החלת גירויים חזותיים קלקל במהלך העברת האובייקט עם משוב Vibro מישוש

Summary

אנו מציגים פרוטוקול להחלת גירויים חזותיים קלקל במהלך משימת העברת אובייקט. באופן ספציפי, במהלך העברות בלוקים, ביצוע כאשר היד מוסתרת, מצגת וירטואלית של הבלוק מראה מופעים אקראיים של טיפות בלוק שווא. הפרוטוקול גם מתאר הוספת משוב vibrotactile ישוש בעת ביצוע משימה מוטורית.

Abstract

היישום של אותות חישה קלקל המערבת משוב מישוש מקבל לעתים רחוקות לחקור, במיוחד עם נוכחות של משוב vibrotactile (VTF). פרוטוקול זה נועד לבחון את ההשפעה של VTF על התגובה לגירויים חזותיים קלקל. המשוב מישוש נרכש על ידי האוחז בלוק והזזתו על פני מחיצה. המשוב החזותי הוא מצגת וירטואלית בזמן אמת של הבלוק נע, הנרכש באמצעות מערכת לכידת תנועה. המשוב התואם הוא התצוגה המהימנה של תנועת הבלוק, כך שהנושא מרגיש שהבלוק נתפס ורואה אותו זז יחד עם הדרך של היד. המשוב הקלקל מופיע כאשר התנועה של הבלוק מבליטה את נתיב התנועה בפועל, כך שנראה לרדת מן היד כאשר הוא עדיין מוחזק על ידי הנושא, ובכך סותר את המשוב מישוש. עשרים נושאים (גיל 30.2 ± 16.3) חוזרים על 16 בלוק העברות, בעוד היד שלהם היה מוסתר. אלה חזרו עם VTF ומבלי VTF (סך של 32 בלוק העברות). גירויים קלקל הוצגו באקראי פעמיים בתוך 16 חזרות בכל תנאי (עם ובלי VTF). כל נושא התבקש לדרג את רמת הקושי של ביצוע המשימה עם ובלי VTF. לא היו הבדלים משמעותיים מבחינה סטטיסטית באורך נתיבי היד ומשכים בין העברות שנרשמו עם אותות חזותיים וקלקל מישוש ויזואלי – עם ובלי VTF. רמת הקושי נתפסת של ביצוע המשימה עם VTF בקורלציה משמעותית עם אורך הנתיב מנורמל של הבלוק עם VTF (r = 0.675, p = 0.002). הגדרה זו משמשת לכמת את ערך התוסף או הקשר של VTF במהלך התפקוד המוטורי הכרוך קלקל גירויים חזותיים מישוש. יישומים אפשריים הם עיצוב תותבת, ספורט ללבישה חכמים, או כל בגדים אחרים המשלבים VTF.

Introduction

האשליות מגבמות את מגבלות החושים שלנו, כפי שאנו תופסים בטעות מידע שחורג מהמציאות האובייקטיבית. היסק התפיסתי שלנו מבוסס על הניסיון שלנו בפענוח נתוני חישה ובחישוב המוח של האומדן האמין ביותר של המציאות בנוכחות קלט חושי מעורפל¹.

תת-קטגוריה בחקר האשליות היא אחת המשלבת אותות חישה קלקל. האשליה שנובעת מאותות קלקל חושים מקורו באינטגרציה רבת החושים המתמדת שבוצעה על-ידי המוח שלנו. אמנם יש מחקרים רבים בנוגע incongruence אותות חזותיים-שמיעתי, incongruence בזוגות חושים אחרים הוא פחות דיווח. הבדל זה במספר הדוחות עשוי להיות מיוחס לפשטות גבוהה יותר בעיצוב התקנה המשלבת incongruence ויזואלית שמיעתי. עם זאת, מחקרים המדווחים על תוצאות הנוגעות לזוגות סנסוריים אחרים, מעניינים. לדוגמה, ההשפעה של אותות חזותיים מקלקל על רגישות חזותית² נחקרה באמצעות מערכת שבה הגירויים החזותיים והאפוטיים התאימו בתדר המרחבי; עם זאת, האוריינטציה האפוטית והחזותית הייתה זהה (מדומה) או אורתוגונלי (קלקל). במחקר אחר, ההשפעה של גירוי תנועה חזותית קלקל על הכיוון החזותי הנתפס של התנועה נחקר באמצעות מקשה שילוב חזותי-מודאלי ויזואלי עם פאנל מואר המציג גירויים חזותיים ומישוש מגירוי המציג גירויים בתנועה מישוש עם כיוון תנועה שרירותי, מהירות, ועומק כניסות בעור³. הוצע כי אנו מייצגים באופן פנימי הן את התפלגות סטטיסטית של המשימה ואת חוסר הוודאות החושי שלנו, שילוב אותם בצורה עקבית עם ביצועים-אופטימיזציה תהליך בייסיאנית⁴.

המציאות הווירטואלית הפכה את היכולת להטעות את המשוב החזותי לנושא משימה קלה. מספר מחקרים השתמשו במציאות וירטואלית מרובת חושים כדי ליישר מידע חזותי והמגע המיחושי. לדוגמה, מציאות וירטואלית השתמשה לאחרונה כדי לגרום להתגלמות בגוף של ילד, עם או בלי הפעלה של עיוות קול בצורה של ילד⁵. בדוגמה אחרת, המצגת החזותית של מרחק ההליכה במהלך התנועה העצמית הורחבה ולכן קלקל עם מרחק הנסיעה הרגיש על ידי הסימנים המבוססים על הגוף⁶. מלכודת דומה של מציאות וירטואלית תוכננה עבור פעילות רכיבה על אופניים⁷. עם זאת, כל הספרות הנ ל לא משלבות הפרעה לאחד החושים, בנוסף לאות הקלקל. בחרנו בחוש המישוש. לקבל הפרעה כזו

מערכת חושי המישוש שלנו מספקת ראיות ישירות לשאלה אם האובייקט נתפס. לפיכך, אנו מצפים כי כאשר משוב חזותי ישיר הוא מעוות או לא זמין, התפקיד של מערכת חושית מישוש במשימות מניפולציה האובייקט יהיה בולט. עם זאת, מה יקרה אם ערוץ החישה מישוש היה גם מופרע? זוהי תוצאה אפשרית של שימוש במשוב vibrotactile (VTF) עבור הגדלת חושים, כפי שהוא לוכדת את תשומת הלב של הפרט⁸. כיום, משוב מוגבר של שיטות שונות משמש ככלי חיצוני, שנועד לשפר את המשוב החושי הפנימי שלנו ולשפר את הביצועים במהלך למידה מוטורית, בספורט ובהגדרות שיקום⁹.

המחקר של גירויים חזותיים קלקל המישוש עשוי לשפר את ההבנה שלנו לגבי תפיסת הקלט החושי. במיוחד, כימות של ערך התוסף או התהליך של VTF במהלך פונקציה מוטורית המערבת גירויים חזותיים קלקל, יכול לסייע בעיצוב תותבות בעתיד, ספורט הלבוש החכם, או כל בגדים אחרים המשלבים VTF. מאז נכים מונעים גירויים מישוש בהיבט המרוחק של שלהם, השימוש היומיומי שלהם של VTF, מוטבע התותבת להעביר ידע של אוחז, למשל, יכול להשפיע על איך הם תופסים משוב חזותי. הבנה של מנגנון התפיסה תחת תנאים אלה, יאפשר למהנדסים המושלמת שיטות VTF להפחית את ההשפעה השלילית על משתמשי VTF.

כיוונו לבדוק את ההשפעה של VTF על התגובה לגירויים חזותיים קלקל. בכיוונון המוצג, המשוב מישוש נרכש על ידי האוחז בבלוק והזזתו לאורך מחיצה; המשוב החזותי הוא מצגת וירטואלית בזמן אמת של הבלוק הנע והמחיצה (הנרכשת באמצעות מערכת לכידת תנועה). מכיוון שהנושא נמנע מלראות את תנועת היד הממשית, המשוב החזותי היחיד הוא הווירטואלי. המשוב התואם הוא התצוגה המהימנה של תנועת הבלוק, כך שהנושא מרגיש שהבלוק נתפס ורואה אותו זז יחד עם דרך היד. המשוב הקלקל מופיע כאשר התנועה של הבלוק מבליטה את נתיב התנועה בפועל, כך שנראה לרדת מן היד כאשר הוא עדיין מוחזק על ידי הנושא, ובכך סותר את המשוב מישוש. שלושה השערות נבדקו: בעת הזזת אובייקט ממקום אחד למשנהו באמצעות משוב חזותי וירטואלי, (i) את הנתיב והמשך של תנועת ההעברה של האובייקט יגדל כאשר הקלקל גירויים חזותיים מישוש מוצג, (ii) שינוי זה יהיה להגדיל כאשר גירויים חזותיים קלקל מוצג ו vtf מופעל על הזרוע הנעה, ו (iii) מתאם חיובי יימצא בין רמת הקושי נתפסת של ביצוע המשימה עם vtf מופעל הנתיב והמשך של ה תנועה העברה של האובייקט. ההשערה הראשונה נובעת מהספרות המוזכרת לעיל, אשר מדווחת כי שיטות שונות של משוב קלקל משפיעות על תגובותינו. ההשערה השנייה מתייחסת לממצאים הקודמים כי VTF לוכדת את תשומת הלב של הפרט. עבור ההשערה השלישית, הנחנו שנושאים שהיו מופרעים יותר על-ידי VTF, יוכלו לבטוח במשוב החזותי הווירטואלי יותר מאשר חוש המישוש שלהם.

Protocol

הפרוטוקול הבא עוקב אחר ההנחיות של ועדת האתיקה של המחקר האנושי של האוניברסיטה. ראה טבלת חומרים להתייחסות למוצרים המסחריים.

הערה: לאחר קבלת אישור ועדת האתיקה של האוניברסיטה, 20 אנשים בריאים (7 זכרים ו -13 נקבות, ממוצע וסטיית תקן [SD] של גיל 30.2 ± 16.3 שנים) גויסו. כל נושא לקרוא וחתם על טופס הסכמה מושכלת מראש המשפט. קריטריוני הכללה היו אנשים ימניים בגילאי 18 ומעלה. קריטריוני אי-הכללה היו ליקוי נוירולוגי או אורתופדיות המשפיעות על הגפיים העליונות או על ליקוי ראייה שלא תוקן. הנושאים היו נאיביים למופעים של משוב קלקל מישוש חזותי.

1. הכנה לפני משפט

1. השתמש תיבת עץ מהתיבה וחוסם לבדוק¹⁰. הממדים של התיבה הם 53.7 ס"מ x 26.9 ס"מ x 8.5 ס"מ באמצע זה, הוא מחיצה בגובה של 15.2 ס מ. מניחים שכבת ספוג רכה משני צדי המחיצה. מניחים שישה סמנים פסיבי רפלקטיבי על ההיבט מול המסך, בארבע הפינות ובשני קצותיו של המחיצה (איור 1a).
2. השתמש 3D-מדפסת כדי לייצר קוביה עם מידות של 2.5 ס"מ x 2.5 ס"מ x 2.5 ס"מ, מצורף בסיס עם מידות של 4.5 ס"מ x 4.5 ס"מ x 1 ס מ. לפני ההדפסה, חותכים כל פינה של הבסיס כדי ליצור ריבוע של גודל 1 ס"מ x 1 ס"מ בכל פינה (איור 1a). הצמד סמני רפלקטיבי פאסיביים בארבע פינות הבסיס.
3. מניחים מסך גדול כ 1.5 מ' מול שולחן, כך שנושא, עומד מאחורי השולחן, הוא כ 2 מטר מהמסך. הנח את התיבה על השולחן, 10 ס מ מהקצה המנוגד למסך.
4. השתמש במערכת לכידת תנועה של 6 מצלמות, המופעלת ב-100 Hz, עם תוסף להמחיש את המחיצה ואת התנועה של הבלוק בזמן אמת (איור 1). כיול את מערכת לכידת התנועה, בהתאם להנחיות של היצרן, כך הבלוק והמחיצה של התיבה מזוהים כגופים קשיחים.
   הערה: כיול נאות של מערכת לכידת התנועה ושימוש בסמנים קטנים המחוברים היטב לבלוק ולמחיצה נדרשים כדי לשמור על האשליה.

2. הצבת מערכת המשוב הויברושי בנושא

הערה: מערכת ה-vtf המתוארת במסמך זה פורסמה בעבר^11,12,^13,14.

1. הנחה את הנושא להסרת שעון יד, צמידים וטבעות. חבר את בקר המערכת VTF לאמה של הנושא (איור 2, התמונה השמאלית).
2. חברו שני חיישני כוח דקים וגמישים להיבט הימני של האגודל והאצבעות על שכבת ספוגית דקה (איור 2, תמונה נכונה).
3. מניחים את השרוול על העור של הזרוע העליונה של הנושא (איור 2, שמאל התמונה) ולהשתמש תופסן כדי לסגור את השרוול בנוחות. השרוול יכיל שלושה מפעילים מישוש המופעל באמצעות פלטפורמת אבי-טיפוס אלקטרוניים בקוד פתוח בתדר של 233 הרץ ביחס ליניארי לכוח הנתפס על ידי חיישני הכוח. חיישני הכוח ומפעילים מישוש מחוברים לפלטפורמת אבי-הטיפוס אלקטרוניים בקוד פתוח דרך חוטי חשמל מוגנים.

3. VTF ההפעלה

1. לחץ על הלחצן כדי להפעיל את הסוללה המצורפת לבקר (איור 2, תמונה שמאלית).
2. בקשו מהנושא ללחוץ על האצבעות האינסטרומנטציה של חיישן הכוח (כלומר, האגודל ואצבעות המפתח) בקלילות. שימו לב שהנושא ידווח על תחושת רטט באזור שמתחת לשרוול.
3. הורה לנושא להתאמן במשך 10 דקות באחיזה בקלות ככל האפשר, תוך שימוש בשתי האצבעות האינסטרומנטציה בלבד. בקש מהנושא להרים את הבלוק, להזיז אותו ולמקם אותו בחזרה על השולחן מספר פעמים, תוך ניסיון להחיל כמות מינימלית של כוח בבלוק. עודד את הנושא לנסות להפחית את הכוח המוחל, גם אם החסימה מושמעת במהלך האחיזה.

4. מיצוב והכנת הנושא

1. הנחה את הנושא לעמוד קרוב לטבלה (עד 10 ס מ ממנה), שם ממוקמות התיבה והמחיצה.
2. הצב מפריד בקצה הטבלה ליד הנושא ומעל התיבה, כך שהנושא אינו מסוגל לראות את התיבה, אך יכול בקלות לראות את המסך לפניו או אותה (איור 1a). עבור המחיצה, להשתמש בחומר לא רפלקטיבי קשה, רצוי עץ, קבוע על ארבע רגליים, אשר לאפשר את ההתאמה של גובה שלהם, כדי להתאים נושאים של גבהים שונים.
3. הנחה את הנושא להניח את האוזניות על ראשו.
4. הצב את הבלוק באמצע התא הימני של התיבה והנחה את ידו של הנושא.

5. התחלת המשפט

הערה: המשפט המתואר חוזר על עצמו פעמיים, עם וללא ה-VTF (עיצוב חוצה-מעל מומלץ לאמת ללא השפעה למידה). כדי לבצע את המשפט ללא VTF, כבה את הסוללה המצורפת לבקר (איור 2).

1. הפעל את התוכנה השליטה על המצלמות של מערכת לכידת תנועה.
2. בלוח הבקרה של תוכנת המשוב החזותי (איור 1b), בחר עם/ללא vtf, הקלד את הקוד של הנושא, לחץ על הפעלה, התחברות, פתיחה והתחלה.
3. הנחה את הנושא לביצוע 16 חזרות של העברת הבלוק עם היד האינסטרומנטציה של חיישן הכוח בעת הצגת התנועה של הבלוק הווירטואלי על המסך (איור 1b). לאחר כל העברה, הזז את הבלוק חזרה לרוחב המחיצה אל מיקומו ההתחלתי.
4. לאחר השלמת הנושא 16 חזרות, לחץ על עצור.
5. בקש מהנושא לדרג את רמת הקושי של ביצוע המשימה של העברת הבלוק 16 פעמים פעמיים, עם ובלי VTF, בהתאם לקנה המידה הבא: ' 0 ' (לא קשה בכלל), ' 1 ' (קצת קשה), ' 2 ' (קשה במיוחד), ' 3 ' (מאוד קשה) ו-' 4 ' (קשה מאוד).

6. ניתוח פוסט

1. השתמש בנתוני הקואורדינטות התלת-ממדיים של הבלוק לחישוב הנתיב של הבלוק וזמן ההעברה שלו. סמן את זמן התחלתה וההיסט של כל העברה באופן ידני כאשר הבלוק הוא בגובה של החישוקים של הימין (התחלה) ולאחר מכן שמאלה (היסט) הצדדים של התיבה. חישוב אורך הנתיב של כל העברה בהתאם למשוואה הבאה:
   1
   היכן הם קואורדינטת תלת-ממד של הבלוק בשתי נקודות זמן עוקבות.
2. עבור שני התנאים, עם ובלי VTF, ממוצע אורך הנתיב וזמן ההעברה פעם אחת עבור שני העברות עם אותות חזותיים קלקל מישוש ופעם עבור 14 העברות עם אותות חזותיים מישוש ויזואלי.
3. מנורמל את הנתיב ואת הזמן במהלך העברת בלוקים בנוכחות של אותות חזותיים קלקל-מישוש על ידי הנתיב והזמן במהלך העברת בלוקים עם נוכחות של אותות חזותיים מישוש. בצע את הנורמליזציה בנפרד עבור שני התנאים (עם ובלי VTF).
4. בצע את הפעולות החוזרות ונשנות של ANOVA עם שני גורמים: VTF (עם ובלי) וקלקל משוב חזותיים (עם ובלי).
5. אם אין הבדלים סטטיסטיים כאשר מנתחים את התוצאות בעקבות ההוראות בסעיף קטן 6.4, יש להשתמש באמצעי החזרה של בייסיאני עם שני גורמים¹⁵.
6. השתמש במבחן המתאם של ספיטמן עם רמת הקושי הנתפסת של ביצוע המשימה עם ה-VTF מופעל ועם הנתיב המנורמל ומשך התנועה
7. הגדר את המשמעות הסטטיסטית ל-p <. 05.

תוצאות

השתמשנו בטכניקה המתוארת כדי לבחון את שלושת ההשערות שכאשר מעבירים אובייקט ממקום אחד למשנהו באמצעות משוב חזותי וירטואלי: (i) הנתיב והמשך של תנועת ההעברה של האובייקט יגדל כאשר גירויים חזותיים קלקל מישוש וצגים (ii) שינוי זה יגדל כאשר גירויים חזותיים קלקל ויזואלית מוצג VTF מופעל על הזרוע הנעה; ו-(ii...

Discussion

במחקר זה, פרוטוקול המכמת את ההשפעה של הוספת VTF על העברת האובייקט kinאמאם בנוכחות של גירויים חזותיים קלקל מישוש הוצג. למיטב ידיעתנו, זהו הפרוטוקול היחיד הזמין כדי לבדוק את ההשפעה של VTF על התגובה לגירויים חזותיים קלקל-מישוש. השלבים הקריטיים מספר מעורב ביישום של גירויים חזותיים קלקל במהלך העבר?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printer	Makerbot		https://www.makerbot.com/
Box and Blocks test	Sammons Preston		https://www.performancehealth.com/box-and-blocks-test
Flexiforce sensors (1lb)	Tekscan Inc.		https://www.tekscan.com/force-sensors
JASP	JASP Team		https://jasp-stats.org/
Labview	National Instruments		http://www.ni.com/en-us/shop/labview/labview-details.html
Micro Arduino	Arduino LLC		https://store.arduino.cc/arduino-micro
Motion capture system	Qualisys		https://www.qualisys.com
Shaftless vibration motor	Pololu		https://www.pololu.com/product/1638
SPSS	IBM		https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software