Тактильные Автоматизированная Пассивно-Finger Стимулятор (TAPS)

Введение Тактильные Автоматизированная Пассивно-Finger Стимулятор (TAPS) является компьютерным управлением системой, которая прессы структурированной поверхности от кожи, чтобы оценить тактильные пространственного зрения человека. Мы спроектировали и построили устройство в Duquesne University, и изменение его в его нынешнем виде в Университете МакМастер. Здесь мы предоставляем обзор функций краны. Затем мы описания компонентов устройства, с тем чтобы облегчить его воспроизводства другими исследователями. Наконец, мы покажем, как TAPS используется для проведения психофизического эксперимента. 1. Обзор устройства TAPS использует силу тяжести для прессы стимул поверхности от кожи (рис. 1). Рука субъекта удобно лежит в положении лежа на столе. Пальца (или другого участка кожи для тестирования) лежит через туннель в таблице. Под столом, шаговый двигатель вращается диск, который вмещает до 40 штук стимул, позиционирование одной из частей под туннелем. Гравитация оказывает вниз силы в массовом свисающих с одного конца вращающегося стержня. Перекладину простирается от перевозки линейного привода предотвращает стержень двигаться. Как привода двигателей вперед, стержень вращается под действием силы тяжести, при нажатии стимул кусок вверх через туннель и на кожу. Простая физика относится скорость привода на скорость, с которой стимул поверхности поднимается до контакта кожи и весом висит массы к статической силы тактильных стимулов. Как привода меняет направление, чтобы вернуться стержень в исходное положение, стимул кусок падает. Таким образом, аппарат относится тактильные раздражители с контролируемой силой, скоростью, свяжитесь продолжительность, и между стимулом интервала. Субъект выбирает кнопку, не проверенные стороны зарегистрировать ответ. TAPS обнаруживает ответа и продолжает поставлять следующего стимула. Рисунок 1. Физики краны. TAPS контролирует как скорость возникновения и стационарные силы раздражителя. Начало скорости: Как перекладину от линейного привода (красный) движется вправо со скоростью V 1, левый конец стержня вращающихся капель под действием силы тяжести; правом конце стержня поэтому пресса вверх кусок стимул к пальцев со скоростью V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Так как V 1 под управлением компьютера, V 2 может быть присвоено любое значение желаемого следователем. Силы: гравитация оказывает вниз сила, F 1 = Mg, от массы М (где г = 9,8 м / с 2). Это вызывает стимул кусок, чтобы давить пальцем вверх сила, F 2. Для безмассовых стержнем, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Так как стержень на самом деле не безмассовых, F 2 определяется эмпирически, путем измерения с датчиков силы. Чтобы сделать точную настройку F 2, следователь может изменить положение М вдоль стержня. F 2 несколько увеличивается, как M перемещается влево (увеличение L 1), и слегка уменьшается, как M перемещается вправо (уменьшение L 1). Для того, чтобы больше корректировки F 2, масса может быть изменен. 2. Компоненты и детали устройства Функция i. Движущихся частей TAPS используются два шаговых двигателей, один для управления перевозки линейный привод, и другое, чтобы повернуть диск, содержащий стимул штук. Эти два двигателя контролировать все движущиеся части TAPS ». Эти детали лежат на нижней таблице, которая механически несвязанные с верхнего стола, на котором рукой субъекта отдыхает. Потому что две таблицы отцепили, вибрации, вызванные двигатели не переносят на кожу. Таблицы тщательно выровнены так, что туннель через верхнюю столе лежит прямо над стимулом кусок связаться вращающемся стержне. Мы обрабатывается 40 квадратных слоты по окружности вращающегося диска, для размещения стимул штук. Мы построили стимулом части из круглых пластиковых стержнях, обработка стержней иметь квадратных валов, которые вписываются в слоты диска. Это гарантирует, что части не вращаются в пределах их слотов диск спинами. Мы сократили стимулы поверхностей в круглые лица штук. Когда двигатели привода перевозки вперед, к концу вращающемся стержне противоположной висит масса поднимается на контакт нижней части выбранного стимула кусок. Потому что стержень описывает дугу, как качели вверх, это согласуется с облегченными колесными подшипников пластиковых устранить трения с нижней части стимул. Эта пластиковая колесо вращается слегка толкает ыtimulus кусок вверх, без пластиковых колес, конец стержня будет тянуть базы кусок немного вбок (влево на рис 1.), в результате чего часть к вареньем внутри туннеля через верхнюю таблицу. Для дальнейшего обеспечения плавной восходящей траектории кусок, туннель согласуется с пластиковыми воротник, который скошенными направить часть по направлению к центру туннеля, как часть поднимается. II. Датчики TAPS использует шесть датчиков для обеспечения надлежащего функционирования: два дома датчиков, три датчика предела, и датчик силы. Привода и датчики диск домой сигнал на компьютер, что перевозка привода и диска в желаемой исходные позиции в начале эксперимента. Датчик привода дома датчик Холла, датчик диск дом П-образной фотоэлектрический датчик, активируется, когда кусок плотной бумаги приклеен к обода диска перерывы инфракрасный луч датчика. Когда диск находится в исходной позиции, особенно слот выравнивается непосредственно под тоннеля в верхней таблице. Все последующие расчеты движения диска сделаны относительно этого известны исходное положение. Три датчика предела служить функции обеспечения безопасности в случае неисправности. Чтобы предотвратить побег движения привода перевозки в маловероятном случае неисправности управление, привод согласуется с прямым и обратным пределом датчиков (датчики Холла). Если опция установлена, эти отключения питания к приводу. Чтобы предотвратить диск движения в случае, если стимул кусок застревает в туннеле, инфракрасный светоотражающих датчик крепится к нижней поверхности верхней таблице. Кусок, который возводится достаточно, чтобы проникнуть в туннель перерывы инфракрасного луча литых этого датчика, а также блокирует команду напряжения от достижения диска шаговым двигателем. Шестой и последний датчик датчик силы, которая лежит мягко на ноготь субъекта (рис. 2). Этот датчик обнаруживает вниз (в тоннеле), назад или вперед, движения пальцев. Программа отбрасывает испытаний, в которых движение произошло. Потому что датчик крепится к жесткой руке, он дополнительно предотвращает пальца от движущихся пассивно вверх при контакте с ростом кусок. Так как мы используем TAPS для тестирования пассивных (палец стационарные) тактильные пространственного зрения, датчик силы является важным элементом. В качестве последней меры предосторожности против движения пальцев, мы ставим пластиковые барьеры против мягко стороны пальцев для предотвращения бокового движения. Рисунок 2. Датчик силы для обнаружения движения пальцев. А. датчик силы прессы на 90-градусов к поверхности ногтя, возле кутикулы, с силой от 50 до 80 граммов. B. Пример датчика силы следа показывает одну секунду предыдущего контакт стимул часть с пальцем, а затем одну секунду поддерживал контакты со стационарной пальца. Заметим, что при контакте (время = 0), силой стимула кусок снизу подталкивает пальцем более твердо против датчика (восходящий наклон в силу след). C. Если субъект пытается двигаться пальцем вниз, чтобы лучше понять стимул поверхности, то сила между ногтем и датчика уменьшается (стрелка). Датчик также регистрирует колебания силой, если объект движется пальцем назад или вперед. TAPS запрограммирован на отбросить любые испытания, в которых сила контакта между датчиком и ногтя колеблется более чем на порог суммы (например, 20 граммов), а кожа находится в контакте с поверхностью стимул. Использование компьютерной голос, TAPS может дополнительно предупреждают, что движение предмета обнаружено не было. III. Вибрация и затухания звука TAPS 'шаговые двигатели производят вибрацию, а это, в свою очередь, вызывает звук. Оба вибрации и шума являются нежелательными. Вибрация, если передается на кожу, могут повлиять на способность субъекта выполнять тактильные задачи. Со временем, вибрации могут также привести к механической неустойчивости в компонентах TAPS ». Звук может отвлечь тему. По этим причинам, мы приняли меры для уменьшения вибрации и звука, и, чтобы предотвратить любые вибрации от достижения этой теме. Самое главное, нижней и верхней таблицы не контакте друг с другом. Они связаны только в том смысле, что они оба контакта полу. Таким образом, вибрация от двигателей, которые опираются на нижней таблице, не передается на руку субъекта, который покоится на верхней таблице. Кроме того, вибрации и шума уменьшается следующим образом: стекловолокно занавес ограждающих нижней таблице заглушает звуковое устройство, ПВХ / FIBER усиленные антивибрационные прокладки зажатой между приводом и свою базу поглотить часть привода производства вибрации; привод база сидит на четыре резиновые цилиндрические крепления сэндвич, которые служат для еще более снизит вибрации; диска шаговым двигателем базы также сидит на резиновые крепления ( поршень шприца резиновый) и силиконовые уплотнительные кольца окружают валы стимул частей, что снижает стук, как диск поворачивается. IV. Стимул Pieces TAPS использует модифицированный полдюйма стержни диаметром до пресс пространственно структурированные поверхности от кожи (рис. 3). Стержни изготовлены иметь квадратных валов. Круглые лица стержни содержат стимулов поверхностей; квадратные валы стержней укладывается в 40 квадратных слоты по окружности вращающегося диска, гарантируя, что стимулом поверхности поддерживать их надлежащей ориентации, как диск спинами. Любой стимул поверхности могут быть обработаны в стержне лица. Мы использовали TAPS основном применяется квадратный решетки волны (т. е. параллельно гребней и пазов). Для создания этих, мы начали с 0,5 "диаметр Delrin пластиковых цилиндрических стержней, 3" долго. Использование Sherline фрезерный станок, мы сокращаем стержней до 2,75 "длиной, с 2" длинный квадратного сечения валов (8,7 х 8,7 мм) и 0,75 "-длинный, 12,74 мм в диаметре круглой цилиндрической головы. Затем мы фрезерованные пазы в круглое лицо, чтобы создать стимул поверхностей. Каждый стимул поверхность имеет равные хребет и паз шириной. Мы сделали куски паз шириной от 0,25 до 3,10 мм, 0,15 мм шагом. Мы сделали две одинаковые части стимул для каждого из этих 20 канавка шириной , в результате чего 40 штук общей сложности. Затем мы вставили куски в квадратных слота диска так, что каждая шириной канавка была представлена ​​как в вертикальной (параллельно длинной оси пальца) и горизонтальной (поперечной к продольной оси пальца ) ориентации. Рисунок 3. Стимул кусок. Каждый стимул поверхности измельчают в лице 0,5-дюймовый стержень диаметром Delrin. База стержень режется иметь квадратного сечения, что позволяет ему вписаться в квадратные вырезы в вращающегося диска. Поверхность изделия показана прямоугольной решеткой, с параллельными пазы и гребни одинаковой ширины. В. Компьютерная система управления TAPS является полностью автоматизированной, управляемая компьютером система. Многие компьютерной техники и программного обеспечения может быть использован для управления устройством. Мы в настоящее время используют Macintosh G3 под управлением LabVIEW 6.1 (National Instruments). Компьютер общается с платой контроллера двигателя с драйвером шагового двигателя к команде привод и диск двигателей, а также читать дома датчики и концевые выключатели. Приобретение данных PCI плата считывает датчик силы и кнопки предметом ответа. VI. Силы и Временные ограничения Группа диапазон: Мы использовали TAPS доставить стимулов с силами от 10 до 50 граммов. Мы подозреваем, что трения в компонентах будет препятствовать доставке стимулов в войска под примерно 5 граммов, и что некоторые механическая нестабильность может возникнуть для сил свыше около 100 граммов. Интер-стимулов интервал (ISI): расстояние между стимулом поверхностей и пальцем, и стабильную скорость линейного привода и диска шаговым двигателем, а также установить нижний предел на ISI, что устройство может достичь. Оценим этот предел составляет около 1,5 секунды. Таким образом, устройство не подходит для таких приложений, как маскировка экспериментов, которые требуют доли секунды ISI. 3. Проведение эксперимента Здесь мы опишем один протокол, для которых TAPS могут быть использованы: два интервала принудительного выбора (2-IFC) решетки ориентации задача (GOT) с байесовской адаптивного слежения. Краны могут быть запрограммированы для многих других психофизических протоколов. Мы использовали его ранее для проведения 2-МФК эксперименты с лестницы отслеживания 1,2 и метода постоянных раздражителей. Конечно, он способен вести да / нет процедур, а также 2-МФК. Для 2-МФК GOT задачу, мы используем квадратные решетки волны, что контакт дистальных прокладку из пальца с 4 см / сек скорость наступления, 50 г контакт силу, и 1 сек контакт продолжительности. Каждое испытание состоит из двух последовательных стимулов презентаций (ISI: 2 сек) с решетками одинаковой ширины паза, но отличающиеся 90-град в ориентации. В одной презентации, канавки вертикально (параллельно), а в других, по горизонтали (поперечная), к длинной оси пальца. Стимул заказа выбирается случайным образом с помощью компьютерной программы. Тема указывает горизонтальная ориентация произошло в первый или второй интервал, нажав одну из двух кнопок с не проверенные руки. Байесовский адаптивный метод регулирует гroove шириной от испытания к испытанию. Мы запрограммированы TAPS с модифицированной версией фунтов на квадратный дюйм (Ψ) метод, байесовский алгоритм адаптивного 3. Этот метод имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными адаптивные методы, такие как лестница методами. Во-первых, пси метод оценки не только одной точке на психометрические функции (например, 71% порог оценивается 2-1-вниз до лестницы), но и всей психометрические функции. Во-вторых, метод дает задний байесовского распределения вероятностей (и тем самым доверительные интервалы) для параметров психометрические функции. Наконец, метод является эффективным. Он держит в памяти многих тысяч возможных форм психометрических функций и обновлений апостериорная вероятность каждой функции после каждого ответа. Затем он использует ожидается энтропии процедура минимизации выбрать следующего стимула, то есть, он выбирает стимул на каждом суде, что, как ожидается, максимизировать прирост информации. После Концевич и Тайлер 3, мы смоделировали г-премьер, как степенной функции стимула уровне, а также психометрические функции каждого субъекта – P с (х), то вероятность правильного ответа в зависимости от стимула уровне, х – в виде смеси кумулятивная нормальная (пробит), функции и срок градиента: Здесь есть порог (стимул уровня, соответствующего 76% вероятность правильного ответа, г-премьер-= 1), и б это склон, психометрических функций субъекта. Мы изменили алгоритм Ψ, рассматривая вертикальный градиент (дельта) в качестве параметра неизвестного значения, а также путем расчета "угадывание Байеса фактор» после каждого испытания: Этот фактор является Байеса отношения правдоподобия, который сравнивает вероятность данные под гипотезу 1, что субъект гадать, с вероятностью данные под гипотезу 2, что субъект психометрические функции. Числитель вероятности данных субъекта, D (правильные и неправильные ответы на каждый из паз шириной представлены), учитывая, что тема просто угадать (50% вероятность правильной) на все испытания, вплоть до текущего судебного разбирательства. Знаменатель вероятности данным наилучшая оценка алгоритма психометрических функций субъекта. По нашему опыту, для большинства молодых субъектов фактор Байеса быстро стремится к нулю, как прогрессирует блок тестирования, указав, что производительность субъекта соответствует психометрические функции. Для некоторых старых предметов, фактор Байеса поднимается выше одного, указывает, что субъект не в состоянии выполнять задачи. TAPS может быть запрограммирован на прекращение тестирования блока, если угадать Байеса фактор превысил пороговое значение после определенного числа попыток. 4. Результаты На рисунке 4 показан экспериментальный блок, состоящий из 40 испытаний из 2-МФК GOT эксперимента. Это 40-блок суд состоял из 80 стимулов для среднего пальца правой руки испытуемого, с 1-вторых продолжительность контакта и 2-й ISI между контактами в одном суде. 76% правильно порог субъекта составляла 1,7 мм, как указано режиме заднего функция плотности вероятности (PDF) для порогового параметра (панель C). 95% доверительный интервал для порога субъекта параметр указывает ширину задней PDF, составил 1,3 – 1,9 мм. Рисунок 4. Результаты 2-интервал принудительного выбора целевой направленности решетки. A. экспериментального блока, состоящего из 40 испытаний, применяемых в данном случае право средний палец. Правильное субъекта (плюс символов) и неправильная (кружки) ответы на разной ширины паз показаны в зависимости от числа суде. Байесовский адаптивный метод (см. текст) определяется последовательность паз шириной применять, по итогам работы субъекта. Б. наилучшее психометрические функции этой теме. C. Задняя функция плотности вероятности 76% правильную ширину паз субъекта ( психометрические функции-параметра, соответствующие г-премьер-= 1).