MPI CyberMotion Simulator: Implementatie van een nieuwe Motion Simulator uw zintuigen Pad Integratie Onderzoek in drie dimensies

1. KUKA Roboter GmbH De MPI CyberMotion Simulator bestaat uit een zes-joint seriële robot in een 3-2-1 configuratie (figuur 1). Het is gebaseerd op het commerciële KUKA Robocoaster (een gemodificeerd KR-500 industriële robot met 500 kg lading). De fysieke wijzigingen en de software controle structuur die nodig is om een flexibele en veilige experimentele opstelling hebben eerder zijn beschreven, waaronder de snelheid van de beweging simulator en de acceleratie beperkingen, en de vertragingen en overdrachtsfunctie van het systeem 9. Wijzigingen van deze vorige installatie worden hieronder gedefinieerd. Figuur 1. Grafische weergave van de huidige MPI CyberMotion Simulator werkruimte. Complexe beweging profielen die zijwaartse bewegingen combineren met rotaties zijn mogelijk met het MPI CyberMotion Simulator. Assen 1, 4 en 6 ca n continu draaien. 4 paar hardware einde stopt maximum as 2, 3 en 5 in beide richtingen. De straal van lineaire verplaatsingen is sterk afhankelijk van de positie van de beweging begint. De huidige hardware einde stopt de MPI CyberMotion Simulator zijn weergegeven in tabel 1. As Range [deg] Max. snelheid [graden / s] As 1 Doorlopend 69 As 2 -128 Tot -48 57 As 3 -45 Tot 92 69 As 4 Doorlopend 76 Axis 5 -58 Tot 58 76 As 6 Doorlopend 120 nt "> Tabel 1. De huidige technische specificaties van het MPI CyberMotion Simulator. Voordat een experiment wordt uitgevoerd op de MPI CyberMotion Simulator, elke experimentele beweging traject ondergaat een testfase op een KUKA simulatie PC (Office PC). De "Office PC" is een bijzonder product verkocht door KUKA, die de echte robotarm simuleert en omvat de identieke besturingssysteem en controle scherm lay-out als de echte robot. Een schematische weergave van de besturing van de MPI CyberMotion Simulator een open lus configuratie weergegeven in figuur 2. Figuur 2. Schematisch overzicht van de open-loop control systeem van de MPI CyberMotion Simulator. Klik hier voor een grotere afbeelding . De details van de controle enTRUCTUUR kan hier 9 te vinden. Kortom, voor een open-loop configuratie, zoals die wordt gebruikt in het huidige experiment, trajecten zijn voorgeprogrammeerd door het omzetten van ingang trajecten in cartesiaanse coördinaten om gezamenlijke ruimte hoeken door middel van inverse kinematica (figuur 2). Het MPI systeem leest in deze gewenste gezamenlijke hoek stappen en stuurt deze aan de KUKA controlesysteem om as bewegingen uit te voeren via de motor stromen. Gezamenlijke resolver waarden worden verzonden naar de KUKA controle systeem dat de huidige gezamenlijke hoek posities bepaalt bij een interne rentevoet van 12 ms, wat op zijn beurt leiden tot de volgende gezamenlijke toename te lezen vanuit dossier bij de MPI systeem en de huidige joint schrijven hoek posities op de harde schijf. De communicatie tussen de MPI en KUKA controlesystemen is door een Ethernet-verbinding met de KUKA-RSI-protocol. Een racewagen stoel (RECARO Pole Position) uitgerust met een 5-punts veiligheidsgordel-systeem (Schroth) is bevestigd aan een chassis which is voorzien van een voetensteun. Het chassis is gemonteerd op de flens van de robotarm (figuur 3a). Experimenten ook mogelijk zitten deelnemers in een gesloten cabine (figuur 3b). Figuur 3. MPI CyberMotion Simulator setup. a) Configuratie voor huidige experiment met LCD-display. b) Configuratie voor experimenten die een gesloten cabine met voor-projectie stereo weergave. c) Voor projectie mono display. d) hoofd gemonteerde display. Als het experiment wordt uitgevoerd in de duisternis, infrarood camera's kunt visuele controle vanuit de controlekamer. 2. Visualisatie Meerdere visualisatie configuraties zijn mogelijk met de MPI CyberMotion Simulator waaronder een lcd, stereo of mono voor projectie, en het hoofd gemonteerde schermen (figuur 3). Voor de huidigeexperiment visuele aanwijzingen om zelf-motion worden geleverd door een LCD-display (figuur 3a) 50 cm geplaatst voor de waarnemers die op andere wijze werden getest in het donker. De visuele presentatie is gegenereerd met behulp van Virtools 4.1 software en bestond uit een willekeurige, beperkte levensduur dot-veld. Een kubus uitbreiding van acht virtuele eenheden aan de voorzijde, rechts, links, boven en naar beneden uit het oogpunt van de deelnemer (dat wil zeggen, 16 x 16 x 8 stuks in grootte) werd gevuld met 200.000 gelijke grootte deeltjes die bestaan ​​uit witte cirkels 0,02 eenheden diameter voor een zwarte achtergrond. De punten werden willekeurig verdeeld over de ruimte (homogene kansverdeling in de ruimte). Beweging in de virtuele eenheden werd opgeschaald tot 1 komen overeen met 1 met fysieke bewegingen (1 virtuele eenheid = 1 fysieke meter). Elk deeltje is getoond voor twee seconden verdwijnen en onmiddellijk weergegeven weer op een willekeurige plaats in de ruimte. Dus de helft van de punten veranderdpositie binnen een seconde. Dots tussen een afstand van 0,085 en 4 eenheden werden getoond aan de deelnemers (wat overeenkomt visuele hoeken: 13 ° en 0,3 °). Verkeer binnen de dot veld werd gesynchroniseerd met fysieke bewegingen door het ontvangen van bewegingstrajecten van de MPI besturingscomputer overgebracht door een Ethernet-verbinding met behulp van het UDP-protocol. Bij verplaatsing door de stip-veld van het gemiddelde aantal dots bleef constant is voor alle bewegingen. Dit display mits er geen absolute omvang schaal, maar optic flow en beweging parallax als stippen waren bollen met een vaste grootte, op zoek kleiner op basis van hun afstand ten opzichte van de waarnemer. 3. Experimental Design 16 deelnemers, die naïef waren voor het experiment, met uitzondering van een auteur (MB-C), droeg noise-cancelling hoofdtelefoons zijn uitgerust met een microfoon aan op communicatie in twee richtingen mogelijk is met de experimentator. Extra auditieve geluid werd continu afgespeeld via de gehoorbeschermers nes verder masker geluid van de robot. De deelnemers gebruikten een custom built joystick uitgerust met het antwoord van knoppen met gegevens die door een Ethernet-verbinding met behulp van het UDP-protocol. De hoek van de twee segmenten beweging was 45 ° of 90 °. Het verloop van de horizontale, sagittale en frontale vliegtuigen bestond uit: op de toekomst naar rechts (FR) of naar rechts-vooruit (RF), naar beneden vooruit (DF) of op de toekomst naar beneden (FD), en naar beneden naar rechts (DR) of naar rechts- naar beneden (RD) bewegingen van respectievelijk (Figuur 4a). Figuur 4. Procedure. a) Schematische weergave van trajecten in het experiment. b) Sensorische informatie die voor elke geteste traject type. c) Wijzend taak gebruikt om de oorsprong van waar de deelnemers dachten dat ze was verhuisd uit te geven.rge.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor een grotere figuur. Zintuiglijke informatie werd gemanipuleerd door middel van visuele (optic flow, levenslange beperkte ster veld), vestibulaire-kinesthetische (passieve beweging zelf met de ogen gesloten), of visuele en vestibulaire-kinesthetische beweging signalen (Figuur 4b). Beweging trajecten bestond uit twee segment lengtes (1e: 0,4 m, 2e: 1 m; ± 0,24 m / s 2 piek versnelling; figuur 4b). Trajectories bestond vertaling alleen. Nr. rotaties van de deelnemers plaatsgevonden. Om eventuele interferentie van beweging voorafgaand aan elke proef te verminderen en ervoor te zorgen dat het evenwichtsorgaan werd getest vanuit een stabiele toestand, een 15 s pauze voorafgegaan elk traject. Waarnemers wezen terug naar hun oorsprong door het bewegen van een pijl die werd bovenop een avatar gepresenteerd op het scherm (Figuur 4c). Beweging van de pijl is beperkt tot het traject vlak en gecontroleerd door thij joystick. De avatar werd gepresenteerd bij frontale, sagittale en horizontale standpunten. Waarnemers mochten tot enige of alle standpunten te gebruiken om te beantwoorden. Het uitgangspunt richting van de pijl was gerandomiseerd in de onderzoeken. Omdat de wijzen moesten een deelnemers om hun wijzen perspectief mentaal transformeren van een egocentrisch naar een excentrisch vertegenwoordiging, werden de deelnemers instructies gegeven over hoe om terug te wijzen naar hun oorsprong met betrekking tot de avatar voor de praktijk en experimentele studies. De deelnemers kregen te horen dat gericht moet worden gemaakt alsof de avatar waren hun eigen lichaam. De deelnemers werden vervolgens de opdracht om te wijzen op fysieke doelen ten opzichte van het zelf met behulp van de excentrisch meettechniek. Zo werden de deelnemers geïnstrueerd om te wijzen op de joystick rusten op hun schoot halverwege tussen zichzelf en het scherm, die nodig zijn deelnemers aan de pijl naar voren en naar beneden ten opzichte van de avatar. Alle deelnemers waren in staat om deze uit te voerentaken zonder te drukken verwarring. Elke experimentele voorwaarden werd 3 keer herhaald en die in willekeurige volgorde. Getekend fout en responstijd werden geanalyseerd als afhankelijke variabelen in twee aparte 3 (vlak) * 2 (hoek) * 3 (modaliteit) herhaalde metingen ANOVA. De responstijden van het ene uiterste uitschieter deelnemer werden verwijderd uit de analyse. 4. Representatieve resultaten Getekend fout resultaten zijn ingestort over modaliteiten en de hoeken geen significante hoofdeffecten gevonden voor deze factoren. Figuur 5a toont het significant effect van de beweging het vliegtuig (F (2,30) = 7.0, p = 0,003), waar waarnemers onderschat hoek grootte ( gemiddelde gegevens van minder dan 0 °) voor beweging in het horizontale vlak (-8,9 °, SE 1.8). In het frontale vlak waarnemers hadden meer kans gemiddeld om de hoek te groot (5,3 °, SE 2.6) te overschatten, terwijl er geen bias in het sagittale vlak (-0,7 °, SE 3.7). While de belangrijkste effecten van de hoek en de modaliteiten waren niet significant, werd hoek gevonden om significant interactie met het vliegtuig (F (2,30) = 11.1, p <0,001), zodanig dat overschat in het frontale vlak groter waren voor bewegingen door middel van 45 ° (7,9 ° , se 2.6) dan 90 ° (2,8 °, 2,7 se), terwijl deze verschillen afwezig voor andere gebieden. Bovendien werd gevonden modaliteit significant interactie met hoek (F (2,30) = 4,7, p = 0,017), zodanig dat onderschatting van vestibulaire informatie alleen voor verplaatsingen over 90 ° significant groter (-4,3 ° se 2,1) ten opzichte van de visuele (-2,0 °, SE 2.4) en vestibulaire en visuele informatie combineren (2,3 °, SE 2.2) voorwaarden, terwijl dergelijke verschillen afwezig waren voor bewegingen door middel van 45 °. Geen significant tussen onderwerpen effect was gesloten fout (F (1,15) = 0,7, p = 0,432). Figuur 5b toont de reactietijd resultaten. Er was een significant effect vanmodaliteit (F (2,28) = 22.6, p <0,001), waar waarnemers gereageerd traagste bij het ​​beantwoorden op basis van vestibulaire-kinesthetische informatie alleen (11,0 s, se 1,0) ten opzichte van de visuele (9,3 s, se 0,8) en gecombineerde (9,0 s, SE 0,8) omstandigheden. Er was ook een significant hoofdeffect van het vliegtuig (F (2,28) = 7.5, p = 0,002), waar waarnemers gereageerd langzaamste bij verplaatsing in het horizontale vlak (10,4 s, se 1,0) ten opzichte van het sagittale (9,4 s, se 0.8 ) en de frontale (9,4 s, se 0,9) vliegtuigen. Er was geen significant effect van het segment hoek of enig wisselwerkingen. Een belangrijk tussen onderwerpen effect gevonden reactietijd (F (1,14) = 129,1, p <0,001). Figuur 5. Resultaten. a) Getekend fout stortte in modaliteit voor de geteste toestellen. b) Reactietijd stortte in beweging vliegtuigen voor de wijze waaropgetest. Error bars zijn + / – 1 sem