ממריץ משושי אוטומטי פסיבי-Finger (ברזים)

הקדמה ממריץ משושי אוטומטי פסיבי-Finger (ברזים) היא מערכת מבוקרת מחשב אשר לוחץ משטחים מובנה על העור כדי להעריך חדות מרחבית מישוש של האדם. אנו תוכנן ונבנה את המכשיר Duquesne האוניברסיטה, שונה אותו בצורתו הנוכחית ב אוניברסיטת מקמאסטר. כאן, אנו מספקים סקירה של הפונקציה של הברזים. לאחר מכן, אנו מתארים את המרכיבים של המכשיר, על מנת להקל הרבייה שלה על ידי חוקרים אחרים. לבסוף, אנו מראים כיצד הברזים משמש לערוך ניסוי פסיכופיסיות. 1. התקן סקירה הברזים משתמש הכבידה ללחוץ על פני השטח גירוי על העור (איור 1). הזרוע של הנבדק מוטלת בנוחות במצב נוטה על השולחן. האצבע (או באזור אחר בעור להיבדק) שוכנת על מנהרה בטבלה. מתחת לשולחן, מנוע צעד מסתובב דיסק שמכיל עד 40 חתיכות גירוי, מיצוב אחת היצירות תחת המנהרה. הכבידה מפעיל כוח כלפי מטה על מסה תלויה מקצה אחד של מוט rotatable. המוט המשתרעת המרכבה של מפעיל ליניארי מונע את המוט לנוע. כאשר מפעיל מנועים קדימה, צירים מוט תחת השפעת הכבידה, לחיצה על חתיכת גירוי כלפי מעלה דרך המנהרה על העור. פיזיקה פשוטה מספרת את המהירות של מפעיל כדי המהירות שבה השטח הגירוי עולה לפנות את העור, ואת המשקל של המסה התלויה לכוח סטטי הגירוי מישוש. כאשר מפעיל היפוך כיוון כדי להחזיר את המוט לנקודת ההתחלה שלו, את חתיכת גירוי טיפות. לפיכך, התקן חל גירויים מישוש עם כוח מהירות מבוקרת, משך מגע, גירוי בין מרווח. הנושא בוחר כפתור ביד לא בדקה את לרשום תגובה. הברזים מזהה את התגובה ממשיך לספק את הגירוי הבא. באיור 1. הפיזיקה של הברזים. הברזים שולטת הן את מהירות הופעת וכוח היציב של הגירוי. הופעת מהירות: ככל למשקוף מ מפעיל ליניארי (אדום) נע ימינה במהירות V 1, את הקצה השמאלי של המוט המסתובב טיפות תחת השפעת הכבידה, את הקצה הימני של המוט ולכן לוחץ חתיכת גירוי כלפי מעלה אצבע במהירות V 2 = V 1 (L 2 / L 3). מאז V 1 נמצאת תחת שליטה במחשב, V 2 יכולים להיות מוגדר כל ערך הרצוי על ידי החוקר. כוח: כוח הכבידה מפעיל כוח כלפי מטה, F = 1 מ"ג, על מסה M (כאשר g = 9.8 m / s 2). זה גורם לגירוי פיסת ללחוץ על האצבע עם כוח כלפי מעלה, F 2. עבור מוט חסרי מסה, F 2 = F 1 (1 L / L 2). מאז מוט אינו למעשה חסרי מסה, F 2 נקבע באופן אמפירי, על ידי מדידה עם חיישן כוח. כדי לבצע התאמות בסדר F 2, החוקר יכול לשנות את המיקום של M לאורך המוט. F 2 מגביר מעט M הוא זז שמאלה (הגדלת L 1), יורדת מעט M הוא נע ימינה (ירידה L 1). כדי לבצע התאמות גדולות יותר F 2, המסה יכולה להיות שונה. 2. רכיבים פרטים על התקן פונקציה i. חלקים נעים הברזים משתמשת בשני stepper מנועים, אחד לכונן המרכבה של מפעיל הליניארי, ועוד לסובב את הדיסק המכיל את החלקים גירוי. אלה שני מנועים לשלוט על כל חלקים נעים "הברזים. חלקים אלה לשכב על שולחן נמוך כי הוא זוגיים מכנית מהשולחן העליון שבו זרועו של נושא נשענת. בגלל שני שולחנות זוגיים, רעידות שנגרמו על ידי המנועים לא להעביר העור. השולחנות מיושרים בקפידה כך מנהרה דרך השולחן העליון שוכנת ישירות מעל פיסת הגירוי קשר מוט מסתובב. אנו במכונה 40 חריצים רבועים סביב היקף של דיסק מסתובב, כדי להתאים את החלקים גירוי. אנחנו נבנה חתיכות גירוי מן מוטות פלסטיק עגולה, עיבוד מוטות יש פירים רבועים שמתאימים לתוך החריצים של הדיסק. הדבר מבטיח כי החלקים לא לסובב בתוך חריצי שלהם כדיסק הספינים. אנחנו חותכים את משטחי גירוי בפניהם עגול של החלקים. כאשר המרכבה מפעיל מנועים קדימה, בקצה המוט המסתובב מול המסה התלויה עולה לפנות את החלק התחתון של היצירה את הגירוי שנבחר. בגלל מוט מתאר קשת כפי שהוא מניף כלפי מעלה, זה מתאים עם גלגל נושאות משקל פלסטיק כדי למנוע חיכוך עם התחתון של היצירה את הגירוי. זה גלגל מסתובב מפלסטיק מעט כפי שהוא דוחף את זהtimulus פיסת כלפי מעלה, ללא גלגל מפלסטיק, את הקצה של המוט היה למשוך את הבסיס של היצירה מעט רוחבית (שמאלה באיור 1.) גורם חתיכה ריבה בתוך המנהרה דרך השולחן העליון. כדי להמשיך להבטיח מסלול מעלה חלקה של היצירה, המנהרה הוא מתאים עם צווארון פלסטיק כי הוא משופעים לכוון את פיסת לכיוון מרכז המנהרה כמו חתיכת עולה. ii. חיישנים הברזים עושה שימוש של שישה חיישנים כדי להבטיח תפקוד תקין: שני חיישנים הביתה, שלושה חיישני גבול, וכן חיישן כוח. מפעיל הביתה חיישנים דיסק אות למחשב כי המרכבה מפעיל את הדיסק נמצאים בעמדות הרצויות הראשונית שלהם בתחילת הניסוי. החיישן מפעיל הביתה הוא חיישן הול אפקט, חיישן הביתה דיסק הוא חיישן בצורת U הפוטואלקטרי, מופעלת כאשר פיסת נייר נוקשה דבוק לשפת הדיסק שוברת את קרן חיישן אינפרא אדום. כאשר הדיסק נמצא במצב הביתה, חריץ מסוים מיושר ישירות בטבלה העליונה תחת המנהרה. תנועת כל החישובים הבאים הדיסק נעשות ביחס לתפקיד זה החל ידוע. שלושת החיישנים להגביל לשמש תכונות בטיחות במקרה של תקלה. כדי למנוע תנועה בורח המרכבה מפעיל במקרה הבלתי סביר של תקלה שליטה, מפעיל הוא מתאים עם חיישנים להגביל קדימה הפוכה (הול אפקט חיישנים). אם מופעל, אלה כוח לחתוך מפעיל. כדי למנוע תנועה הדיסק במקרה חתיכת גירוי הופך להיות תקוע במנהרה, חיישן אינפרא אדום בסגנון רטרו רפלקטיבי מחוברת אל פני השטח התחתון של הטבלה העליון. חתיכת כי הוא גבוה מספיק כדי להיכנס למנהרה שוברת את השחקנים קרן אינפרא אדום על ידי חיישן זה, חוסם מתח הפיקוד מלהגיע צעד דיסק המנוע. החיישן השישי והאחרון הוא חיישן הכוח נשענת בעדינות על הציפורן של הנבדק (איור 2). חיישן זה מזהה כלפי מטה (לתוך המנהרה), אחורה או קדימה תנועת אצבע. התוכנית מבטלת את הניסויים שבו התרחשה התנועה. בגלל החיישן מחובר בזרוע נוקשה, זה בנוסף מונע את האצבע לנוע באופן פסיבי מעלה במגע עם חתיכת העולה. מאז אנו משתמשים כדי לבדוק את הברזים פסיבי חדות (אצבע נייח) משושי מרחבית, חיישן הכוח היא גורם מכריע. כאמצעי זהירות סופי נגד תנועת אצבע, אנחנו במקום מחסומי פלסטיק בעדינות על צדי אצבע כדי למנוע תנועות לרוחב. 2. איור חיישן חיל לזהות תנועת אצבע א. החיישן כוח לוחץ ב-90 מעלות אל פני השטח של הציפורן, סמוך לציפורן, עם כוח בין 50 ל 80 גרם. דוגמה ב 'כוח חיישן זכר מראה השני הקודמות הקשר של היצירה גירוי עם האצבע, ואחריה שנייה אחת של הקשר נשמר עם האצבע נייח. שים לב, במגע (זמן = 0), הכוח של היצירה גירוי מלמטה דוחף את האצבע יותר בתקיפות נגד החיישן (השיפוע עולה כוח זכר). C. אם הניסיונות נושא להזיז את האצבע כלפי מטה כדי להרגיש טוב יותר את פני השטח גירוי, אז הכוח בין הציפורן ואת חיישן פוחתת (חץ). החיישן גם רושם תנודות בכוח אם הנושא מעביר את האצבע אחורה או קדימה. הברזים מתוכנת למחוק את כל הניסויים שבהם הכוח של קשר בין החיישן לבין משתנה ציפורן על ידי יותר מסכום סף (למשל, 20 גרם) תוך העור במגע עם פני השטח את הגירוי. באמצעות קול ממוחשבת, ברזים יכול אופציונלי להזהיר את נושא התנועה זוהה. ג. רטט וקול דעיכת צעד "הברזים לייצר מנועים רטט, וזה בתורו גורם קול. שתי רעידות הצליל אינם רצויים. רטט, אם מועבר על העור, יכול להפריע ליכולת של הנבדק כדי לבצע את המשימה מישוש. במשך הזמן, הרטט יכול גם לגרום לחוסר יציבות מכנית ברכיבים "הברזים. הקול יכול להסיט את הנושא. מסיבות אלה, נקטנו צעדים כדי להפחית את שתי רעידות קול, כדי למנוע רטט מלהגיע את הנושא. והחשוב מכל, שולחנות העליון והתחתון לא קשר אחד לשני. הם מחוברים רק במובן זה ששניהם לפנות את הרצפה. לפיכך, הרטט של המנועים, אשר לנוח על שולחן נמוך, לא מועבר לזרוע של הנבדק, אשר נשענת על השולחן העליון. בנוסף, רעידות הצליל מופחתים כדלקמן: וילון פיברגלס התוחם את שולחן נמוך קולות חנוקים קול במכשיר, PVC / fiבער חיזוק נגד רעידות רפידות דחוקה בין מפעיל לבין בסיסה לספוג חלק הרטט-מפעיל המיוצר; הבסיס מפעיל יושב על ארבעה גלילי גומי mounts כריך המשמשים להמשיך לצנן את הרטט, את הדיסק מנוע צעד בסיס גם יושב על תושבות גומי ( מזרק הבוכנה גומי), וכן סיליקון O-טבעות המקיפות את פירים של חתיכות גירוי, הפחתת רעש כמו דיסק מסתובב. iv. Stimulus חתיכות הברזים משתמש שונה חצי אינץ' בקוטר מוטות ללחוץ משטחים מובנה מרחבית על העור (איור 3). המוטות הם במכונה יש פירים רבועים. הפנים סביב מוטות מכילים משטחי גירוי; פירים רבועים של המקלות להתאים את חריצי 40 מרובע סביב היקף של דיסק מסתובב, להבטיח כי משטחי גירוי לשמור אוריינטציות הנכון שלהם הספינים דיסק. משטחים כל גירוי עשוי להיות במכונה בפניהם מוט. השתמשנו בעיקר ברזים ליישם gratings גל מרובע (כלומר, רכסים מקבילים חריצים). כדי ליצור האלה, התחלנו עם 0.5 "מוטות בקוטר Delrin גלילי פלסטיק, 3" ארוך. בעזרת מכונת טחינה Sherline, חתכנו את המוטות 2.75 "ארוך, עם 2" ארוך חתך מרובע פירים (8.7 x 8.7 מ"מ), וכן 0.75 "ארוך, 12.74 מ"מ קוטר סיבוב הראש גלילי. הסתובבנו ואז חריצים מול עגול כדי ליצור את המשטחים גירוי. כל משטח גירוי יש רכס שווה ורוחב החריץ. עשינו חתיכות עם חריץ רוחבי החל 0.25 עד 3.10 מ"מ ב 0.15 מ"מ במרווחים. עשינו שתי חתיכות גירוי זהה עבור כל אחד מהם 20 רוחב חריץ , וכתוצאה מכך 40 יצירות בסך הכל. לאחר מכן החדיר את חתיכות לתוך חריצים רבועים של הדיסק כך שכל רוחב החריץ היה מיוצג הן אנכי (מקביל לציר הארוך של האצבע) ו האופקי (רוחבי על ציר זמן של האצבע ) אוריינטציה. איור 3. פיסת Stimulus. כל גירוי משטח מחורץ אל פניו של מוט בקוטר 0.5 אינץ' Delrin. הבסיס של המוט הוא חתך לי חתך מרובע, זה מאפשר להתאים את מגזרות מרובע דיסק מסתובב. פני השטח של היצירה המוצגת היא צורמת גל מרובע, עם חריצים ורכסים מקבילים של רוחב שווה. נ 'מחשב בקרה הברזים הוא אוטומטי לחלוטין, מערכת מבוקרת מחשב. חומרת מחשב רבים תצורות תוכנה יכול לשמש כדי לשלוט על המכשיר. בשלב זה אנו משתמשים Macintosh G3 ריצה LabVIEW 6.1 (National Instruments). המחשב מתקשר דרך לוח בקר מנוע עם נהג מנוע צעד הפקודה מפעיל מנועים הדיסק כדי לקרוא את החיישנים הביתה מתגי גבול. לוח נתונים PCI רכישת קורא את חיישן הכוח והתגובה כפתורים הנושא. vi. כוח ותזמון מגבלות מגוון חיל: השתמשנו הברזים כדי לספק גירויים עם כוחות נע בין 10 עד 50 גרם. אנו חושדים כי החיכוך בין רכיבים תפגע אספקת גירויים לעבר כוחות תחת על 5 גרם, וכי חלק יציבות מכנית יצוצו לכוחות עודף של כ – 100 גרם. Inter-גירוי מרווח (ISI): המרחק בין משטחים הגירוי את האצבע, ואת מהירויות יציבה של מפעיל ליניארי דיסק מנוע צעד, יחד לקבוע גבול תחתון על ISI כי המכשיר יכול להשיג. אנו מעריכים ממגבלה זו בערך 1.5 שניות. לכן, המכשיר אינו מתאים עבור יישומים כגון ניסויים מיסוך, אשר דורשים המשנה השני ISI. 3. ניסוי כאן אנו מתארים את אחד הכללים אשר הברזים ניתן להשתמש: שני מרווח בכפייה בחירה (2-IFC) אוריינטציה צורמת משימה (GOT) עם מעקב בייס אדפטיבית. הברזים ניתן לתכנת עבור רבים פרוטוקולים פסיכופיסיות אחרים גם כן. השתמשנו בו בעבר לנהל 2-IFC ניסויים 1,2 מדרגות מעקב עם השיטה של גירויים בלתי פוסקים. כמובן, הוא מסוגל לנהל כן / לא נהלים, כמו גם 2-IFC. עבור 2-IFC GOT משימה, אנו משתמשים gratings גל מרובע כי פנה פנקס הדיסטלי של האצבע עם 4 ס"מ / sec מהירות התפרצות, 50 גרם לפנות בכוח 1 משך שניות ליצירת קשר. כל משפט מורכב משתי מצגות גירוי רציפים (ISI: 2 שניות) עם gratings של רוחב חריץ זהה, אך שונות של 90 מעלות בכיוון. במצגת אחת, החריצים מיושרים אנכית (במקביל), וגם זאת, אופקית (לרוחב), על ציר זמן של האצבע. סדר Stimulus נבחר באקראי על ידי תוכנת המחשב. הנושא מציינת אם הכיוון האופקי אירעה בקטע הראשון או השני, על ידי לחיצה על אחד משני הכפתורים עם היד לא נבדק. שיטה אדפטיבית בייס מתאים groove רוחב ממשפט למשפט. אנחנו מתוכנתים הברזים עם גרסה שונה של השיטה psi (Ψ), אלגוריתם בייס אדפטיבית 3. לשיטה זו מספר יתרונות על פני שיטות קונבנציונליות אדפטיבית, כגון שיטות המדרגות. ראשית, שיטת psi הערכות לא רק נקודה אחת על תפקוד הפסיכומטרית (למשל, את סף 71% מוערך על ידי גרם מדרגות 2 למטה 1 למעלה), אבל הפונקציה הפסיכומטרית כולו. שנית, שיטת התשואות בייס הפצות הסתברות האחוריים (ובכך רווח סמך) עבור הפרמטרים של הפונקציה הפסיכומטרית. לבסוף, השיטה יעילה. היא מחזיקה באלפי זיכרון רבים של צורות אפשרי לתפקד פסיכומטרי, ומעדכן את ההסתברות האחורי של כל פונקציה לאחר כל תשובה. לאחר מכן הוא משתמש ההליך צפוי צמצום האנטרופיה לבחור את הגירוי הבא, כלומר, היא בוחרת את הגירוי על כל ניסוי זה צפוי להגדיל את הרווח מידע. בעקבות Kontsevich וטיילר 3, אנו הדגם d-הממשלה כפונקציה כוחה של רמת הגירוי, ותפקוד הפסיכומטרי של כל נושא – P c (x), ההסתברות לתגובה נכונה כפונקציה של רמת הגירוי, x – כתערובת של פונקציה מצטברת רגילה (probit) ו מונח שער פקיעה: כאן, הוא סף (רמת הגירוי המתאים הסתברות 76% התשובה הנכונה, d-הממשלה = 1), ואילו b הוא השיפוע, תפקוד פסיכומטרי של הנושא. שינינו את האלגוריתם Ψ ידי טיפול בשיעור לשגות (דלתא) כפרמטר של ערך ידוע, על ידי חישוב של "ניחוש גורם Bayes" לאחר כל ניסוי: זה גורם Bayes הוא יחס הסיכוי משווה את ההסתברות של הנתונים לפי ההשערה 1, כי הנושא הוא מנחש, על הסתברות של הנתונים לפי ההשערה 2, כי בנושא יש תפקיד הפסיכומטרי. המונה הוא ההסתברות נתונים של הנושא, ד '(תשובות נכונות ולא נכונה בכל אחד חריץ רוחבי הציג) נתון כי הנושא הוא פשוט מנחש (50% הסתברות נכון) על כל הניסויים עד וכולל במשפט הנוכחי. הוא מכנה את ההסתברות של הנתונים נתון האומדן הטוב ביותר של האלגוריתם של הפונקציה פסיכומטרי של הנושא. מניסיוננו, עבור הנבדקים הצעירים ביותר הגורם Bayes במהירות שואף לאפס עם התקדמות לחסום בדיקות, המציין כי הביצועים של הנושא תואם פונקציה הפסיכומטרי. במשך כמה נושאים ישנים, הגורם Bayes עולה מעל אחד, המציין כי הנושא אינו מסוגל לבצע את המשימה. הברזים ניתן לתכנת לסיים את הבדיקה אם לחסום את גורם מנחש Bayes חרג ערך הסף לאחר מספר מסוים של הניסויים. 4. תוצאות איור 4 מראה לחסום הניסוי המורכב 40 ניסויים מניסוי 2-IFC GOT. זה בלוק 40-80 משפט מורכב הגירויים האצבע האמצעית זכותו של הנושא, עם משך-1 שניה מגע השני 2-ISI בין אנשי הקשר במשפט אחד. 76% של נושא סף הנכון היה 1.7 מ"מ, כפי שצוין על ידי מצב של פונקציית צפיפות ההסתברות האחורי (PDF) עבור פרמטר הסף (לוח ג). 95% עבור פרמטר סף של הנבדק, שמסומן על ידי רוחב של PDF האחורי, היה 1.3-1.9 מ"מ. איור 4. תוצאות של משימה 2-מרווח בכפייה בחירה אוריינטציה צורמת. A. לחסום ניסיוני, המורכב 40 ניסויים להחיל במקרה זה את האצבע האמצעית ימינה. נכונה של הנושא (סמלי פלוס) ותגובות שגוי (עיגולים פתוח) בשעה רוחב חריץ שונה הם זממו נגד מספר לדין. שיטה אדפטיבית בייס (ראה טקסט) קבעו את רצף של רוחב חריץ לחול, בהתבסס על הביצועים של הנושא. B. הפונקציה מיטבית פסיכומטרי עבור נושא זה. ג פונקציה צפיפות ההסתברות Posterior עבור רוחב 76% של הנבדק חריץ הנכון ( פונקציה פסיכומטרי פרמטר-, בהתאמה d-הממשלה = 1).