Un tactile automatisé Passif doigts stimulateur (TAPS)

Présentation Le tactile automatisé Passif doigts Stimulator (TAPS) est un système contrôlé par ordinateur que les presses surfaces structurées sur la peau afin d'évaluer tactiles d'une personne d'acuité spatiale. Nous avons conçu et construit l'appareil dans l'université Duquesne, et l'a modifié à sa forme actuelle dans l'université McMaster. Ici, nous présentons un aperçu de la fonction de TAPS. Nous décrivons ensuite les composants du dispositif, afin de faciliter sa reproduction par d'autres chercheurs. Enfin, nous montrons comment TAPS est utilisé pour mener une expérience psychophysique. 1. Aperçu de l'appareil TAPS utilise la gravité pour la presse d'une surface de relance contre la peau (Fig. 1). Le bras du sujet repose confortablement en position allongée sur une table. Le doigt (ou zone de peau à tester d'autres) se trouve sur un tunnel dans le tableau. Sous la table, un moteur pas à pas fait tourner un disque qui peut contenir jusqu'à 40 morceaux de relance, le positionnement l'une des pièces sous le tunnel. La gravité exerce une force vers le bas sur une masse suspendue à un bout d'une tige en rotation. Une barre transversale qui s'étend de la voiture d'un actionneur linéaire empêche la tige de bouger. Comme les moteurs actionneur avant, la tige pivote sous l'influence de la gravité, en appuyant sur un morceau de relance vers le haut à travers le tunnel et sur la peau. Physique simple concerne la vitesse de l'actionneur à la rapidité avec laquelle la surface de relance s'élève à communiquer avec la peau, et le poids de la masse suspendue à la force statique du stimulus tactile. Comme l'actionneur change de direction pour retourner la tige à sa position de départ, la pièce de relance gouttes. Ainsi, le dispositif s'applique stimuli tactiles avec force contrôlée, la vitesse, la durée de contact, et inter-stimulus intervalle. Le sujet sélectionne un bouton avec la main non-testé pour vous inscrire une réponse. TAPS détecte la réponse et procède à livrer la relance prochaine. Figure 1. La Physique des TAPS. TAPS contrôle à la fois la vitesse et la force de l'apparition état stable du stimulus. Apparition de vitesse: Comme la barre transversale de l'actionneur linéaire (rouge) se déplace vers la droite avec une vitesse V 1, l'extrémité gauche de la tige en rotation tombe sous l'influence de la pesanteur; l'extrémité droite de la tige appuie donc sur une hausse de relance vers le morceau le doigt avec une vitesse V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Puisque V 1 est sous le contrôle de l'ordinateur, V 2 peut être réglé à toute valeur désirée par l'investigateur. Force: La gravité exerce une force vers le bas, F 1 = Mg, sur la masse M (où g = 9,8 m / s 2). Cela provoque la pièce de relance pour appuyer contre le doigt avec une force ascendante, F 2. Pour une tige sans masse, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Depuis la tige est en fait pas sans masse, F 2 est déterminé de manière empirique, par mesure avec un capteur de force. Pour effectuer des réglages fins à F 2, l'enquêteur peut changer la position de M le long de la tige. F 2 augmente légèrement à mesure que M est déplacé vers la gauche (augmentation de L 1), et diminue légèrement à mesure que M est déplacé vers la droite (diminution L 1). Pour faire des ajustements plus importants à F 2, la masse peut être changé. 2. Les composants et les détails du fonctionnement du dispositif i. Moving Parts TAPS utilise deux moteurs pas à pas, un pour conduire la voiture de l'actionneur linéaire, et une autre pour faire tourner le disque contenant les morceaux de relance. Ces deux moteurs de contrôler toutes les pièces mobiles TAPS ". Ces pièces se trouvent sur une table basse qui est mécaniquement découplé de la table supérieure sur laquelle le bras du sujet repose. Parce que les deux tableaux sont découplés, les vibrations causées par les moteurs ne sont pas transférées à la peau. Les tableaux sont soigneusement alignés de sorte que le tunnel à travers la table supérieure se trouve directement au-dessus du morceau de relance contacté par la tige en rotation. Nous usinés 40 emplacements carrés autour de la circonférence du disque en rotation, pour accueillir les pièces de relance. Nous avons construit des morceaux de relance du tour des tiges en plastique, l'usinage des barres d'avoir des arbres carrés qui s'inscrivent dans les fentes du disque. Cela garantit que les pièces ne tournent pas au sein de leurs fentes que le disque tourne. Nous avons réduit les surfaces de relance dans les visages ronds des pièces. Lorsque les moteurs chariot actionneur vers l'avant, l'extrémité de la tige en rotation inverse de la masse suspendue s'élève à communiquer avec le fond de la pièce de relance sélectionné. Parce que la tige décrit un arc comme il balance vers le haut, il est bon avec un roulement de roue en plastique léger pour éliminer la friction avec le fond de la pièce de relance. Cette roue en plastique tourne légèrement car il pousse le stimulus morceau vers le haut, sans la roue en plastique, l'extrémité de la tige se retirerait de la base de la pièce légèrement latéralement (vers la gauche dans la figure 1.), provoquant la pièce à la confiture dans le tunnel à travers la table supérieure. Pour assurer davantage une trajectoire ascendante en douceur de la pièce, le tunnel est équiper d'un collier en plastique qui est biseauté pour diriger la pièce vers le centre du tunnel que la pièce augmente. ii. Capteurs TAPS utilise six capteurs pour assurer le bon fonctionnement: deux capteurs à domicile, trois capteurs de limite, et un capteur de force. Le servomoteur et les capteurs de la maison de disque du signal à l'ordinateur que le transport actionneur et le disque sont dans leurs positions initiales désirée au début d'une expérience. Le capteur de la maison actionneur est un capteur à effet Hall; le capteur de la maison de disque est un capteur en forme de U photoélectrique, activé quand un morceau de papier rigide collée à la jante du disque brise le faisceau du capteur infrarouge. Lorsque le disque est en position d'origine, un emplacement particulier est aligné directement sous le tunnel dans le tableau supérieur. Tous les calculs ultérieurs mouvement disque sont faites par rapport à cette position de départ connu. Les trois capteurs de limite servir des dispositifs de sécurité en cas de dysfonctionnement. Pour empêcher le mouvement d'emballement de la voiture actionneur dans le cas improbable d'une panne de la commande, l'actionneur est apte avec capteurs avant et arrière limite (capteurs à effet Hall). Si elle est activée, ces coupure à l'actionneur. Pour empêcher le mouvement du disque dans le cas où un morceau de relance est coincé dans le tunnel, une rétro-réfléchissantes infrarouges capteur est fixé sur la surface inférieure de la table supérieure. Une pièce qui est élevée suffisamment pour entrer dans le tunnel brise la fonte faisceau infrarouge par ce capteur et les tensions de commande des blocs d'atteindre le disque moteur pas à pas. Le capteur de la sixième et dernière est un capteur de force qui repose doucement sur l'ongle du sujet (Fig. 2). Ce capteur détecte la baisse (dans le tunnel), reculer ou avancer le mouvement du doigt. Le programme d'essais rejets dans laquelle le mouvement s'est produit. Parce que le capteur est fixé à un bras rigide, il empêche en outre le doigt de déplacer passivement à la hausse en cas de contact avec la pièce montée. Depuis que nous utilisons pour tester TAPS passive (doigt fixe) tactiles acuité spatiale, le capteur de force est un élément crucial. Par précaution finale contre le mouvement du doigt, nous mettons des barrières en plastique délicatement contre les côtés du doigt pour empêcher les mouvements latéraux. Figure 2. Capteur de force pour détecter le mouvement du doigt. A. Les presses capteur de force à 90 deg à la surface de l'ongle, près de la cuticule, avec une force entre 50 et 80 grammes. B. Exemple vigueur traces montrant un capteur avant-dernière contact de la pièce de relance avec le doigt, suivie par une seconde de contact maintenu avec le doigt fixe. Notez que, lors d'un contact (temps = 0), la force de la pièce de relance par le dessous pousse le doigt plus fermement contre le capteur (pente ascendante en vigueur de trace). C. Si le sujet tente de déplacer le doigt vers le bas afin de mieux se sentir la surface de relance, alors la force entre l'ongle et le capteur diminue (flèche). Le capteur enregistre également les fluctuations vigueur si le sujet bouge le doigt avant ou en arrière. TAPS est programmé pour rejeter tous les essais dans lesquels la force de contact entre le capteur et l'ongle, fluctue de plus d'un certain seuil (par exemple, 20 grammes) tandis que la peau est en contact avec la surface de relance. En utilisant une voix générée par ordinateur, les robinets peuvent éventuellement avertir le sujet que le mouvement a été détecté. iii. Amortissement des vibrations et du son Moteurs TAPS "stepper produire des vibrations, et ce, à son tour provoque le son. Les deux vibrations et le son sont indésirables. Vibration, s'il est transmis à la peau, pourrait interférer avec la capacité du sujet à accomplir la tâche tactile. Au fil du temps, les vibrations peuvent également causer de l'instabilité mécaniques dans les composants de TAPS. Sonore pourrait distraire le sujet. Pour ces raisons, nous avons pris des mesures pour réduire à la fois les vibrations et le son, et pour empêcher toute vibration d'atteindre le sujet. Surtout, les tableaux inférieurs et supérieurs de ne pas contacter les uns les autres. Elles sont reliées seulement dans le sens qu'ils ont tous deux contact avec le sol. Ainsi, les vibrations des moteurs, qui reposent sur la table basse, n'est pas transmis aux bras du sujet, qui repose sur la table supérieure. En outre, les vibrations et le son sont réduits comme suit: un rideau de verre entourant la table inférieure étouffe le son dispositif, PVC / fibre renforcé patins anti-vibrations en sandwich entre l'actionneur et sa base d'absorber une partie de l'actionneur-produit des vibrations; la base actionneur est assis sur quatre supports en caoutchouc sandwich au cylindriques qui servent à amortir les vibrations supplémentaires; le disque moteur pas à pas de base se trouve également sur supports en caoutchouc ( piston de la seringue en caoutchouc), et les joints toriques en silicone entourent les arbres des morceaux de relance, réduire bruit que le disque tourne. iv. Pièces de stimulation TAPS utilise des tiges modifiées de diamètre un demi-pouce d'appuyer sur des surfaces structurées spatialement contre la peau (fig. 3). Les tiges sont usinés d'avoir des arbres carrés. Les visages ronds des tiges contiennent les surfaces de relance, les arbres carrés des tiges de s'insérer dans les 40 emplacements carrés autour de la circonférence du disque tournant, en s'assurant que les surfaces de relance de maintenir leurs orientations appropriées que les spins disque. Toutes les surfaces de relance peuvent être usinées dans les visages tige. Nous avons utilisé essentiellement pour appliquer TAPS grilles d'ondes carrées (c'est à dire, les crêtes et les sillons parallèles). Pour les créer, nous avons commencé avec 0,5 "de diamètre en plastique Delrin tiges cylindriques, 3" de long. En utilisant une fraiseuse Sherline, on coupe les tiges à 2,75 "de long, avec 2" de long carrés de section les arbres (8,7 x 8,7 mm), et un 0,75 "de long, 12,74 mm de diamètre à tête ronde cylindrique. Nous avons ensuite fraisé rainures dans le visage rond pour créer les surfaces de relance. Chaque surface de relance a crête égal et largeurs rainure. Nous avons fait des morceaux avec des largeurs allant sillon de 0,25 à 3,10 mm de 0,15 mm. Nous avons fait deux morceaux stimulus identique pour chacune de ces 20 largeurs groove , résultant en 40 pièces au total. Nous avons ensuite inséré les pièces dans les fentes du carré de la disquette de sorte que chaque largeur de rainure a été représentée dans les deux à la verticale (parallèle à l'axe longitudinal du doigt) et horizontale (transversale à l'axe longitudinal du doigt ) d'orientation. Figure 3. Pièce de stimulation. Chaque surface de relance est usiné dans le visage d'une tige de 0,5 pouces de diamètre Delrin. La base de la tige est coupée à avoir une section transversale carrée, lui permettant de s'insérer dans les découpes carrées dans le disque en rotation. La surface de la pièce représentée est une grille rectangulaire, avec des rainures parallèles et des crêtes de largeur égale. c. Contrôle informatique TAPS est un système entièrement automatisé, contrôlé par ordinateur du système. Beaucoup de matériel informatique et des configurations logiciels pourraient être utilisés pour contrôler l'appareil. Nous utilisons actuellement un G3 Macintosh fonctionnant sous LabVIEW 6.1 (National Instruments). L'ordinateur communique via une carte contrôleur de moteur avec un pilote de moteur pas à commander l'actionneur et les moteurs de disque, et à lire les capteurs de la maison et d'interrupteurs. Une carte PCI d'acquisition de données lit le capteur de force et de boutons de réponse sujet. vi. Limitations Force et Timing Plage de force: Nous avons utilisé des stimuli TAPS pour livrer aux forces allant de 10 à 50 grammes. Nous soupçonnons que la friction dans les composants serait entraver la prestation des stimuli à des forces sous environ 5 grammes, et que certains instabilité mécanique se poseraient pour les forces en excès d'environ 100 grammes. Inter-relance intervalle (ISI): La distance entre les surfaces de relance et le doigt, et les vitesses stables de l'actionneur linéaire et le disque moteur pas à pas, de même mis une limite inférieure sur l'ISI que le périphérique peut atteindre. Nous estimons que cette limite à environ 1,5 secondes. Ainsi, le dispositif n'est pas approprié pour des applications telles que des expériences de masquage, qui exigent moins d'une seconde ISI. 3. Mener une expérience Nous décrivons ici un protocole pour lequel TAPS peut être utilisé: un intervalle de deux choix forcé (2-IFC) la tâche d'orientation caillebotis (GOT) avec suivi bayésienne adaptative. TAPS peut être programmé pour de nombreux autres protocoles psychophysique ainsi. Nous l'avons utilisé précédemment pour mener 2-IFC expériences avec 1,2 escalier de suivi et avec la méthode des stimuli constants. Bien sûr, il est capable de conduire oui / non des procédures ainsi que 2-IFC. Pour la 2-IFC GOT tâche, nous utilisons grilles d'ondes carrées que le contact du pavé distale du doigt avec 4 cm / sec vitesse de déclenchement, 50 g de force de contact, et une durée de contact sec. Chaque essai est constitué de deux présentations de relance séquentielle (ISI: 2 sec) avec grilles de largeur rainure identique, mais différant de 90 degrés dans l'orientation. Dans une présentation, les rainures sont alignées verticalement (en parallèle), et dans l'autre, horizontale (transversale), à ​​l'axe longitudinal du doigt. Afin de stimulation est choisi aléatoirement par le programme informatique. Le sujet indique si l'orientation horizontale survenue dans l'intervalle de la première ou seconde, en appuyant sur l'un des deux boutons avec la main non-testés. Une méthode bayésienne adaptative ajuste gLargeur roove d'un essai à. Nous TAPS programmé avec une version modifiée du psi (Ψ) méthode, un algorithme bayésien adaptatif 3. Cette méthode a plusieurs avantages sur les méthodes classiques d'adaptation, telles que les méthodes escalier. Premièrement, la méthode psi estimations non pas seulement un seul point sur la fonction psychométrique (par exemple, le seuil de 71% estimé par un escalier en bas 2-1-up), mais la fonction entière psychométriques. Deuxièmement, la méthode bayésienne rendements des distributions de probabilité a posteriori (et intervalles de confiance de ce fait) pour les paramètres de la fonction psychométrique. Enfin, la méthode est efficace. Il tient dans la mémoire des milliers de nombreux possibles formes de fonction psychométrique, et met à jour la probabilité a posteriori de chaque fonction après chaque réponse. Il utilise ensuite une procédure de minimisation d'entropie devrait choisir le stimulus suivant, c'est qu'il choisit le stimulus sur chaque procès qui est prévu pour maximiser le gain d'information. Après Kontsevich et Tyler 3, nous avons modélisé d-prime comme une fonction puissance du niveau de relance, et la fonction psychométrique de chaque sujet – P c (x), la probabilité d'une réponse correcte en fonction du niveau du stimulus, x – comme un mélange de une normale cumulative (probit) fonction et un mandat de taux de déchéance: Ici, un est le seuil (niveau du stimulus correspondant à la probabilité de réponse de 76% correct, d-prime = 1), et b est la pente, de la fonction psychométrique du sujet. Nous avons modifié l'algorithme de Ψ en traitant les taux de déchéance (delta) comme un paramètre de valeur inconnue, et en calculant un «facteur de Bayes deviner" après chaque essai: Ce facteur de Bayes est un rapport de vraisemblance qui compare la probabilité des données sous l'hypothèse 1, que le sujet est deviner, à la probabilité des données sous l'hypothèse 2, que le sujet a une fonction psychométrique. Le numérateur est la probabilité des données du sujet, D (réponses correctes et incorrectes à chacun des largeurs de rainure présenté), étant donné que le sujet est tout simplement deviner (50% de probabilité exact) sur tous les essais jusqu'à et y compris le procès actuel. Le dénominateur est la probabilité des données fournies meilleure estimation de l'algorithme de la fonction psychométrique du sujet. Dans notre expérience, pour la plupart des sujets jeunes le facteur de Bayes s'approche rapidement de zéro comme le bloc de test progresse, ce qui indique que la performance du sujet est conforme à une fonction psychométrique. Pour certains sujets âgés, le facteur de Bayes monte au-dessus un, indiquant que le sujet est incapable d'accomplir la tâche. TAPS peut être programmé pour terminer le bloc d'essai si le facteur de Bayes deviner a dépassé une valeur seuil après un certain nombre d'essais. 4. Résultats La figure 4 montre un bloc expérimental constitué de 40 épreuves d'une expérience de 2-IFC GOT. Ce bloc de 40 essais se composait de 80 stimuli à droite du sujet doigt du milieu, avec une seconde la durée de contact et de 2 secondes ISI entre les contacts dans un seul essai. 76% du sujet seuil correct a été de 1,7 mm, comme indiqué par le mode de la fonction de densité de probabilité a posteriori (PDF) pour le paramètre de seuil (partie C). L'intervalle de confiance à 95% pour le paramètre de seuil du sujet, indiqué par la largeur de la PDF postérieure, a été 01.03 à 01.09 mm. Figure 4. Les résultats d'un 2-intervalle de choix forcé la tâche d'orientation grille. A. Un bloc expérimental, composé de 40 essais appliqués dans ce cas pour le doigt du milieu droit. Correcte du sujet (symboles plus) et les réponses incorrectes (cercles ouverts) à des largeurs différentes sont sillon tracé par rapport au nombre d'essai. Une méthode bayésienne adaptative (voir texte) a déterminé la séquence des largeurs de rainure à appliquer, basée sur la performance du sujet. B. La fonction la mieux adaptée psychométriques pour ce sujet. C. Fonction postérieur densité de probabilité pour 76% du sujet largeur de rainure correcte ( la fonction psychométrique un paramètre-, correspondant à d-prime = 1).