使用MATLAB、虚拟现实和跑步机上研究人类如何使用视觉输入来控制他们的步态

除非他们匆忙,人们很少考虑他们行走速度。相反,他们选择一个步态,感觉很自然。研究人员发现,这种步态大力优化——使沃克消耗最少的能源,当覆盖给定的距离。虽然科学家已经知道了一段时间,人们走在最小化能量消耗的速度,他们还没有决定如何关键的感官输入,如代谢率和视野,影响自然步态的选择。

我和我的同事西蒙弗雷泽大学用MATLAB^®和仿真软金宝app件^®测量视觉上行走速度调整的影响。除了增加科学家的理解为什么人们走路一样,这种类型的研究提供了特定知识的步态是如何选择的,这也意味着制定康复疗法鼓励努力和病人参与。

实验装置

我们实验铰链的能力改变测试受试者的视觉感知的步行速度。设置包括一个专门仪器,接合皮带跑步机;一个曲线投影屏幕;一个Vicon动作捕捉系统;和基于模型的金宝app控制器(图1)。

我们定位跑步机直接在屏幕前面(图2),在我们预计的移动虚拟走廊(图3)。动作捕捉系统检测到的位置在跑步机上。控制器使用这些信息来管理跑步机的速度:学科向前发展时,控制器增加了跑步机速度带他回中心。主题向后移动时,控制器断裂他跑步机的速度放缓。控制器还托管在投影屏幕上显示的图像基于跑步机的速度和主体的地位。最重要的是,控制器使研究小组改变投影虚拟走廊的速度相对于主体的步行速度。我们可以量化受试者感知变化的动态响应。

我们有两个实现控制器的选择:我们可以构建或购买一个第三方自定义解决方案。定制的解决方案,我们评估了数十万美元的估计成本,它为我们提供了没有办法让软件变化实验研究中是不可避免的。

开发控制系统在MATLAB和集成它5000美元的虚拟现实系统使我们能够保持在预算之内,给了我们完全控制软件。这种控制是至关重要的,因为我们最初的实验显示轻微的设计挑战,我们没有考虑在创建系统。

开发控制器

仿真软件金宝app控制模型包含proportional-integral-derivative控制器(PID)(图4)和实时运行在一个标准的电脑使用桌面实时仿真软件™。接收数据在这个问题上的立场从动作捕捉系统和生产命令来控制速度的跑步机和走廊图像提供的虚拟现实系统。

除了PID控制器,完成仿真软件控制器模型包括几个安全特性,包括限速器和紧急停止(图5)。一个关键金宝app组件是乘法器速度块,这使我们能够改变虚拟走廊速度之间的关系和跑步机的速度。默认情况下,控制器管理走廊速度这走廊似乎超越主题速度对应于他的行走速度。使用时间不同速度比块,我们可以添加一个阶跃函数走廊突然增加或减少的速度相对于跑步机。我们也可以添加更复杂的正弦波功能逐渐增加和减少走廊的相对速度。

集成了运动控制系统和控制器模型

之前我们可以测试模型控制器模型在我们的设置中,我们金宝app不得不联系了运动控制系统,数据流的位置使用传输控制协议(TCP)。金宝app实时仿真软件桌面支持标准的网络连接使用用户数金宝app据报协议(UDP),这意味着我们需要将TCP段数据转换为UDP数据包。

使用MATLAB和通讯工具™,我们写了一个简单的程序,它读取TCP数据通过网络和继电器使用UDP。然后,我们使用MATLAB编译器创建一个独立的版本的程序™。这个项目包括一个接口,可用于配置必要的IP地址和端口。我们这个独立的程序直接在动作捕捉的电脑,没有安装了MATLAB。

调整设计,提高有效性

与实际测试对象在运行实验,我们发现一些缺陷在我们的初始设置。而不是周等待另一家公司实现修复,我们可以迅速实施ourselves-often在一个因为我们建造了控制器在模型而不是买一个定制的解决方案。金宝app因为实验严重依赖人类感知、测试设置自己的能力,迅速作细微调整控制器,然后重新测试是无价的。

我们的结果的有效性取决于我们的能力,让我们的课程感觉他们好像是走一个真正的走廊。我们很快就发现了两个问题,影响我们的能力让受试者在虚拟走廊经验和要求改变控制器的设计。首先,我们最初的设计实际上是过于敏感,因为跑步机开始就脱离了中心点。结果,主题常常觉得跑步机的速度变化。为了减轻这种效果,我们改变了仿真软件模型来实现金宝app死区——区域中心的跑步机的主题可能会没有跑步机加快或减慢。

不久之后,我们确定主题接近投影屏幕,走廊似乎更快,尽管我们没有改变它的速度。这就需要另一个变化到模型调整的速度走廊基于主题的靠近屏幕。综上所述,这些微小的变化使主题更现实和更流畅的经验,提高我们的研究结果的有效性。

人类认知的动力学建模

一旦我们有精制实验设置中,我们进行了大量的试验与多个主题,使用MATLAB和统计和机器学习工具™分析结果,进行假设检验。平均多久我们测量了受试者对感知到的走廊的阶跃函数扰动速度。对于正弦波的扰动,我们测量了检测获得正弦波输出。

从本质上讲,我们提供了系统动力学的方法,一方面我们已知输入系统阶跃函数和正弦波浪和测量输出的响应。然后我们加工这个输入-输出数据与系统辨识工具箱™构建一个人类作为一个动态系统的数学模型,利用视觉信息来调节行走速度。模型使我们能够量化的动态工作流程和更好地理解所涉及的时间常数。

我们目前正在使用一个类似的实验装置测量血液中气体含量的影响在步态的选择。在这个实验中我们使用仿真软件模型和仿真软件桌面实时控制氧金宝app气和二氧化碳的数量提供给我们的跑步机上行走主题,进而影响血液中这些气体的水平。我们将测试血液中气体含量是否关键代谢指标通过控制氧气和二氧化碳浓度的函数测量步态参数,如速度和频率步,和测试如果主题转变他们的首选步态血氧,最大限度地减少二氧化碳。这个实验将提供一个更好的理解人们使用选择步态的感官输入,治疗师帮助病人康复期间努力最大化。