Makine sinirsel arayüzü ile çalışan protezleri eylemler üzerinde ajansı duygusu karakterizasyonu

Özet

Burada Ajansı duyusal sanal ya da robot protez eller denetimin üzerine geliştirilen duygusu karakterize bir protokol mevcut. Psikofizik soru formlarını Ajansı açık deneyimi yakalamak için istihdam edilmektedir ve zaman aralığı tahminleri (kasıtlı bağlama) örtülü olarak ajans duygusu ölçmek için istihdam edilmektedir.

Özet

Bu eser için açıkça kullanılabilir ve duyusal sanal ya da robot protez eller sinirsel-makine arayüzü (NMI) denetimin üzerine geliştirilen ajans duygusu örtülü olarak karakterize bir metodolojik çerçeve açıklar. Ajansı kendi varlık olarak bizim uzuvları ile gerçekleştirilecek eylemler ayırt temel bir oluşumdur. Gelişmiş üst ekstremite protezleri aynı algısal mekanizmaların dahil çabası, yapay bir kol daha yakından bacak kontrol için kullanıcının varolan bilişsel çerçeve içine entegre başlayabiliriz. Bu Kullanıcı kabul, kullanımı ve gelişmiş üst ekstremite protezleri etkin denetimini desteklenmesinde önemli etkileri vardır. Bu iletişim kuralı, katılımcılar sanal bir protez el kontrol ve onların önceden varolan NMIs aracılığıyla kinestetik duyusal geribildirim almak. Bir dizi sanal açgözlü görev gerçekleştirilir ve tedirginlikler sistematik kinestetik geribildirim ve sanal el hareketleri kullanılmaya başlanmıştır. İki ayrı ölçümlerini ajansı istihdam edilmektedir: psikofizik anket (açık deneyim ajansı yakalamak için) ve bir zaman aralığı tahmin Ajansı (kasıtlı bağlama) örtülü duygusunu yakalamak için görev kuruldu. Bu iletişim kuralı sonuçlarını (soru formu puanları ve zaman aralığını tahmin ediyor) ajansı oluşumu kapsamını ölçmek için analiz edilebilir.

Giriş

Robot protez giderek gelişmiş, ilgili duyusal geribildirim önemini büyümeye devam edecektir. Duyusal geribildirim nasıl insan algıladıkları, etkileşim ve hatta onların beden şemasına makineleri entegre etkiler. Son NMI teknikleri şimdi protez uzvu kullanıcılar ile sezgisel kontrol sağlamak ve elde etmek ile ilgili duyumları touch^{1,2,3,4,5,6 , 7} ve kinestezi (hareket anlamda)^8,9 ' eksik uzuvları. Bu duyusal bilgi işlem sırasında yapay uzuv izleyerek görsel bilgiler ile eşleştirildiğinde, öz -karşıayrım bilgilendirmek temel unsuru erişimimiz-diğer. Bu erişim yararlanarak getirmek protez uzvu Kullanıcı-e doğru bir adım daha yakın bir yapay uzuv sadece bir araç yerine onların beden bir parçası olarak çalışan için yardımcı olabilir.

Beden farkındalığı ve somutlaşan hissi doğar Ajansı (yazarlık zor durumda'nın eylemler üzerinde deneyimi) ve mülkiyet (bir bacak vücudun bir parçası duygu) kurulması^10,11. Mülkiyet öncelikle dokunmatik ve görsel bilgiler¹²entegrasyon sayesinde aracılık ettiği. Ajansı entegrasyonu niyet, hareket hissi (kinestezi), görsel bilgi ve tahmin bilişsel modelleri¹¹ortaya çıkıyor. Ne zaman o eylemi duyusal sonuçlarını hazırlayanın amacı ve Öngörüler sanatçının iç modelleri¹³ile hizalamak gönüllü bir eylem gösteri sırasında ajansı kuruldu. Ajansı ayrı ve mülkiyet farklıdır. Bacak mülkiyet kavramı sık protez edebiyat¹⁴' te okudu. Bir anlamda uzuv mülkiyet formlarda değmek geribildirim ölçülen açıkça soru formlarını veya örtülü olarak kalan uzuv sıcaklık değişiklikleri veya zamansal sırasını kararlar¹⁵dağınık şekilde ve geçici, uygun olduğunda NMI katılımcılar. Ancak, imkânları ajansı NMI¹⁶bağlamında keşfetmeye var. NMI katılımcı ile son iş bu ajansı kasıtlı yükseltilebilir ve mülkiyet⁸deneyimlerinden ayrı göstermiştir.

Nedensellik, duygu deneyimleri ile yapay uzuv'ın fiziksel eylemler kontrolünü bilişsel bir bağlantı olduğu gibi özellikle robot protez işleminde önemli kuruluşudur yapay uzuv kontrol etme ya da bir şey için neden ¹⁷oldu. Robot protez görevleri etkili bir şekilde tamamlamak için Kullanıcı ile işbirliği gerekir bilgisayarlı makineleri ileri seviyededir. Bazı prostetik uzuvların kavrama kaymaz algılama ve düzeltme gibi özerk işlevleri dahil olması; Kullanıcı denetimi dışına çalıştıran işlevselliği gibi sinir bozucu görüntülenebilir değilse gibi uygun şekilde^8,18uygulanan bu sistemleri sınırlı evlat edinme gördün mü. Bu insan işbirliği uygulamaları özerk makineleri ile yankılandı temel bir meydan okuma sunuyor. Yani, insanlar genellikle kendi eylemleri bu bilgisayarlar veya makineleri ile bir işbirliği kaynaklanan güven ve bu güven doğrudan Otonom fonksiyonları^19,20kullanmak için bir işleç'ın olasılığını etkiler. Insan olarak, doğuştan kendimizi ve vücudumuzun niyetimiz eylemleri gerçekleştirmek için güven; Bu elde edilir, biz ajansı içsel bir anlamda kurmak. İlginçtir, ajansı oluşumu kooperatif insan-bilgisayar eylemleri de etkilenir. İnsan-insan kooperatif görevleri sırasında ajansı paylaşılan bir anlamda hareketi²¹üzerinde oluşmuş; henüz, edebiyat paylaşılan bu ajansı insan-bilgisayar işbirliği^22,23sırasında ipotekli olduğunu göstermektedir. Bu zorlukları protez üst ekstremite kullanımda yansıtılır ve robotik cihazların ret oranları yüksek, % 23-39 ile kullanıcılarının % onların kullanım²⁴sona erdirme kalır. Aslında, birçok protez Kullanıcı hareketsiz tercih etmek sistemleri vücut güçlendirilmiş²⁵. Bu sistemler bilgisayarlı makine kontrol döngü kaldırmak ve daha yakından kullanıcının vücut hareketleri protez hareket yolu ile tel kablo için çift. Bu bilişsel entegrasyonu gelişmiş yapay organları kullanımındaki önemi daha da pekiştiriyor. NMI sistemleri kooperatif duygusu ajansı kurulması için suni uzuvların daha yakın hareket yardımcı olmak için gerekli duyusal ve motor parçaları bir dizi sağlayabilir ve bu kabul ve bunlar gerçek entegrasyonu teşvik vesile olacak öneririz bilgisayarlı Makine kullanıcıları ile.

Ajansı birkaç yolla ölçülen. En basit önlemleri psikofizik soru formlarını kullanın veya ölçekler o açıkça rica kimi ve neyi katılımcılara bir olay^17,26,27özniteliği. Bu bireyin mevcut algı üzerinde dayanır "kendi kendine" katılımcılar kendi kendine atıf ("Ben" ya da başka bir varlık bir eylem veya olay için sorumlu olduğunu açıkça yargılamayayani) çıkarımsal kararlarının yapmak isteyerek. Örtülü ölçüleri motor eylem ve duyusal olaylar sırasında oluşan bilişsel süreçler arka içgörü sağlamak. Bu da açıkça bir birey tarafından algılanan değildir ölçmek Bu görünüm ajansı çalışır. Genellikle bu bir algılanan fark öz - ve dışarıdan-eylemler, örneğin katılımcılar sahip bir öz - ve dışarıdan-oluşturulan olay arasında gerçekleşmesi için algılanan süre rapor generated karakterize katılımcılar alarak elde edilir ^{17 , 28}. Self-generated eylemler performans sırasında ajansı örtülü olarak eylemler ve kasıtlı bağlama²⁸bilinen onların duyusal sonuçları arasında zamanında algısal bir sıkıştırma olarak ortaya çıkar. Bireylerin bir eylem ve onun sonucu arasında gerçekleşmesi için algılanan zaman bildirdiğinizde, zaman daha kısa bir algılanan süre daha güçlü kurulan ajans^29,30duygusu karşılık gelir. İlginçtir, büyük olasılıkla birlikte ajans duygusu bilgilendirmek farklı algısal mekanizmaları¹⁷ karakterize gibi açık ve kapalı önlemler doğrudan ilişkilendirmek değil bu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, protez kullanımı sırasında ajansı oluşumu daha kapsamlı bir anlayış kurulması büyük olasılıkla deneysel protokoller açık ve kapalı önlemleri kullanan gerektirir.

Bu eser için açıkça kullanılabilir ve duyusal sanal ya da robot protez eller NMI denetimin üzerine geliştirilen ajans duygusu örtülü olarak karakterize bir metodolojik çerçeve açıklar. Ajansı sensorimotor nesne açgözlü görevi sırasında performansı ölçmek için iki teknik vurgulanır. Kurulan psikofizik anketleri zaman aralığı tahminleri (kasıtlı bağlama) örtülü olarak ajans duygusu ölçmek için istihdam edilmektedir iken Ajansı ' nın açık deneyimi yakalamak için istihdam edilmektedir.

Fizyolojik olarak ilgili aktif motor kontrol ve kinestetik geribildirim sağlar bir NMI bağlamında ajans duygusu değerlendirmek için bu protokolü kapsamıdır. Bu sanal ya da fiziksel protez NMI sistemleri için genelleştirilebilir tekniklerdir. Bu iletişim kuralı gerçekleştirmek için işe örneğin alınma olasılığını en az kısıtlamalar vardır. Örneğin, hareketlilik katılımcının üst ekstremite bilateral etkilenen değil (onlar bir ses bacak olması gerekir), ve bilişsel yetenek zamana dayalı kararlar olun ve deneyimli duyumları ifade sahip olması gerekir.

Protokol

Bu iletişim kuralı daha önce onaylanmış ve Cleveland Kliniği 's insan Araştırma Etik Komitesi kuralları izler.

1. donanım ve yazılım NMI

1. Onlar bir hareketi gerçekleştirmek çalıştığınızda, onlar görmek ve bu hareketi tamamlamak sanal bir protez hissediyorum her Event'deki NMI kontrol ve geri bildirim kurmak.
   1. Bir el kinestetik algı katılımcının NMI aracılığıyla oluşturmak ve ne hissettiklerini göstermek katılımcı sahip olarak algılanan hareket kinematik yakalamak olduğu gibi ellerini kullanarak.
      Not: kinestetik algı kinematik karakterize teknikleri diğer works⁸ ' resimli ve bir veri eldiven veya bir optik hareket yakalama sistemi kullanarak elde edilebilir.
   2. Sanal el/protez bir simülasyon hareket algılama kinematik oluşturmak için kullanılır.
   3. Donanımı kurma katılımcının NMI gelen kasıtlı el hareketi kontrol sinyalleri yakalamak için ayarlayın.
   4. Bu denetim sinyali sanal protezin faaliyete eşleyin.
   5. Koordinatları NMI kumanda sinyal edinimi, sanal protez hareketi ve kinestetik NMI geribildirim içinde gerçek-zaman nesil bir ana denetim programı oluşturun.

2. deneysel Kur

1. Katılımcı koltuk ve bir monitör yatay pozisyon (yani, yukarı bakacak şekilde sırtında) onları önünde bir masada.
2. Sanal protez monitörde görüntülemek ve eksik onların bacak konumu ile congruently konumlandırılmış, boyutunu ve konumunu ayarlayın.
3. El (bitiş noktası hareketinin) yakın ve açık pozisyonlar için durak noktaları olarak hizmet için sanal ortamda nesneleri (topları yüzenÖrneğin,) işlemek.
4. Ne zaman sanal basamak yapmak ana denetim programı yapılandırabilirsiniz (300, 500, 700 veya 1000 ms) ayarlanabilir bir saat gecikme sonra sanal durak noktaları ile iletişim, bir işitsel çalýnýr.

3. deneysel koşullar

1. NMI geribildirim açık açık/kapalı, hızını ve yönünü sanal el hareketi ve komut arasındaki gecikme işitsel sesi gecikme de dahil olmak üzere her deneme için ayarları belirtir ana kontrol programı için bir giriş dosyası ve sanal el hareketi.
   1. İki denetim koşullar, temel ve pasif bir koşul oluşturun.
      1. Temel koşul için kinematik ve NMI kinestetik algı eşleşecek sanal el kontrolünü yapılandırın.
         Not: Temel koşul motor niyet, hareket kinematik ve kinestetik geribildirim ideal eşleşmeyi gösterir.
      2. Katılımcı NMI kinestetik algı ile sağlarken (kullanıcıdan denetimi kaldırmak) araştırmacı tarafından tetiklendiğinde bir sanal el hareketi gerçekleştirmek için pasif koşulu program.
         Not: Pasif koşulu teorik en kötü durum ajansı koşulları (yani, yokluğunda hareketinin kontrolü [olmadan amacı], kişinin vücuduna pasif taşınmasını benzeyen) yakalar.
   2. Program ek koşullar ajansı katkıları motor niyet, kinestetik hissi ve sanal protezin görüntülenen kinematik geçici uyumsuzluk dışarı ayrıştırmak için tasarlanmış. Aşağıdaki beş koşulları kullanmayı düşünün.
      1. Hareketi karşısında: el görselleştirme açılırken el kapatır NMI kinestetik geribildirim gösterir.
      2. Çok hızlı: el görselleştirme NMI kinestetik geribildirim tarafından belirtilenden daha hızlı kapanır.
      3. Çok yavaş: el görselleştirme NMI kinestetik geribildirim tarafından belirtilenden daha yavaş kapanır.
      4. Başlangıçlı gecikme: el görselleştirme kapanır 1 s NMI kinestetik geribildirim tarafından belirtilenden daha sonra.
      5. Geribildirim yok: el görselleştirme herhangi bir NMI kinestetik geri bildirim kapatır.

4. deney performansını

1. Katılımcılar sürücü el açmak için kapalı konumda durmadan ve onların tahmini ne zaman temas sanal basamak işitsel sesi duyunca sanal durak noktaları üzerinden gecikme süresini bildirmek için gelen talimat.
   Not: Herhangi bir beyan onları (Örneğin, milisaniye, kesirler saniye, 0 - 10 ölçek) en mantıklısı 0 ve 1 s arasındaki süre katılımcılar kullanabilir.
2. Her deneme sanal el davanın başında sinyal başlangıç konumuna taşır ana denetim programı Başlat düğmesine basarak Başlat. Bu katılımcının randomize bir gecikmeden sonra oynamak bir işitsel sesi neden sanal el sanal durak noktalarına sürücü ipuçları (300, 500 ya da 700 ms).
   1. Katılımcının sözlü olarak bildirilen tahmini zaman gecikme aralığının kaydedin.
3. Denemeler deneysel bloklar halinde düzenleyin.
   1. İki antreman seansları ile başlamak ve bunları son çözümleme dışı bırakmak.
      1. İlk alıştırma oturumu olarak katılımcı diskin el hareketi bitiş noktası var ve sonra sanal basamak 10 deneme sanal durak noktalarına 1000 ms işitsel sesi çalacak.
         1. Katılımcılar bu alıştırma oturumu için tahmini aralıklarla rapor gerekmez.
            Not: Ne kadar tek bir ikinci hissediyor katılımcılara yönlendirmek bu adım gereklidir.
      2. İkinci uygulama oturumda tekrar, el hareketi son nokta için katılımcı sürücü var. Böylece 300, 500 ve 700 ms gecikme aralıkları en az 5 x her sunulmaktadır işitsel sesleri rastgele.
         1. Tahmini gecikme aralıkları bildirmek için katılımcılar sor.
         2. Onların tahminleri gecikme aralıkları bu pratik çalışmalar veya deneysel bloğundaki sonraki denemeler sırasında gerçek gecikme ne kadar yakın olduğunu katılımcı bilgi yok.
            Not: Bu katılımcılar-ecek beğenmek var olmak saniyenin kesirleri bir ölçekte zaman kararlar yapımında deneyimsiz ve sınama yordamı Grace'in test katılımcıya sezgisel olmayabilir gibi önemli adımdır.
   2. Her koşul için 15 denemelerin deneysel kümeleri için hareket ettirin. Rasgele bir sırada koşulları sunmak ve her koşul sonunda bir soru formu yönetmek.
      1. Katılımcılar (açık deneyim ajansı ölçmek için dört soru ve dört denetim soru [örnek sağlanan içerir sekiz-deyim ajansı soru formunu tamamlamak ve denemeler en son dizi yansıtmak üzere talimat Ek dosya])^8,26.
         1. Rastgele katılımcılara sunulmak üzere en az beş benzersiz soru siparişlerinizde için soru formu ifadeleri rastgele.
   3. Deneysel blok 15 denemeler için pasif koşul kümesi ile sona ve bu çalışmalarda tamamladıktan sonra bir anket yönetmek.
      Not: pasif denemeler ajansı kurulan bir duygusu ile engel önlemek için deneysel blokların sonundaki yönetmek.
4. Randomize siparişlerin farklı: deneysel koşullar ile tam dört deneysel blok.
5. Bir ara vermem katılımcılar için test süresi üzerinden birden çok fırsat sağlamak. En az süre veya bu tatili için süre sınırı yok ama katılımcı test devam etmeden önce fiziksel veya zihinsel yorgun değil emin olun.

Sonuçlar

Deneysel protokol bir duyusal sanal protez yolu ile onların NMI⁸ (Şekil 1) işletim üç amputee katılımcı ile gerçekleştirildi. Kurulum MuJoCo HAPTIX fizik motoru³¹kullanarak önceden programlanmış kinematik profilleri hareket kontrol edilebilir katılımcı sanal yardım kullanılır. Sanal el bir yerde dağınık şekilde eksik onların uzuv ile uyumlu katılımcıların önünde yatay bir m...

Tartışmalar

Burada bir metodolojik çerçeve duyusal protezler ile NMIs çalışırken oluşmuş ajans deneyimi karakterize için sunulmuştur. Bu bağlamda, algı Şekil arka plan bilişsel işlemleri için fiziksel eylem arasında köprü olarak özellikle ilgili kuruluşudur. Bir katılımcının protez ve NMI aracılığıyla, biz doğrudan ajans duygusu kurmak anahtar unsurları bir dizi erişimi: niyet, motor çıkış ve hareket hissi. Gelişmiş protez uzvu denetlemek için önemi, bu çalışmada sağlanan araçlar...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit	National Instruments, Austin, TX, USA	Full or Pro Version	We wrote custom software in LabVIEW to coordinate virtual prosthesis control with kinesthetic feedback as well as to present experimental conditions and record data.
8-Slot, USB CompactDAQ Chassis	National Instruments, Austin, TX, USA	cDAQ-9178
±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-Channel C Series Voltage Input Module	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9221
100 kS/s/ch Simultaneous, ±10 V, 4-Channel C Series Voltage Output Module	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9263
Custom Wearable Kinesthetic Tactor	HDT Global, Solon, OH, USA	N/A	This item was custom made. Other methods of delivering kinesthetic feedback are acceptable as long as the participant feels the sensation of the hand moving in real-time with the movements of the virtual hand.
MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version	Roboti LLC, Redmond, WA, USA	mjhaptix150	Newer versions of MuJoCo should be acceptable as well. We used the MPL Gripper Model.
Myobock Electrodes, powered by Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Battery Receptacle	Ottobock, Duderstadt, Germany	electrodes: 13E200=60 battery: 757B21 battery receptacle: 757Z191=2	Any setup that provides an amplified, filtered, and rectified EMG or neural control signal could be used.