Entwurf und Verwendung eines Geräts zur Darstellung von Greifobjekten im 3D-Arbeitsbereich
Summary
Hier wird ein Protokoll zum Aufbau eines automatischen Geräts vorgestellt, das einen Affen zur Durchführung der flexiblen Reach-to-Grasp-Aufgabe führt. Das Gerät kombiniert eine 3D-Übersetzungsvorrichtung und einen Drehtisch, um mehrere Objekte in einer beliebigen Position im 3D-Raum darzustellen.
Abstract
Das Erreichen und Greifen sind hochgekoppelte Bewegungen, und ihre zugrunde liegende neuronale Dynamik wurde in den letzten zehn Jahren weithin untersucht. Um das Erreichen und Greifen von Codierungen zu unterscheiden, ist es wichtig, unterschiedliche Objektidentitäten unabhängig von ihren Positionen darzustellen. Präsentiert wird hier das Design eines automatischen Geräts, das mit einem Drehtisch und einem dreidimensionalen (3D) Übersetzungsgerät montiert wird, um dieses Ziel zu erreichen. Der Drehtisch schaltet verschiedene Objekte, die unterschiedlichen Grifftypen entsprechen, während das 3D-Übersetzungsgerät den Drehtisch im 3D-Raum transportiert. Beide werden unabhängig von Motoren angetrieben, so dass Zielposition und Objekt beliebig kombiniert werden. Inzwischen werden die Flugbahn- und Grifftypen des Handgelenks über das Motion Capture System bzw. Touchsensoren aufgezeichnet. Darüber hinaus werden repräsentative Ergebnisse beschrieben, die erfolgreich ausgebildete Affen mit diesem System nachweisen. Es wird erwartet, dass dieser Apparat Forschern erleichtern wird, Kinematik, neuronale Prinzipien und Gehirn-Maschine-Schnittstellen im Zusammenhang mit der Funktion der oberen Gliedmaßen zu studieren.
Introduction
Verschiedene Apparate wurden entwickelt, um die neuronalen Prinzipien zu untersuchen, die dem Erreichen und Greifen der Bewegung bei nichtmenschlichen Primaten zugrunde liegen. Bei der Erreichung von Aufgaben, Touchscreen1,2, Bildschirmcursor durch einen Joystick gesteuert3,4,5,6,7, und Virtual Reality Technologie8 , 9 , 10 wurden alle für die Präsentation von 2D- bzw. 3D-Zielen eingesetzt. Um verschiedene Grifftypen einzuführen, wurden unterschiedlich geformte Objekte, die in einer Position fixiert oder um eine Achse drehen, häufig in den Greifaufgaben11,12,13verwendet. Eine Alternative besteht darin, visuelle Hinweise zu verwenden, um Probanden zu informieren, um dasselbe Objekt mit verschiedenen Grifftypen14,15,16,17zu erfassen. In jüngerer Zeit wurden das Erreichen und Greifen von Bewegungen gemeinsam untersucht (d.h. Probanden erreichen mehrere Positionen und erfassen mit verschiedenen Grifftypen in einer experimentellen Sitzung)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Frühe Experimente haben Objekte manuell vorgestellt, was unweigerlich zu geringer Zeit und räumlicher Präzision führt20,21. Um die experimentelle Präzision zu verbessern und Arbeitskräfte zu sparen, wurden automatische Präsentationsgeräte, die von Programmen gesteuert werden, weit verbreitet eingesetzt. Um die Zielposition und den Grifftyp zu variieren, haben die Experimentatoren mehrere Objekte gleichzeitig verfügbar gemacht, aber die relative (oder absolute) Position von Zielen und die Grifftypen sind miteinander verbunden, was durch Langzeittraining starre Brennmuster verursacht22 ,27,28. Objekte werden in der Regel in einer 2D-Ebene dargestellt, die die Vielfalt der Erreichen bewegung und neuronale Aktivität19,25,26begrenzt. Kürzlich wurden Virtual Reality24 und Roboterarm23,29 eingeführt, um Objekte im 3D-Raum zu präsentieren.
Hier werden detaillierte Protokolle für den Aufbau und die Verwendung eines automatisierten Geräts30 vorgestellt, das eine beliebige Kombination aus mehreren Zielpositionen und Grifftypen im 3D-Raum erreichen kann. Wir haben einen Drehtisch zum Wechseln von Objekten und ein 3D-Übersetzungsgerät entwickelt, um den Drehtisch im 3D-Raum zu transportieren. Sowohl der Drehtisch als auch die Übersetzungsvorrichtung werden von unabhängigen Motoren angetrieben. In der Zwischenzeit werden die 3D-Trajektorie des Handgelenks und der neuronalen Signale des Subjekts während des gesamten Experiments gleichzeitig aufgezeichnet. Das Gerät bietet eine wertvolle Plattform für die Untersuchung der Funktion der oberen Gliedmaßen beim Rhesusaffen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der hier beschriebene Verhaltensapparat ermöglicht eine versuchsweise Kombination unterschiedlicher Griff- und Greifbewegungen (d.h. der Affe kann unterschiedlich geformte Objekte an beliebigen 3D-Positionen in jeder Studie erfassen). Dies wird durch die Kombination eines benutzerdefinierten Drehtisches, der verschiedene Objekte umschaltet, und einer linearen Übersetzungsvorrichtung erreicht, die den Drehtisch an mehrere Positionen im 3D-Raum transportiert. Darüber hinaus konnten die neuronalen Signale des Affen, die …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Herrn Shijiang Shen für seinen Rat zur Gerätekonstruktion und Frau Guihua Wang für ihre Unterstützung bei der Tierpflege und -ausbildung. Diese Arbeit wurde unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China (2017YFC1308501), die National Natural Science Foundation of China (31627802), die Public Projects of Zhejiang Province (2016C33059) und die Fundamental Research Funds for the Zentrale Universitäten.
Materials
| Active X-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 600 mm; Load, 25 kg |
| Active Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm, Load 35 kg |
| Active Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Bearing | Taobao.com | 6004-2RSH | Acrylic |
| Case | Custom mechanical processing | TT-C | Acrylic |
| Connecting ring | CCM Automation technology Inc., China | 57/60-W50 | |
| Connecting shaft | CCM Automation technology Inc., China | D12-700 | Diam., 12 mm;Length, 700 mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-12 | Inner diam., 12-12mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-14 | Inner diam., 14-12mm |
| Electric slip ring | Semring Inc., China | SNH020a-12 | Acrylic |
| Locating bar | Custom mechanical processing | TT-L | Acrylic |
| Motion capture system | Motion Analysis Corp. US | Eagle-2.36 | |
| Neural signal acquisition system | Blackrock Microsystems Corp. US | Cerebus | |
| NI DAQ device | National Instruments, US | USB-6341 | |
| Object | Custom mechanical processing | TT-O | Acrylic |
| Passive Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm; Load 35 kg |
| Passive Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Pedestal | CCM Automation technology Inc., China | 80-W60 | |
| Peristaltic pump | Longer Inc., China | BT100-1L | |
| Planetary gearhead | CCM Automation technology Inc., China | PLF60-5 | Flange, 60×60 mm; Reduction ratio, 1:5 |
| Right triangle frame | CCM Automation technology Inc., China | 290-300 | |
| Rotator | Custom mechanical processing | TT-R | Acrylic |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01930 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.91 N·m; for Y- and Z-rail |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01330 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.27 N·m; for X-rail |
| Shaft | Custom mechanical processing | TT-S | Acrylic |
| Stepping motor | Taobao.com | 86HBS120 | Flange, 86×86 mm; Torque, 1.27 N·m; Driving turning table |
| Touch sensor | Taobao.com | CM-12X-5V | |
| Tricolor LED | Taobao.com | CK017, RGB | |
| T-shaped connecting board | CCM Automation technology Inc., China | 110-120 |
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