自动化被动手指触觉刺激器（TAPS）

Summary

我们描述了一个计算机控制的设备，为调查触觉：自动化被动手指触觉刺激器（TAPS）。我们描述的水龙头组件，并展示如何使用水龙头管理两个区间被迫选择触觉光栅方向测试。

Abstract

虽然触觉空间视力测试是在神经科学的研究和临床评估的存在，少数自动化设备提供控制空间结构的刺激皮肤。因此，调查通常适用于手动触觉刺激。手动刺激应用程序费时，需要极大的关怀和浓度对调查的一部分，并留下许多刺激参数失控。我们在这里描述的一个计算机控制的触觉刺激系统，自动化被动手指的触觉刺激器（TAPS），适用于空间结构对皮肤的刺激，发病速度，接触力和接触时间，控制。水龙头一个功能强大的可编程系统，能够有效地开展各种心理物理学程序。我们描述的水龙头组件，并展示如何使用水龙头管理两个区间被迫选择触觉光栅方向测试。

通讯作者：丹尼尔Goldreich

Protocol

简介

自动化被动手指触觉刺激器（TAPS）是一个计算机控制系统，对皮肤的压力机结构表面，以衡量一个人的触觉空间视力。我们在杜肯大学的设备设计和建造，并修改其目前的形式在加拿大麦克马斯特大学。在这里，我们提供了一个水龙头的功能的概述。然后，我们描述设备的组成部分，由其他研究人员，以促进其繁殖。最后，我们展示水龙头如何进行心理物理学实验。

1。设备概述

丝锥采用重力按压刺激表面皮肤（图1）。主体的扶手舒适俯卧在桌面上。指尖（或其他面积的皮肤进行测试）在于对表中的一个隧道。下面的表中，步进电机旋转的磁盘，最多可容纳至40个刺激件，定位下的隧道部分之一。重力向下的力施加在一个旋转杆的一端悬挂质量的。一个纵横延伸，从一个线性驱动器运输，防止移动杆。重力的影响下杆的支点，作为执行器电机，按下一个刺激一块向上穿过隧道，在皮肤上。简单的物理与接触皮肤刺激面上升的速度，执行机构的速度和触觉刺激的静力挂大规模的重量。作为执行器反向杆返回其起始位置，刺激片滴。因此，该装置适用于触觉刺激控制的力量，速度，接触时间，并刺激间的时间间隔。主题选择一个按钮来注册一个响应与非测试手。 TAPS的检测响应和收益提供未来的刺激。

图1。物理学的水龙头。丝锥控制发病速度和稳定状态的刺激力。

发病速度：从线性驱动器横梁（红色）移动到右边以速度V _1，旋转杆的左端，在重力的作用下滴;杆的右端，因此对刺激件以上的印刷机手指以速度V ₂ = V _{1（L 2} / L _3）。因为V ₁是在计算机控制下，V _2，可设置为调查所需的任何值。

力：重力施加一个向下的力，F ₁ =镁的质量为M，（其中g = 9.8米/秒^2）。这将导致对手指 ​​按下一个向上的力，F ₂的刺激一块。对于无质量杆，F ₂ = F _1（L - ₁ / _L，2）。由于棒是不是事实无质量，F ₂是凭经验确定，由力传感器测量。研究者要进行微调到F _2，可以改变的M沿杆的位置。 F ₂ M是向左移动略有增加（增加L - _1），并略有下降，M是向右移动（降低L - _1）。大众要做出较大调整到F _2，可以改变的。

2。组件和器件功能的详细信息

一移动部件

丝锥使用两个步进电机驱动线性驱动器运输，和其他含有刺激件旋转的磁盘。这两个马达控制丝锥的所有运动部件。这些部件趴在一个较低的表主体的扶手从上表是机械耦合。由于这两个表的耦合，电机造成的震动不会传输到皮肤。表仔细对齐，通过上表的隧道，直接旋转棒接触刺激一块以上。

我们加工的旋转盘的圆周周围40平方米插槽，以适应刺激件。我们构建了全方位的塑料棒，加工棒刺激件有适合的磁盘插槽的方形轴。这将确保件不其插槽内旋转旋转的磁盘。我们切成片圆面孔刺激的表面。

当执行器托架马达前进，对面悬挂质量的旋转杆结束上升到选定的刺激一块底部联系。由于杆描述成一个弧形向上摆动，这是一个轻巧的塑料轴承轮刺激片的底部，以消除摩擦配合。这种塑料轮子轻微转动，因为它推动了Stimulus片向上，无塑料轮，杆端略有横向拉的一块基地（对图左1），通过上表造成堵塞在隧道内的一块。为了进一步确保平稳上升轨道的一块，该隧道是适合用塑料的衣领，斜面直接向隧道中心的一块一块上升。

II。传感器

TAPS的六个传感器的使用，以确保正常运作：两个主场传感器，三个限制传感器，力传感器。

计算机驱动器和磁盘家传感器信号，执行器托架和磁盘在他们所需的初始位置是在实验的开始。执行器主页传感器是霍尔效应传感器;磁盘家传感器是一个U形的光电传感器，激活时，一块僵硬纸粘到磁盘RIM打破了红外传感器束。当磁盘在家庭的地位，是一个特定的插槽对齐下的隧道，直接在上层表。随后的所有磁盘的运动计算是相对于这个著名的起始位置。

三个限制传感器发生故障的情况下，作为安全功能。为了防止万一控制失灵的执行机构马车失控运动，驱动器的正向和反向限位传感器（霍尔效应传感器）配合。如果激活，这些执行机构切断电源。为了防止事件刺激片成为滞留在隧道中的磁盘的运动，一个红外线反射传感器连接到上层表底部的表面。一个升高到足以进入隧道的一块打破这种传感器的红外光束投，和块命令到磁盘步进电机的电压。

第六次也是最后一次的传感器，力传感器，取决于主体的指甲轻轻地（图2）。该传感器检测向下进入隧道，向前或向后手指的运动。该方案丢弃在其中的运动发生的试验。由于传感器连接到一个刚性的手臂，另外防止手指从接触后被动上升一块向上移动。由于我们使用水龙头测试被动式（手指固定）空间触觉敏锐，力传感器是一个至关重要的因素。对手指运动的最后的预防措施，我们轻轻地对手指的两侧，以防止横向运动场所塑料障碍。

图2。B.力传感器来检测手指的运动。A.力传感器在90度印刷机附近指甲表面的角质层，50和80克之间的力量，榜样的力量传感器跟踪显示一秒钟前接触一秒钟保持固定的手指接触，用手指刺激一块。请注意，接触（时间= 0）时，刺激件从下面的力量推动的手指更加坚定了对传感器（有效跟踪斜坡上升）。C.如果试图向下移动手指的主题，以更好地感受到刺激表面，然后指甲和传感器之间的力量减弱（箭头）。该传感器还寄存器力波动，如果这个问题向前或向后移动手指。水龙头编程放弃任何试验，其中超过一个门槛金额（例如，20克）的传感器和指甲波动的力量之间的接触，而皮肤与刺激表面接触。使用计算机生成的声音，水龙头，可以选择性地警告检测运动的主题。

III。振动和声音阻尼

TAPS的“步进马达产生振动，而这又反过来导致声音。振动和声音都是不可取的。振动，如果传送到皮肤上，可能会干扰主体的能力来执行的触觉任务。随着时间的推移，振动也可能导致在丝锥的组件的机械不稳定。声音可能会分散主题。基于这些原因，我们已采取措施，以减少震动和声音，并达到主体，以防止任何震动。

最重要的是，下限和上限的表不互相联络。只有在这个意义上，它们是连接，它们都接触地板。因此，振动电机，较低的表的其余部分，不传送到主体的手臂，在于上层表。此外，减少震动和声音如下：较低的表玻璃纤维窗帘封闭围巾设备声音; PVC / FIBER钢筋夹着之间的执行机构，其基地的执行机构产生的振动吸收一些抗振动垫;执行器基地坐落在四个橡胶圆柱的夹心坐骑，这有助于进一步抑制振动;磁盘步进电机基地也坐在橡胶坐骑（注射器柱塞橡胶）和硅胶O型圈环绕的刺激件轴，减少磁盘转动的哒。

IV。刺激饮片

丝锥使用修改后的直径为半英寸的棒，按空间结构的表面，对皮肤（图3）。棒加工有方形的竖井。棒轮面临含有刺激面;棒的方轴放入旋转盘的圆周周围40平方米插槽，确保刺激表面保持其应有的磁盘旋转方向。

任何刺激的表面可能被加工成棒的面孔。我们用的水龙头主要适用于方波光栅（即平行脊和沟槽）。要创建这些，我们开始用直径0.5“聚甲醛塑料圆柱棒，长3”。我们使用Sherline铣床，切割棒2.75“，2”长正方形截面轴（8.7 × 8.7毫米），和一个0.75“长，12.74毫米直径的圆形圆柱头，然后我们碾槽，在创建刺激表面的圆脸。每个刺激表面平等脊和沟槽的宽度，我们做了件槽宽度范围从0.25至3.10毫米，0.15毫米递增。我们这20槽宽度各为两个相同的刺激件，共40件。然后我们插入磁盘等，是代表在每个槽宽度平方米插槽件垂直（手指长轴平行）和水平（横向手指长轴）方向。

图3。刺激片。每个刺激表面磨成面对一个直径为0.5英寸的聚甲醛棒。被切断，有一个方形截面杆的基地，允许它在旋转盘的方形切口放入。显示片的表面是一个方波光栅，与平行的槽脊的宽度相等。

五，计算机控制

水龙头一个完全自动化，计算机控制系统。许多计算机硬件和软件配置，可用于控制设备。我们目前使用的是Macintosh G3运行的LabVIEW 6.1（美国国家仪器）。计算机通信通过一个步进电机驱动器，命令驱动器和磁盘电机，并阅读的家庭传感器和限位开关的电机控制器板。一个PCI数据采集板读取力传感器和受响应按钮。

VI。部队和时序限制

力范围：我们用水龙头提供从10到50克不等的力量刺激。我们怀疑，在组件的摩擦会妨碍交付的刺激下约5克的力量，和一些机械不稳定，会出现超过100克左右的力量。

刺激间的时间间隔（ISI）：刺激的表面和手指之间的距离，以及线性驱动器和磁盘步进电机的稳定速度，以及设置该设备可以实现对ISI的下限。我们估计在1.5秒左右，这个限制。因此，该设备是不适合作为掩蔽实验，要求亚秒级的三军情报局等应用。

3。进行实验

在这里，我们描述了一个协议，可以使用的水龙头：两间隔被迫的选择（2国际金融公司）光栅方向任务（GOT）与贝叶斯自适应跟踪。 TAPS可以编程，以及许多其他心理物理学协议。我们已经用它先前进行跟踪与楼梯^1,2和2国际金融公司的实验，不断刺激的方法。当然，它是能够进行是/否程序，以及2国际金融公司。

2，国际金融公司了任务，对于我们使用方波光栅接触用手指远端垫4厘米/ GM的接触力，50秒的发病速度，1秒的接触时间。每个试验包括两个连续的刺激简报（ISI：2秒）与沟槽宽度相同的光栅，但不同的方向为90度。在一个演示文稿，槽垂直对齐（平行），并在其他水平（横向），手指的长轴。刺激的顺序是由计算机程序随机选择。主题表示水平方向是否发生在第一或第二的时间间隔，与非测试手按两个按钮之一。一个贝叶斯自适应方法调整克roove宽度从审判审判。

我们编程丝锥与修改后的版本的PSI（Ψ）的方法，贝叶斯自适应算法^3。这种方法有几个优点，比传统的自适应方法，如楼梯方法，。首先，PSI的方法，估计不只是一个单点上的心理功能（例如，71％的门槛，估计由2跌1的楼梯），但整个的心理功能。其次，该方法产生心理功能参数的贝叶斯后验概率分布（从而置信区间）。最后，该方法是有效的。它拥有在可能的心理功能的形状记忆数以千计，并在更新后，每个响应每个函数的后验概率。然后，它使用预期的熵最小化程序，选择下一个刺激，这就是，它选择对每个试验，预计将最大限度地发挥信息增益的刺激。

Kontsevich和泰勒³之后，我们仿照作为一个刺激水平的电源功能ð -首相，每个主题的心理功能- _P彗星（X），一个刺激水平，x的函数正确的反应的可能性-的混合物一个累积的正常（概率）功能和递减率长期：


在这里， 一个是阈值（对应76％的正确反应概率的刺激水平，D -首相= 1），b是斜率为主体的心理功能，。

我们修改当作一个未知的值的参数的递减率（增量）Ψ算法，并通过计算每次试验后的“猜测贝叶斯因子”：


这贝叶斯因子是一种似然比，根据假设1中的数据进行比较的可能性，主体是猜测，根据假设2数据的概率，这一主题有一个心理功能。分子为主体的数据的概率，D组（在每个凹槽宽度的正确和不正确的反应）的主题仅仅是猜测在所有的试验，包括目前的审判（50％的概率正确的）。分母是算法的主体的心理功能的最佳估计数据的可能性。根据我们的经验，最年轻的学科的贝叶斯因子迅速接近零测试块的进展，表明主体的表现，符合一个心理功能。对于一些年长者，贝叶斯因子高于1，表明这个问题是无法执行任务。 TAPS可以编程终止测试块，如果猜测贝叶斯因素已经超过阈值后指定数量的试验。

4。结果

图4显示了实验的块组成的40次试验，从2国际金融公司GOT的实验。这40试块由80刺激主体的右手中指，1秒钟的接触时间和2秒的三军情报局之间在一个单一的审判接触。主体的76％正确的阈值是1.7毫米，后验概率密度函数（PDF）的阈值参数（C组）的模式。为主体的阈值参数后的PDF的宽度表示，95％可信区间为1.3 - 1.9毫米。

图4 2间隔被迫选择光栅定位任务的结果。A.一个实验块，在这种情况下适用于右手中指的40试验。这个题目的正确（加号）和在不同的凹槽宽度不正确（空心圆）的反应是策划对试验数。一个贝叶斯自适应方法（见文）确定的凹槽宽度适用于基于主体的表现，序列。B.适合这个问题的最好的心理功能。C.后 ​​验概率密度函数为主体的76％正确的槽宽（心理功能的一个参数，对应于D -首相= 1）。

Discussion

空间结构的机械性刺激的控制下交付对面临的挑战不是在视觉或听觉刺激，可以使用市售的设备（电脑屏幕，音响喇叭）的交付。出于这个原因，许多触觉心理物理学实验仍然使用手册刺激交付。

触觉刺激的手动交付是费时，而且需要极大的关怀和对调查的一部分浓度。例如，Bleyenheuft等⁴报告说，“大约1-2毫米的皮肤垂直变形的手动应用... ...考官特别注意，以避免任何可能扭曲措施之间的皮肤和光栅的剪应力。 ... ...“也许是因为人工刺激交付相对缓慢和集中密集，使用这种方法的许多研究都受雇于是/否（只是每一个试验的刺激），而不是两个区间被迫选择协议。

不幸的是，即使采取非常谨慎的，人工刺激交付留下许多的刺激参数失控。这些参数包括刺激的力量，发病速度，持续时间，和对皮肤的刺激表面的稳定。这些参数的，也许是最好的研究及其对性能的影响是刺激力。人类在光栅上的指尖从500到1200微米⁵压痕深度变化的倾向歧视逐步改善;性能比50克^力 1，10克力之间的50克和200 ^克 6的观察虽然没有进一步改善。对于其他应用，如光栅检测（区分从沟槽表面的光滑），有效的增加显着提高整个10至²⁰⁰克2,6范围内的性能。

为了克服这些挑战与手工测试相关，我们开发的自动化系统，水龙头。我们在建设水龙头的目的是创建一个简单，安全，多功能，高效和负担得起的的设备控制的触觉刺激的应用。重力控制的使用是一种简单，安全的办法适用于触觉刺激。安全保证，因为对皮肤的力量不能超过，由于重力的作用。强大的线性驱动器，转移到皮肤上的重力，然后撤回接触。该设备是通用的，因为它会容纳任何刺激表面到半英寸直径的棒的两端（或附加上）加工，并可以通过编程来运行各种心理物理学的协议。水龙头高效，迅速部署的刺激，可以运行省时的自适应算法。最后，水龙头组件小额赠款持有人负担得起。电机成本约为1,500元;（不包括计算机，但包括PCI板和步进电机驱动器），电子元件，约6000美元。约$ 1,000可购买一个微型铣床及配件，或专业的机械师可以聘请到轧机的刺激件和其他小零件。

我们希望这个系统将被他人复制，并有助于促进对触觉控制的测试，这在近年来已经看到了可喜的^进展 5,7,8,9移动。

Materials

Material Name	Type	Company	Catalogue Number	Comment
Name	Company	Catalog Number	Comments
Delrin plastic rods 0.5” diameter 3” long		Small Parts	ZRD-08	Rods from which the stimulus pieces are made
Chrome-steel bearing, 0.5" bore diameter		Small Parts	BR-08-01	Pivot for the rotating rod
Plastic bearing, 0.5” bore, 1.125” outer diameter, 0.25” thick		Small Parts	BRP-08-01	Wheel at end of rotating rod
Fiberglass curtain, 0.75” thick		McMaster-Carr	9781T83	Sound absorbing curtain around lower table
Silicone O-rings 5/16" inside diameter		McMaster-Carr	AS568A- 011	To reduce vibration of stimulus pieces
Anti-Vibration Pads 2"x 2", 93 PSI max		McMaster-Carr	60105K61	Put under the linear actuator
Rubber sandwich mounts 1/2" H x 3/8" W		McMaster-Carr	9378K11	Put under linear actuator base
Stepper motor Nema 23, 3-stack		Industrial Devices	S23	For rotating the stimulus disk
Linear rodless actuator		Industrial Devices	R2S23N-105A-18-l-M35M	To control rotating bar movement
1 Hall effect switch “normally open” config.		Industrial Devices	RP1	Actuator home sensor
2 Hall effect switches “normally closed” config.		Industrial Devices	RP2	Actuator limit sensors
Micro switch		Honeywell	FSG15N1A	Finger force sensor
Retro-reflective sensor		Honeywell	FE7B-RB6VG-M	Piece position sensor
Motor controller board, closed-loop control		National Instruments	PCI-step-4CX	Mediates communication between computer and Nudrive
Nudrive stepper motor driver		National Instruments	Nudrive 4SX-211	Sends command voltages to the linear actuator and disk stepper motors
Data acquisition board		National Instruments	PCI-MIO-16E-1	Reads finger force sensor
LabVIEW		National Instruments		Programming language
Valuemotion library		National Instruments		Motor control routines
Photoelectric sensor		Panasonic	PM-K53-C1	Disk home sensor
Mini milling machine		Sherline	2010-DRO	For machining the stimulus surfaces
Ohaus precision mass set		Edmund Scientific		Mass on rotating bar
Parrish Magic Line aluminum cake pan bottom, 9” diam.		Sur La Table		Rotating disk machined with square cut-outs to hold the stimulus pieces