Progettazione e utilizzo di un apparatus per la presentazione di oggetti afferbenati nell'area di lavoro 3D
Summary
Presentato qui è un protocollo per costruire un apparato automatico che guida una scimmia per eseguire il compito flessibile reach-to-grasp. L’apparecchio combina un dispositivo di traslazione 3D e una tabella di tornitura per presentare più oggetti in una posizione arbitraria nello spazio 3D.
Abstract
Raggiungere e afferrare sono movimenti altamente accoppiati, e le loro dinamiche neurali sottostanti sono state ampiamente studiate nell’ultimo decennio. Per distinguere le codifiche di raggiungere e afferrare le codifiche, è essenziale presentare identità di oggetti diverse indipendentemente dalle loro posizioni. Qui è presentato il design di un apparato automatico che viene assemblato con una tabella di tornitura e un dispositivo traslazionale tridimensionale (3D) per raggiungere questo obiettivo. La tabella di tornitura consente di passare da diversi oggetti corrispondenti a diversi tipi di grip, mentre il dispositivo di traslazione 3D trasporta la tabella di tornitura nello spazio 3D. Entrambi sono guidati in modo indipendente dai motori in modo che la posizione di destinazione e l’oggetto siano combinati arbitrariamente. Nel frattempo, la traiettoria del polso e i tipi di grip vengono registrati rispettivamente tramite il sistema di acquisizione del movimento e i sensori touch. Inoltre, vengono descritti i risultati rappresentativi che dimostrano con successo la scimmia addestrata utilizzando questo sistema. Si prevede che questo apparato faciliterà i ricercatori a studiare la cinematica, i principi neurali e le interfacce cervello-macchina legate alla funzione degli arti superiori.
Introduction
Sono stati sviluppati vari apparati per studiare i principi neurali alla base del movimento di raggiungimento e presa in primati non umani. Nel raggiungere le attività, touch screen1,2, cursore dello schermo controllato da un joystick3,4,5,6,7, e la tecnologia di realtà virtuale8 , 9 (in vie , 10 sono stati tutti impiegati per presentare obiettivi 2D e 3D, rispettivamente. Per introdurre diversi tipi di grip, oggetti di forma diversa fissati in una posizione o ruotanti intorno a un asse sono stati ampiamente utilizzati nelle attività di presa11,12,13. Un’alternativa consiste nell’utilizzare segnali visivi per informare i soggetti a cogliere lo stesso oggetto con diversi tipi di grip14,15,16,17. Più recentemente, i movimenti di raggiungimento e presa sono stati studiati insieme (cioè i soggetti raggiungono molteplici posizioni e afferrano con diversi tipi di impugnatura in una sessione sperimentale)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. I primi esperimenti hanno presentato gli oggetti manualmente, che inevitabilmente portano a basso tempo e precisione spaziale20,21. Per migliorare la precisione sperimentale e risparmiare manodopera, sono stati ampiamente utilizzati i dispositivi di presentazione automatica controllati dai programmi. Per variare la posizione di destinazione e il tipo di grip, gli sperimentatori hanno esposto più oggetti contemporaneamente, ma la posizione relativa (o assoluta) dei bersagli e i tipi di grip sono legati tra loro, il che causa modelli di cottura rigidi tramite l’addestramento a lungo termine22 ,27,28. Gli oggetti sono di solito presentati in un piano 2D, che limita la diversità di raggiungere il movimento e l’attività neurale19,25,26. Recentemente, realtà virtuale24 e braccio robot23,29 sono stati introdotti per presentare gli oggetti nello spazio 3D.
Qui sono presentati protocolli dettagliati per la costruzione e l’utilizzo di un apparato automatizzato30 che può ottenere qualsiasi combinazione di più posizioni di destinazione e tipi di grip nello spazio 3D. Abbiamo progettato un tavolo di tornitura per passare da oggetti e un dispositivo di traslazione 3D per trasportare la tabella di tornitura nello spazio 3D. Sia la tabella di tornitura che il dispositivo di traslazione sono guidati da motori indipendenti. Nel frattempo, la traiettoria 3D del polso e i segnali neurali del soggetto vengono registrati contemporaneamente durante l’esperimento. L’apparecchio fornisce una piattaforma preziosa per lo studio della funzione dell’arto superiore nella scimmia rhesus.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’apparato comportamentale è descritto qui consente una combinazione di prova-saggio di diversi movimenti di raggiungendo e presa (cioè, la scimmia può afferrare oggetti di forma diversa in qualsiasi posizione 3D arbitraria in ogni prova). Ciò avviene attraverso la combinazione di una tabella di tornitura personalizzata che passa da diversi oggetti e un dispositivo di traslazione lineare che trasporta la tabella di tornitura in più posizioni nello spazio 3D. Inoltre, i segnali neurali della scimmia, la traiettoria d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Shijiang Shen per i suoi consigli sulla progettazione di apparati e la signora Guihua Wang per la sua assistenza nella cura e formazione degli animali. Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma Nazionale di Ricerca e Sviluppo della Cina (2017YFC1308501), dalla National Natural Science Foundation of China (31627802), dai Progetti Pubblici della Provincia di Università centrali.
Materials
| Active X-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 600 mm; Load, 25 kg |
| Active Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm, Load 35 kg |
| Active Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Bearing | Taobao.com | 6004-2RSH | Acrylic |
| Case | Custom mechanical processing | TT-C | Acrylic |
| Connecting ring | CCM Automation technology Inc., China | 57/60-W50 | |
| Connecting shaft | CCM Automation technology Inc., China | D12-700 | Diam., 12 mm;Length, 700 mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-12 | Inner diam., 12-12mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-14 | Inner diam., 14-12mm |
| Electric slip ring | Semring Inc., China | SNH020a-12 | Acrylic |
| Locating bar | Custom mechanical processing | TT-L | Acrylic |
| Motion capture system | Motion Analysis Corp. US | Eagle-2.36 | |
| Neural signal acquisition system | Blackrock Microsystems Corp. US | Cerebus | |
| NI DAQ device | National Instruments, US | USB-6341 | |
| Object | Custom mechanical processing | TT-O | Acrylic |
| Passive Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm; Load 35 kg |
| Passive Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Pedestal | CCM Automation technology Inc., China | 80-W60 | |
| Peristaltic pump | Longer Inc., China | BT100-1L | |
| Planetary gearhead | CCM Automation technology Inc., China | PLF60-5 | Flange, 60×60 mm; Reduction ratio, 1:5 |
| Right triangle frame | CCM Automation technology Inc., China | 290-300 | |
| Rotator | Custom mechanical processing | TT-R | Acrylic |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01930 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.91 N·m; for Y- and Z-rail |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01330 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.27 N·m; for X-rail |
| Shaft | Custom mechanical processing | TT-S | Acrylic |
| Stepping motor | Taobao.com | 86HBS120 | Flange, 86×86 mm; Torque, 1.27 N·m; Driving turning table |
| Touch sensor | Taobao.com | CM-12X-5V | |
| Tricolor LED | Taobao.com | CK017, RGB | |
| T-shaped connecting board | CCM Automation technology Inc., China | 110-120 |
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