँ भी विमान के एक महत्वपूर्ण मुख्य प्रभाव (एफ (2,28) = 7.5, 0.002 = पी) जहां पर्यवेक्षकों धीमी प्रतिक्रिया बाण के समान (9.4, 0.8 से की तुलना में जब क्षैतिज विमान (10.4 है, से 1.0) में ले जाया गया था ) और ललाट विमानों (9.4, 0.9 से). खंड कोण का कोई महत्वपूर्ण मुख्य प्रभाव या किसी भी बातचीत की थी. विषयों प्रभाव के बीच एक महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया समय (एफ (1,14) = 129.1, 0.001 <पी) के लिए पाया गया. चित्रा 5 परिणाम. ) पर हस्ताक्षर किए त्रुटि परीक्षण विमानों के लिए साधन भर में गिर गया. ख) प्रतिक्रिया समय रूपरेखा के लिए आंदोलन विमानों भर में ढह गईपरीक्षण किया गया. 1 sem त्रुटि पट्टियाँ + /

Discussion

पथ एकीकरण को हल करने के लिए जहां एक पर्यवेक्षक उत्पन्न किया मतलब है, लेकिन कोण एक के underestimates के लिए संभावना है के रूप में स्थापित किया गया है ⁵ के माध्यम से ले जाया गया है. हमारे परिणाम, translational आंदोलन के लिए, लेकिन केवल क्षैतिज विमान के भीतर इस शो. ऊर्ध्वाधर विमानों में प्रतिभागियों को अधिक कोण के माध्यम से चले गए के लिए अतिप्राक्कलन या कोई पूर्वाग्रह नहीं सब पर है की संभावना है. इन परिणामों क्यों इलाके तय से अधिक ऊंचाई के अनुमान से ¹⁰ अतिरंजित हो जाते हैं और एक इमारत की विभिन्न मंजिलों के बीच भी स्थानिक नेविगेशन ¹¹ गरीब क्यों है समझा जा सकता है. इन परिणामों भी अणुकोश के रिश्तेदार अनुपात में जाना जाता है विषमताओं के लिए रिसेप्टर्स (0.58 ~~) ¹² utricule से संबंधित हो सकता है. धीमी प्रतिक्रिया समय vestibular kinaesthetic जब दृश्य जानकारी मौजूद है तुलना में जानकारी अकेले के आधार पर पता चलता है कि वहाँ अतिरिक्त अकेले जड़त्वीय संकेत पर आधारित है एक मूल निर्धारित करने की कोशिश कर के साथ जुड़े में देरी, हो सकता है जोहाल ही में कि vestibular धारणा दिखा अध्ययन करने के लिए संबंधित हो सकती है धीमी गति के अन्य ^13-16 होश के लिए तुलना में है. कुल मिलाकर हमारे परिणाम बताते हैं कि एक मूल का निर्धारण करने के लिए वैकल्पिक रणनीति जब खड़ी जो क्षैतिज विमान के भीतर है कि मनुष्य का अनुभव ज्यादातर आंदोलन तथ्य से संबंधित हो सकता है इस्तेमाल किया जा सकता है. इसके अलावा, जबकि अनुक्रमिक अनुवाद शायद ही अनुभव कर रहे हैं वे सबसे अक्सर बाण के समान विमान में होते हैं – जब हम की ओर चलने के लिए और एक चलती सीढ़ी पर कदम के रूप में जहां त्रुटियों को न्यूनतम कर रहे हैं. जबकि प्रयोग के बाद साक्षात्कार के विमानों के बीच विभिन्न रणनीति को प्रतिबिंबित नहीं था, प्रयोगों इस संभावना का पता लगाने चाहिए. स्वतंत्रता, अब पथ के अतिरिक्त डिग्री का उपयोग कर शरीर के साथ गुरुत्वाकर्षण के अलग केंद्रित सापेक्ष, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से देखने के बड़े क्षेत्रों है जो अब MPI CyberMotion सिम्युलेटर के साथ संभव हो रहे हैं का उपयोग trajectories के साथ प्रयोग के लिए तीन आयामों में आगे पथ एकीकरण प्रदर्शन की जांच की योजना बनाई है.

Materials

KUKA KR 500 Heavy Duty Industrial Robot

KUKA KCP KUKA Control Panel

KUKA KR C2 edition2005

KUKA KUKA Motion Control

RECARO Pole Position Seat

Schroth Enduro Belt

Dell 24″ 1920×1200 lcd display (effective field of view masked to 1200 x 1200)

VirTools 4.1

Custom built joystick with UDP communication