Vibro-dokunsal geribildirim ile nesne aktarımı sırasında uyumsuz görsel-dokunsal uyaranlara uygulama

Özet

Bir nesne transfer görevi sırasında uyumsuz görsel-dokunsal uyaranlara uygulamak için bir protokol sunuyoruz. Özellikle, el gizli durumdayken gerçekleştirilen blok aktarımları sırasında, bloğun sanal sunumu yanlış blok damlalarının rasgele oluşumunu gösterir. Protokol ayrıca motor görevini gerçekleştirirken Vibrotactile geribildirim eklemeyi de açıklar.

Özet

Dokunulmamış dokunsal geribildirim içeren Uyumsuzmuş duyusal sinyaller uygulaması nadiren keşfedilir, özellikle Vibrotactile geribildirim varlığı ile (VTF). Bu protokol, VTF 'nin tutarsız görsel-dokunsal uyaranlara tepki üzerine etkisini test etmeyi amaçlamaktadır. Dokunsal geribildirim bir blok açgözlü ve bir bölüm boyunca hareket ederek elde edilir. Görsel geribildirim, bir hareket yakalama sistemi kullanılarak elde edilen hareketli bloğun gerçek zamanlı sanal sunumunu oluşturmaktadır. Uyumlu geribildirim bloğun hareketinin güvenilir sunumu, böylece konu bloğun kavrayıcı olduğunu hissediyor ve el yolu ile birlikte hareket görmek. Bloğun hareketi gerçek hareket yolundaki yönlendirmeleri gibi görünmez geri bildirim, böylece aslında hala konu tarafından tutulan elden damla gibi görünüyor, böylece dokunsal geribildirim çelişiyor. Yirmi konular (Yaş 30,2 ± 16,3) 16 blok transferlerini tekrarladı, eli gizlenirken. Bu VTF ve VTF (32 blok transferleri toplam) olmadan tekrar edildi. Incongruent uyaranlara her koşulda 16 tekrarında (VTF ile ve olmadan) rasgele iki kez sunuldu. Her konu ile ve VTF olmadan görev gerçekleştirme zorluk seviyesini oranı istendi. VTF ile ve olmadan, uyumlu ve uyumsuz görsel-dokunsal sinyallerle kaydedilen transferler arasındaki el yolları ve süreleri arasında istatistiksel olarak önemli farklılıklar yoktu. VTF ile görev gerçekleştirme algılanan zorluk düzeyi önemli ölçüde VTF ile bloğun normalleştirilmiş yol uzunluğu ile korelasyon (r = 0,675, p = 0,002). Bu kurulum, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara sahip motor fonksiyonu sırasında VTF 'nin katkı maddesi veya redüktif değerini ölçmek için kullanılır. Olası uygulamalar protez tasarımı, akıllı spor giyim veya VTF dahil diğer giysiler vardır.

Giriş

Yanılsamalar, yanlışlıkla objektif gerçeklikten gelen bilgileri algıladığımız için, duyularımızın sınırlamalarının yararlanılmaları. Bizim algısal çıkarım duyusal veri yorumlama ve belirsiz duyusal giriş varlığı gerçek en güvenilir tahmininin beynimizin hesaplanması üzerinde deneyimimize dayanmaktadır¹.

İllüzyon araştırmalarında bir alt kategori, uyumlu olmayan duyusal sinyalleri birleştiren bir kategoridir. Uyumsuz duyusal sinyallerden kaynaklanan yanılsama, beynimiz tarafından gerçekleştirilen sürekli multisensory entegrasyondan kaynaklanır. Görsel-işitsel sinyallerde uyumsuzluk ile ilgili sayısız çalışmalar olsa da, diğer duyusal çiftleri içinde başı daha az bildirilmiştir. Rapor sayısında bu fark, görsel-işitsel incongruence içeren bir kurulum tasarlamada daha yüksek basitliğe atfedilen olabilir. Ancak, diğer duyusal çiftleri modalities ile ilgili sonuçları rapor çalışmalar ilginç. Örneğin, görsel duyarlılık² ' deki uyumsuz görsel-dokunsal sinyallerin etkisi, görsel ve sıkışan uyaranların uzamsal frekansa eşleştiği bir sistem kullanılarak incelenmiştir; Ancak, dokunsal ve görsel oryantasyon aynı (uyumlu) veya ortogonal (incongruent) idi. Başka bir çalışmada, görsel uyaranlara ve dokunsal bir ışık paneli ile görsel-dokunsal çapraz Modal entegrasyon Stimülatörü kullanılarak incelenmiştir hareket algılanan görsel yönü üzerinde uyumlu olmayan görsel-dokunsal hareket uyaranların etkisi rasgele hareket yönü, hız ve cilt³girintileme derinliği ile dokunsal hareket uyaranlara sunar stimülatör. Bu biz dahili bir şekilde bir performans ile tutarlı bir şekilde birleştirerek, görev ve duyusal belirsizlik hem istatistiksel dağılımı temsil önerilmiştir-optimize Bayesian süreci⁴.

Sanal gerçeklik konuya görsel geribildirim aldatmak için yeteneği kolay bir görev yaptı. Çeşitli çalışmalar görsel ve somatoduyusal bilgileri yanlış hizalayın multisensory sanal gerçeklik kullandı. Örneğin, sanal gerçeklik son zamanlarda bir çocuğun vücudunda şekillenme teşvik etmek için kullanılan, veya bir çocuk gibi ses bozulma⁵aktivasyonu olmadan. Başka bir örnekte, kendi kendine hareket sırasında yürüyüş mesafesi görsel sunumu uzatıldı ve bu nedenle vücut tabanlı ipuçları⁶tarafından hissedilen seyahat mesafesi ile uyumsuzdu. Benzer bir sanal gerçeklik kurulumu bir bisiklet etkinliği için tasarlanmıştır⁷. Bununla birlikte, bahsedilen tüm literatür, uyumsuz sinyaline ek olarak, duyuların birine bir paraziti birleştirmez. Böyle bir karışıklık elde etmek için dokunsal anlamda seçti.

Dokunsal duyusal sistemimiz, bir nesnenin kavramak olup olmadığını doğrudan kanıtlar sağlar. Bu nedenle, doğrudan görsel geribildirim bozulduğunda veya kullanılamadığında, nesne manipülasyon görevlerinde dokunsal duyusal sistemin rolü belirgin olacaktır. Ancak, dokunsal duyusal kanal da rahatsız olsaydı ne olur? Bu bireysel dikkat yakalar gibi, duyusal büyütme için Vibrotactile geribildirim (VTF) kullanmanın olası bir sonucudur⁸. Bugün, farklı modalitelerin artırılmış geribildirim harici bir araç olarak kullanılır, bizim iç duyusal geribildirim geliştirmek ve motor öğrenme sırasında performansını artırmak için, spor ve rehabilitasyon ayarları⁹.

Uyumsuz görsel-dokunsal uyaranların çalışma duyusal giriş algı ile ilgili anlayışımızı artırabilir. Özellikle, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara sahip motor fonksiyonu sırasında VTF 'nin katkı maddesi veya redüktörlü değerinin ölçülmesini, gelecekteki protez tasarımına, akıllı spor giyimine veya VTF dahil diğer kıyafetlerde yardımcı olabilir. Amputeler, onların kalıntısı distal açıdan dokunsal uyaranlara yoksun olduğundan, VTF günlük kullanımı, örneğin, kavrama bilgisini iletmek için protez gömülü, görsel geribildirim nasıl algıladıkları etkileyebilir. Bu koşullarda algı mekanizmasının anlaşılması, mühendisler VTF kullanıcıları üzerinde olumsuz etkisini azaltmak için mükemmel VTF yöntemleri izin verecektir.

VTF 'in etkisini, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara yanıt olarak test etmeyi amaçladık. Sunulan kurulum, dokunsal geribildirim bir blok açgözlü ve bir bölüm boyunca hareket ederek elde edilir; görsel geri bildirim, hareketli bloğun ve bölümün (bir hareket yakalama sistemi kullanılarak elde edilen) gerçek zamanlı sanal sunumunu oluşturmaktadır. Konu gerçek el hareketini görmesini engelledi beri, tek görsel geribildirim sanal biridir. Uyumlu geribildirim bloğun hareketinin güvenilir sunumu, böylece konu bloğun kavrayıcı olduğunu hissediyor ve el yolu ile birlikte hareket görür. Bloğun hareketi gerçek hareket yolundaki yönlendirmeleri gibi görünmez geri bildirim, böylece aslında hala konu tarafından tutulan elden damla gibi görünüyor, böylece dokunsal geribildirim çelişiyor. Üç hipotez test edildi: bir nesneyi başka bir yerden sanal görsel geribildirim kullanarak taşırken, (i) nesnenin transfer hareketinin yolu ve süresi, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara sunulduğunda artar, (ii) Bu değişiklik uyumsuz görsel-dokunsal uyaranlara sunulan ve VTF hareketli kol üzerinde aktif olduğunda artış, ve (iii) VTF aktif ve yol ve süresi ile görev gerçekleştirme algılanan zorluk düzeyi arasında olumlu bir korelasyon bulunacaktır nesnenin transfer hareketi. İlk hipotez, söz konusu literatürden kaynaklanmaktadır ve bu da farklı geri bildirimlerin çeşitli modalitelerinin yanıtlarımızı etkilediğini bildirir. İkinci hipotez, VTF bireyin dikkatini çeken önceki bulgularla ilgilidir. Üçüncü hipotezi için, biz daha VTF tarafından rahatsız olan konular, onların dokunsal anlamda daha sanal görsel geribildirim güvenecektir kabul.

Protokol

Aşağıdaki protokol, üniversitenin insan Araştırmaları Etik Komitesi yönergelerini takip eder. Ticari ürünlere başvuru için malzeme tablosunu görün.

Not: üniversite Etik Komitesinin onayı alındıktan sonra, 20 sağlıklı kişi (7 erkek ve 13 kadın, ortalama ve standart sapma [SD] Yaş 30,2 ± 16,3 yıl) işe alındı. Her konu, bilgili bir onay formu ön duruşması okur ve imzaladı. Ekleme kriterleri, 18 yaş ve üzeri sağ elle bulunan kişilerdir. Dışlama kriterleri üst ekstremite veya düzeltilmemiş görme bozukluğu etkileyen herhangi bir nörolojik veya Ortopedi bozukluğu vardı. Konular, uyumsuz görsel-dokunsal geribildirim oluşumlarına naif oldu.

1. ön deneme hazırlığı

1. Kutu ve bloklar test¹⁰ahşap kutu kullanın. Kutunun boyutları 53,7 cm x 26,9 cm x 8,5 cm ve ortasında, bir 15,2 cm yüksek bölümdür. Bölümün her iki tarafına yumuşak bir sünger tabakası yerleştirin. Ekranın karşısında, dört köşelerde ve bölümün her iki ucunda (Şekil 1a) altı pasif yansıtıcı Marker yerleştirin.
2. 2,5 cm x 2,5 cm x 2,5 cm, 4,5 cm x 4,5 cm x 1 cm boyutları ile bir baz bağlı boyutları ile bir küp üretmek için bir 3D-yazıcı kullanın. Yazdırmadan önce, her köşede 1 cm x 1 cm büyüklüğünde bir kare oluşturmak için tabanının her köşesini kesebilir (Şekil 1a). Tabanının dört köşesinden pasif yansıtıcı işaretler ekleyin.
3. Tablo önünde yaklaşık 1,5 m büyük bir ekran yerleştirin, böylece tablonun arkasında duran bir konu, ekrandan yaklaşık 2 m. Kutuyu ekranın karşısındaki kenardan 10 cm kadar masaya yerleştirin.
4. 100 Hz 'de aktif bir 6 kamera hareket yakalama sistemi kullanın, bölme ve gerçek zamanlı olarak blok hareketini görselleştirmek için bir plug-in (Şekil 1). Üreticinin yönergelerine göre hareket yakalama sistemini kalibre edin, böylece kutunun bloğu ve bölümü sert gövdeler olarak tanınır.
   Not: hareket yakalama sisteminin uygun kalibrasyonu ve blok ve bölüme sıkıca bağlı küçük işaretçilerin kullanımı yanılsama korumak için gereklidir.

2. Vibrotactile geribildirim sisteminin konuya yerleştirilmesi

Not: burada açıklanan VTF sistemi daha önce^11,12,13,14yayımlandı.

1. Kol saatini, bilezikleri ve halkaları çıkarmak için konuya talimat verin. VTF sistem denetleyicisini konunun önkoluna takın (Şekil 2, sol görüntü).
2. İnce bir süngerimsi tabaka üzerinde başparmak ve indeks parmaklarının palmar yönü için iki ince ve esnek kuvvet sensörleri takın (Şekil 2, sağ görüntü).
3. Konunun üst kolunun derisini bir manşet yerleştirin (Şekil 2, sol görüntü) ve kelepçeyi rahat bir şekilde kapatmak için bağlantı elemanı kullanın. Manşet, Güç sensörleri tarafından algılanan kuvvet ile doğrusal bir ilişki içinde 233 Hz frekansında açık kaynaklı elektronik prototipleme platformu üzerinden aktif üç Vibrotactile aktüatörler içerir. Kuvvet sensörleri ve Vibrotactile aktüatörler, açık kaynaklı elektronik prototipleme platformuna korumalı elektrik telleri ile bağlanır.

3. VTF aktivasyonu

1. Kumandaya bağlı pili etkinleştirmek için düğmeye basın (Şekil 2, sol görüntü).
2. Güç sensörünün enstrümanlı parmaklarını (yani başparmak ve indeks parmakları) hafifçe birlikte basmak için konuya sorun. Konu, manşet altındaki alanda titreşim duygusu bildirecektir unutmayın.
3. Sadece iki enstrümanlı parmaklar kullanarak, mümkün olduğunca hafifçe blok açgözlü 10 dakika eğitmek için konu talimat. Blok kaldırmak için konu isteyin, hareket, ve blok üzerinde kuvvet minimal bir miktar uygulamak için çalışırken, masaya birkaç kez geri yerleştirin. Kavrama sırasında blok bırakılsa bile, uygulanan kuvveti azaltmaya teşebbüs etmek için bu konuyu teşvik edin.

4. konuyu konumlandırma ve hazırlama

1. Kutunun ve bölümün yerleştirildiği masaya (10 cm 'ye kadar) yakın durmasını isteyin.
2. Konu kutuyu göremiyoruz ama kolayca onu veya onun önünde ekran görebilirsiniz (Şekil 1a), böylece konu ve kutunun üzerinde yakın tablonun kenarına bir bölücü yerleştirin. Bölücü için, farklı yüksekliklerde konuları karşılamak için, onların yüksekliği ayarlanması izin dört bacak üzerinde sabit bir sert yansıtıcı olmayan malzeme, tercihen ahşap kullanın.
3. Konu, kulaklık onun kafasına yerleştirmek için talimat.
4. Kutunun sağ bölmesinin ortasına blok yerleştirin ve buna konu el kılavuzu.

5. deneme başlatılıyor

Not: açıklanan deneme iki kez tekrarlanan, ile ve VTF olmadan (bir Cross-Over tasarım hiçbir öğrenme efekti doğrulamak için önerilir). VTF olmadan deneme sürümünü gerçekleştirmek için kumandaya bağlı pili kapatın (Şekil 2).

1. Hareket yakalama sisteminin kameralarını kontrol eden yazılımı etkinleştirin.
2. Görsel geribildirim yazılımının kontrol panelinde (Şekil 1B), VTF ile/olmadan seçin, konunun kodunu yazın, Çalıştır, Bağlan, Aç ve Başlat'ı tıklatın.
3. Ekranda sanal bloğun hareketini görüntülerken bloğu kuvvet sensörünün enstrümanlı eliyle aktararak 16 tekrarlar gerçekleştirmesini isteyin (Şekil 1B). Her aktardıktan sonra, bloğu bölüm boyunca başlangıç konumuna geri taşıyın.
4. Konu 16 tekrarlar tamamlandıktan sonra Durdur'u tıklatın.
5. Aşağıdaki ölçekte: ' 0 ' (hiç de zor değil), ' 1 ' (biraz zor), ' 2 ' (orta derecede zor), iki kez ve VTF olmadan blok 16 kez transfer görevi gerçekleştirme zorluk seviyesini derecelendirmek için konu sorun, ' 3 ' (çok zor) ve ' 4 ' (son derece zor).

6. Post Analizi

1. Bloğun yolu ve aktarım süresini hesaplamak için 3B koordinat verilerini kullanın. Bloğun sağ (başlangıçtaki) jantların yüksekliğindedir ve ardından kutunun sol (ofset) kenarlarında olduğu gibi her bir transferin başlangıcını ve mahsup süresini el ile işaretleyin. Her aktarımının yol uzunluğunu aşağıdaki denkleme göre hesaplayın:
   1
   nerede ve iki sonraki zaman noktalarında bloğun 3D koordinatı vardır.
2. Her iki koşul için, VTF ile ve olmadan, iki transfer için bir kez yol uzunluğu ve transfer süresi ortalama ve uyumlu görsel-dokunsal sinyalleri ile 14 transferler için bir kez.
3. Blok transferi sırasında yol ve zaman, uyumlu görsel-dokunsal sinyallerin varlığı ile yolu ve zaman içinde blok transferi sırasında yol ve zaman normale döndü. Normalleştirme iki koşul (ile ve VTF olmadan) ayrı olarak gerçekleştirin.
4. İki etkene sahip bir konu içinde tekrarlanan önlemler ANOVA gerçekleştirin: VTF (ile ve olmadan) ve uyumlu olmayan görsel-dokunsal geribildirim (ile ve olmadan).
5. 6,4 alt bölümünde bulunan yönergeleri izleyerek sonuçları analiz ederken istatistiksel farklar yoksa, iki faktör¹⁵Ile ANOVAs Bayesian tekrarlanan önlemleri kullanın.
6. Spearman 'ın korelasyon testini, VTF aktive edilmiş ve normalleştirilmiş yol ve hareketin süresi ile görev gerçekleştiren algılanan zorluk düzeyi ile kullanın
7. İstatistiksel önemini p <. 05 olarak ayarlayın.

Sonuçlar

Bu üç hipotezi test etmek için tanımlanan tekniği kullandık, bir nesneyi bir yerden diğerine hareket ettirirken sanal görsel geribildirim kullanarak: (i) nesnenin transfer hareketinin yolu ve süresi, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara göre artacaktır sunulan (ii) Bu değişiklik, uyumlu olmayan görsel-dokunsal uyaranlara sunulduğunda ve hareketli kolda VTF etkinleşirken artacaktır; ve (iii) VTF etkinleştirilmiş olan görevi gerçekleştirmek için algılanan zorluk düzeyi ile nesnenin transfer h...

Tartışmalar

Bu çalışmada, uyumsuz görsel-dokunsal uyaranların varlığında nesne transferi kinematikleri üzerine VTF ekleme etkisini belirleyen bir protokol sunuldu. Bilgimizin en iyisi için, bu VTF etkisini eşitsiz görsel-dokunsal uyaranlara yanıt üzerinde test etmek için kullanılabilir tek protokoldür. VTF ile nesne aktarımı sırasında uyumsuz görsel-dokunsal uyaranların uygulamada yer alan çeşitli kritik adımlar şunlardır: VTF sistemi bağlamak, VTF aktive, hareket yakalama sistemi ve hareket görevi haz?...

Malzemeler

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