Lecture Notes in Computer Science


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet83/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   ...   80   81   82   83   84   85   86   87   88

4   Discussion 

We have investigated the ability of the neuromuscular system to control the direction 

of the impedance of the arm during movement. Subjects adapted to three differently 

oriented position dependent unstable force fields. We found that the endpoint stiffness 

rotated towards the direction of the instability in each force field. The change in the 

stiffness matrix occurred in the appropriate components to compensate for the 

environment. The three fields differed only in the K

yx

 component: the component 



which determines the force applied in the y-axis in response to an error in the x-axis. 

In response, while the K

xx

 and K


yy

 terms were increased in the two rotated DF fields

the main change occurred in the K

yx

 term of the endpoint stiffness of the arm. This 



change was opposite to the imposed force field K

yx

 term in order to compensate for it. 



Such a change was brought about by changing the antisymmetric component of the 

endpoint stiffness. Any changes in the antisymmetric stiffness are thought to be 

produced by changes in the reflex response, particularly in terms of heteronymous 

reflex responses [8]. 

Investigation of the reflex responses produced by the perturbations demonstrated 

that the reflex gains had been modulated by the CNS. The long latency responses had 

been either inhibited or excited from the baseline level depending on the force field in 

which they were moving. Evidence of feedforward changes in the feedback gain have 

been seen previously in cyclic activities such as cycling [13], ball catching [14] and 

arm reaching movements [15]. However, here we show that these reflex responses are 

tuned according to the instability in the environment as part of the impedance 

controller. The CNS carefully modified the long latency reflex responses of the limb, 

tuning it to appropriately counteract the disturbing force field. 

This work demonstrates that the neuromuscular system attempts to selectively 

increase the impedance in the direction of instability rather than globally. This 

provides compelling evidence for the existence and utility of an impedance controller 

in the CNS. It also shows that this impedance controller does not only control the 

feedforward co-activation of the muscles but also changes the reflex gains in order to 

appropriately tune the overall response of the neuromuscular system to the 

environment.  



Acknowledgments 

We thank T. Yoshioka for his assistance in running the experiments as well as for 

programming the PFM. DWF is supported by a fellowship from NSERC, Canada.  


922 

G. Liaw et al. 



References 

1.

 



Rancourt, D., Hogan, N.: Stability in force-production tasks. J. Mot. Behav. 33, 193–204 

(2001) 


2.

 

Harris, C.M., Wolpert, D.M.: Signal-dependent noise determines motor planning. 



Nature 394, 780–784 (1998) 

3.

 



Burdet, E., Osu, R., Franklin, D.W., Milner, T.E., Kawato, M.: The central nervous system 

stabilizes unstable dynamics by learning optimal impedance. Nature 414, 446–449 (2001) 

4.

 

Takahashi, C.D., Scheidt, R.A., Reinkensmeyer, D.J.: Impedance control and internal 



model formation when reaching in a randomly varying dynamical environment. J. 

Neurophysiol. 86, 1047–1051 (2001) 

5.

 

Hogan, N.: The mechanics of multi-joint posture and movement control. Biol. Cybern. 52, 



315–331 (1985) 

6.

 



Franklin, D.W., So, U., Kawato, M., Milner, T.E.: Impedance control balances stability 

with metabolically costly muscle activation. J. Neurophysiol. 92, 3097–3105 (2004) 

7.

 

Franklin, D.W., Liaw, G., Milner, T.E., Osu, R., Burdet, E., Kawato, M.: End-point 



stiffness of the arm is directionally tuned to instability in the environment. J. Neurosci. 

(2007) 


8.

 

Mussa-Ivaldi, F.A., Hogan, N., Bizzi, E.: Neural, mechanical, and geometric factors 



subserving arm posture in humans. J. Neurosci. 5, 2732–2743 (1985) 

9.

 



Gomi, H., Kawato, M.: Human arm stiffness and equilibrium-point trajectory during 

multi-joint movement. Biol. Cybern. 76, 163–171 (1997) 

10.

 

Burdet, E., Osu, R., Franklin, D.W., Yoshioka, T., Milner, T.E., Kawato, M.: A method for 



measuring endpoint stiffness during multi-joint arm movements. J. Biomech. 33, 1705–

1709 (2000) 

11.

 

Gomi, H., Osu, R.: Task-dependent viscoeleasticity of human multijoint arm and its spatial 



characteristics for interaction with environments. J. Neurosci. 18, 8965–8978 (1998) 

12.


 

Ito, T., Murano, E.Z., Gomi, H.: Fast force-generation dynamics of human articulatory 

muscles. J. Appl. Physiol. 96, 2318–2324 (2004) 

13.


 

Grey, M.J., Pierce, C.W.P., Milner, T.E., Sinkjær, T.: Soleus stretch reflex during cycling. 

Motor Control 1, 36–49 (2001) 

14.


 

Lacquaniti, F., Maioli, C.: Anticipatory and reflex coactivation of antagonist muscles in 

catching. Brain Res. 406, 373–378 (1987) 

15.


 

Gomi, H., Saijyo, N., Haggard, P.: Coordination of multi-joint arm reflexes is modulated 

during interaction with environments. In: 12th Annual Meeting of Neural Control of 

Movement, E-09, Naples, Florida (2002) 



Analysis of Variability of Human Reaching

Movements Based on the Similarity Preservation

of Arm Trajectories

Takashi Oyama

1

, Yoji Uno



2

, and Shigeyuki Hosoe

1

1

Bio-Mimetic Control Research Center, RIKEN,



Shimoshidami, Moriyama-ku, Nagoya 403-0003, Japan

2

Graduate School of Engineering, Nagoya University,



Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8601, Japan

Abstract. Human movements exhibit some variability. Based on the

assumption that the main factor of movement variability is noise adding

to motion commands in motion execution, it can be considered that

a planned trajectory is the same during the same task. However, the

human might not be able to plan the same trajectory during the same

task because of some factors (e.g., the uncertainty of target location

perception). We analyzed the similarity preservation of trajectories in

reaching movements. The similarity preservation of trajectories cannot

be reproduced by random noise in motion execution. We argue that the

movement variability breaks out in motion planning.

1

Introduction



Human movements exhibit some variability, namely the variance or standard de-

viation of the points of trajectories. Some hypotheses have been suggested with

regard to the factor concerning this variability. Harris & Wolpert [1] suggested

“signal dependent noise” (SDN) as the factor of movement variability. SDN is

the noise added to a motor command during its execution, and the magnitude

of SDN increases with the magnitude of the motor command. van Beers et al.

[2] measured the reaching movements along many directions and distances, in-

dicating that SDN could reproduce the variability of movements. Based on the

assumption that the main factor of movement variability is SDN, it can be con-

sidered that a planned trajectory is the same during every trial. For example, a

minimum torque change model [3] and a minimum commanded torque change

model [4] determine exactly one desired trajectory when the start and target

positions are provided. The perception of a target location must be accurate to

calculate a trajectory that reaches only the target. However, large deviation and

variability exist between the visual and proprioceptive perception of a target

location [5]. Sakamoto et al. [6] suggested the uncertainty of target localization

in motion planning as the factor of movement variability. We conjecture that

the influence of noise on variability during motion execution is not significant

and the variability is mainly attributed to the uncertainty of target localization

in motion planning. If trajectories vary with noise, the similarity between the

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 923–932, 2008.

c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008



924

T. Oyama, Y. Uno, and S. Hosoe

(a) Trajectory variability caused by

     the noise in motion execution;

     the second parts (B) of the trajectories are

     not similar even if the first parts (A) are similar.

(b) Trajectory variablility caused by

     uncertainty in motion planning;

     the second parts (B) of the trajectories are

     similar if the first parts (A) are similar.

A

B

A



B

Fig. 1. Difference in the trajectory similarities depending on the factor of variability

trajectories in the first parts may not be kept in the latter half because of the

noise (Fig. 1a). On the other hand, if movement variability breaks out with the

uncertainty of target localization in motion planning, the similarity between the

trajectories will be preserved (Fig. 1b). In order to investigate whether the factor

of movement variability is the noise in motion execution or the uncertainty of

target localization in motion planning, the similarities between the torque pro-

files of actual measured trajectories, trajectories computed with noise in motion

execution, and minimum commanded torque change trajectories with variable

end points that were made on the basis of the uncertainty of target localization

in motion planning were analyzed.

2

Experiment



2.1

Measurement

Five subjects participated in this experiment. Human right arm 2-joint (a shoul-

der and an elbow) reaching movements between two points in the horizontal

plane were examined. When a subject’s right shoulder position was regarded as

the origin of Cartesian coordinates, a start position and an end position of the

movements were located at (-0.25 m, 0.3 m) and (0.05 m, 0.45 m), respectively.

The shape of the target is a circle of which diameter is approximately 1 cm. The

subjects could perceive their limbs and the target on the basis of visual informa-

tion prior to the motion execution. The subjects were asked to close their eyes

as soon as they noticed a signal indicating the onset of movement and to aim at

the target in the absence of any visual information. The subjects were asked to

aim using a single motion; they were allowed to open their eyes and see the trial

result after each movement. A total of 100 trials were measured for each subject.

2.2

Simulated Trajectories with Noise



The procedure to compute the trajectories under the influence of noise is shown

in Fig. 2 [2]. The mean measured trajectory was computed by averaging the

points of the measured trajectories in each subject; the movement duration of

each trajectory was normalized. The magnitude of the added noise depends on

the motor command and is expressed as σ(t) = N (0, 1)

k

2



SDN

u

2



(t) + k

2

CON ST



Analysis of Variability of Human Reaching Movements

925


Inverse kinematics

Inverse dynamics

Mean measured

      trajectory

Joint angles

Forward kinematics

Forward dynamics

Noise


Joint torques

Motor commands

Joint angles

Motor commands

Joint angles

Deformed trajectories

Fig. 2. Procedure to compute trajectories deformed by noise

mean trajectory

(b) intersection points with 

the normal plane of 

the mean trajectory:

intermediate points variability

(a) 95% concentration ellipse of the

end points of the trajectories:

end points variability

Fig. 3. Index of the variability of trajectories; (a) the 95% concentration ellipse of the

end points is used as the index of the end points variability, and (b) the standard

deviations of the intersection points with the normal plane of the mean trajectory of

measured trajectories is used as the index of the intermediate points variability

as shown in van Beers et al. [2]. Here, N (0, 1) denotes a Gaussian noise with zero

mean value and unit variance, k

SDN


determines the extent of noise depending

on the motor command, and k

CON ST

determines the extent of noise indepen-



dent of the motor command. u(t) is the motor command and is expressed as

u(t) = t


e

t

a



¨

τ (t) + (t

e

+ t


a

) ˙τ (t) + τ (t) as shown in van der Helm & Rozendaal

[7]. Here, t

e

and t



a

represent time constants with values of 30 and 40 ms, re-

spectively. Further, the movement duration of the trajectories was also changed

stochastically according to the normal distribution N (μ

md

, k


T IM E

). Here, μ

md

is the mean of the movement duration of measured trajectories. The movement



duration of a measured trajectory was defined as the time interval during which

the tangential velocity of movement was greater than 0.01 m/s. As shown by

Hollerbach & Flash [8], when the mean of the movement duration is μ

md

and



that of the computed trajectory is cμ

md

, the motor command of the computed



trajectory is set to 1/c

2

times that of the original value.



The value of noise parameters k

SDN


, k

CON ST


and k

T IM E


were modulated

so that the variability of (a) end points or (b) intermediate points of measured

trajectories were reproduced. The 95% concentration ellipse of the end points

was used as the index of the end points variability, and the standard deviations of

the intersection points with the normal plane of the mean trajectory of measured

trajectories was used as the index of the intermediate points variability (Fig. 3).

(a) Simulated trajectories with noise that reproduces end points vari-

ability. The value of noise parameters k

SDN

, k


CON ST

and k


T IM E

were


modulated so that the variability of end points of measured trajectories were

926

T. Oyama, Y. Uno, and S. Hosoe

Table 1. The values of noise parameters k

SDN


, k

CON ST


and k

T IM E


that reproduce

the variability of the end points of measured trajectories

Subject

A

B



C

D

E



k

SDN


0.018 0.162 0.061 0.069 0.042

k

CON ST



0.589 0.568 0.943 0.605 0.353

k

T IM E



0.909 1.195 1.365 1.260 1.045

Subject A

Subject B

Subject C

Subject D

Subject E

Y

X

4 cm



4 cm

Noise


Measured

Fig. 4. The 95% concentration ellipses of the end points of measured trajectories (solid

lines) and N oise

end


(dashed lines)

 0

 1



 2

 3

 4



 5

400


350

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


 0

 1

 2



 3

 4

 5



 6

 7

 8



400

350


300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


Noise

 0

 2



 4

 6

 8



 10

 12


 14

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


Subject A

Subject B

Subject C

 0

 1



 2

 3

 4



 5

 6

400



350

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


 0

 1

 2



 3

 4

 5



300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


Noise

Subject D

Subject E

Fig. 5. The standard deviations of the intersection points of measured trajectories

(solid line) with the normal plane of the mean trajectory and N oise

end


(dashed lines)

reproduced (Table 1). Hereinafter, these simulated trajectories with noise are

referred as N oise

end


. The 95% concentration ellipses of the end points of mea-

sured trajectories (solid lines) and simulated trajectories with noise (dashed

lines) are shown in Fig. 4, and the standard deviations of the intersection points

of measured trajectories (solid lines) with the normal plane of the mean trajec-

tory and simulated trajectories with noise (dashed lines) are shown in Fig. 5.

The horizontal axis illustrates the passage of time from the start point. The

variability of the intermediate points of the simulated trajectories was less than

that of the measured trajectories; the variability of the actual trajectories could

not be reproduced.

(b) Simulated trajectories with noise that reproduces intermediate

points variability. The value of noise parameters k

SDN


, k

CON ST


and k

T IM E


were modulated so that the variability of intermediate points of measured

Analysis of Variability of Human Reaching Movements

927


Table 2. The values of noise parameters k

SDN


, k

CON ST


and k

T IM E


that reproduce

the variability of the intermediate points of measured trajectories

Subject

A

B



C

D

E



k

SDN


0.292 0.586 0.608 0.547 0.307

k

CON ST



0.100 0.567 0.566 0.271 0.100

k

T IM E



0.909 1.195 1.365 1.260 1.045

Y

X



4 cm

4 cm


Subject A

Subject B

Subject C

Subject D

Subject E

Noise


Measured

Fig. 6. The 95% concentration ellipses of the end points of measured trajectories (solid

lines) and N oise

inter


(dashed lines)

 0

 1



 2

 3

 4



 5

400


350

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


 0

 1

 2



 3

 4

 5



 6

 7

 8



400

350


300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


Noise

 0

 2



 4

 6

 8



 10

 12


 14

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


Subject A

Subject B

Subject C

 0

 1



 2

 3

 4



 5

 6

400



350

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

Noise


 0

 1

 2



 3

 4

 5



300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


Noise

Subject D

Subject E

Fig. 7. The standard deviations of the intersection points of measured trajectories

(solid line) with the normal plane of the mean trajectory and N oise

inter


(dashed lines)

trajectories were reproduced (Table 2). In this case, these simulated trajecto-

ries with noise are referred as N oise

inter


. Observe that parameters k

T IM E


are

the same with the ones in Table 1. This indicates that the influence of the vari-

ability of movement duration on the variability of intermediate points is small.

The 95% concentration ellipses of the end points of measured trajectories (solid

lines) and simulated trajectories with noise (dashed lines) are shown in Fig. 6,

and the standard deviations of the intersection points of measured trajectories

(solid line) with the normal plane of the mean trajectory and simulated tra-

jectories with noise (dashed lines) are shown in Fig. 7. The variability of the

end points of the simulated trajectories was greater than that of the measured

trajectories; namely the variability of the actual trajectories could not be well

reproduced in this case.


928

T. Oyama, Y. Uno, and S. Hosoe

 0.5

 0.4


 0.3

 0.1


 0

-0.1


-0.2

-0.3


Y [m]

X [m]


 0.5

 0.4


 0.3

 0.1


 0

-0.1


-0.2

-0.3


Y [m]

X [m]


Measured trajectories

M CT C


un

Fig. 8. Measured trajectories (left) and M CT C

un

(right). The 95% concentration el-



lipse of end points is the same for both the cases.

 0

 1



 2

 3

 4



 5

400


350

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

MCTC


 0

 1

 2



 3

 4

 5



 6

 7

 8



400

350


300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


MCTC

 0

 2



 4

 6

 8



 10

 12


 14

300


250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

MCTC


Subject A

Subject B

Subject C

 0

 1



 2

 3

 4



 5

 6

 7



400

350


300

250


200

150


100

Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured


MCTC

 0

 1



 2

 3

 4



 5

 6

300



250

200


150

100


Intermediate variability [cm]

Time [ms]

Measured

MCTC


Subject D

Subject E

Fig. 9. The standard deviations of the intersection points of measured trajectories

(solid line) with the normal plane of the mean trajectory and M CT C

un

(dashed lines)



Although both the variability of end points and intermediate points could be

reproduced by well modulating the noise parameters, the values of parameters

are not near in each condition (Table 1 and 2). It appeared difficult to reproduce

both variability of the end points and intermediate points simultaneously.

2.3

Simulated Trajectories with the Uncertainty of Target



Perception

As described in the introduction, a planned trajectory may also exhibit variabil-

ity if we assume the uncertainty of the target localization in planning stage [5,6].

In this section, the minimum commanded torque change trajectories between

two points (start and end points) were computed to reproduce the uncertainty

of target localization in motion planning. Hereinafter, these simulated trajec-

tories with the uncertainty of target perception are referred as M CT C

un

. The



end points were imparted variability so that the 95% concentration ellipse of the

end points of the measured trajectories was reproduced. The measured trajec-

tories and the corresponding minimum commanded torque change trajectories

are shown in Fig. 8. The variability of the intermediate points of the measured



Analysis of Variability of Human Reaching Movements

929


trajectories (solid lines) and the minimum commanded torque change trajecto-

ries (dashed lines) are shown in Fig. 9. The variability of the intermediate points

of the minimum commanded torque change trajectories were approximately in

agreement with that of the measured trajectories, although the minimum com-

manded torque change trajectories were calculated so that only the 95% concen-

tration ellipse of the end points of the measured trajectories was reproduced.

2.4

Analysis of the Similarity Preservation of Trajectories



The time series of the joint torques were used to evaluate the similarity between

the trajectories. It is possible to distinguish different trajectories according to

the motor commands even if the paths appear similar. Denote by S

m

, S



ne

,

S



ni

and S


mctc

the set of all the measured trajectories, simulated trajectories

with noise (N oise

end


and N oise

inter


) and minimum commanded torque change

trajectories (M CT C

un

), respectively. To each set S



m

, S


ne

, S


ni

and S


mctc

, the


similarity between the trajectories is evaluated as follows:

(1) Select any one of the trajectories in S (S presents either S

m

, S


ne

, S


ni

or

S



mctc

).

(2) Compute the squared sum of the differences of torques during a certain time



interval A (see Fig. 1) between the selected and other trajectories.

(3) Choose N trajectories from S in the ascending order of the squared sum.

This set of these N trajectories is referred to as S

A

.



(4) Do procedures (2) and (3) by shifting time interval A to B, where the time

interval B comes after A (see Fig. 1). Denote by S

B

the set of the corre-



sponding N trajectories.

(5) Denote by M the number of trajectories that belong to both S

A

and S


B

.

(6) Repeat (1) to (5) for all selection of the trajectories in S.



(7) Average M over all the selection of trajectories in (1). This presents the

index of the similarity preservation of S.

These procedures were applied to the experimental data. When the parame-

ters are selected as N = 20, A =100–200 ms, and B =250–350 ms, the order of

the squared sum of the differences of torques for a particular trajectory during

intervals A and B is shown in Fig. 10. The black circles in this figure represent

trajectories within the 20th order of the squared sum of the differences of torques

during time interval A. Those correspond to black circles for time interval B.

The number of black circles within the 20th order during time interval B repre-

sents the index of the similarity preservation of trajectories (=M ). For example,

M is 8 for a trajectory verified in Fig. 10.

The procedure was applied for 100 measured trajectories, 100 trajectories

with noise (N oise

end


and N oise

inter


), and 100 minimum commanded torque

change trajectories (M CT C

un

) for all the subjects. Time intervals A and B were



selected depending on the mean of movement duration (μ

md

) in each subject



(A = 0.2μ

md

–0.4μ



md

, B = 0.5μ

md

–0.7μ


md

,), and N = 20 was provided. We also

tested other parameters set that is described later.


930

T. Oyama, Y. Uno, and S. Hosoe

 0

 20


 40

 60


 80

 100


 10  20  30  40  50  60  70  80  90  100

Squared difference [(Nm)²]

Order

 0

 20



 40

 60


 80

 100


 120

 140


 160

 10  20  30  40  50  60  70  80  90  100

Order

Squared difference [(Nm)²]



A: interval 100–200 ms

B: interval 250–350 ms

Fig. 10. Example of trajectory similarity evaluation. Black circles represent trajectories

in which the squared sum of the differences of torques is small during the interval of

100–200 ms (left). The number of black circles comprising the top 20 ranks during the

interval of 250–350 ms (right) indicates the measure of trajectory similarity.

 0

 5

 10



 15

 20


E

D

C



B

A

Number M



Subject

Measured


Noise (end)

Noise (intermediate)

MCTC

Fig. 11. The mean of a number of trajectories preserving similarity M (not filled:



measured trajectory; light mesh: N oise

end


; thick mesh: N oise

inter


; filled: M CT C

un

;



errorbar means standard deviation)

2.5


Results

The mean of a number M of trajectories preserving a similarity between the mea-

sured trajectories (not filled), N oise

end


(light mesh), N oise

inter


(thick mesh),

and M CT C

un

(filled) are shown in Fig. 11. In all the subjects, the number M



of the trajectories preserving the similarity between the trajectories with noise

was smaller than that of the measured trajectories with a significant difference

(p < 0.001). No significant difference was observed between the number of tra-

jectories preserving similarity M of the measured trajectories and the minimum

commanded torque change trajectories for subjects C and E. Although a signifi-

cant difference existed between M of the measured trajectories and the minimum

commanded torque change trajectories for subjects A, B and D the tendency of

the magnitude relation of M was inconsistent.

The parameters N (the number of trajectories considered in the ascending

order of the squared sum of the differences of torques) and the set of A and B

(over which the squared sum of the differences of torques is evaluated) employed

during the procedure to calculate the number of trajectories preserving similarity

M were modified to a different value and the procedure was executed. When N


Analysis of Variability of Human Reaching Movements

931


was 15 and 30, and the set of A and B was moved before, after, or extended tem-

porally (e.g., A = 0.3μ

md

–0.5μ


md

and B = 0.6μ

md

–0.8μ


md

; A = 0.2μ

md

–0.5μ


md

and B = 0.5μ

md

–0.8μ


md

), the value of M for the trajectories with noise was

always less than that of the measured trajectories with a significant difference

(p < 0.001).

3

Discussion



In this study, the similarity between the trajectories was investigated to test

whether the primary factor of movement variability was “noise in motion execu-

tion” or “the uncertainty of location perception in motion planning.” If the vari-

ability of the actual trajectories results from random noise in motion execution,

the preservation of the similarity between the trajectories would depend on the

probability distribution of noise. In contrast, if variability is included in motion

planning, the similarity between the realized trajectories is well preserved. The

number of trajectories preserving similarity M for the trajectories with noise was

significantly smaller than that of the measured trajectories. The minimum com-

manded torque change trajectories in which the end points exhibited almost the

same variability as the measured trajectories (based on the assumption of the un-

certainty of location perception in motion planning) could reproduce M of the

measured trajectories better than that of trajectories with noise. Further, the min-

imum commanded torque change trajectories could roughly reproduce the vari-

ability of the intermediate points of the measured trajectories even though they

were not specified. It is appropriate that the primary factor of movement variabil-

ity is the uncertainty of location perception in motion planning as compared to

randomly added noise to a motor command during motion execution. In this ex-

periment, the subjects were asked not to use visual feedback during motion execu-

tion. The influence of available somatosensory feedback on movement variability

should be considered. If a subject correctly localizes a target position in motion

planning and uses lots of somatosensory feedback in motion execution, trajectories

would tend to converge on the perceived position as time passes and the movement

variability will decrease. As shown in Fig. 5, however, the variability of interme-

diate points of measured trajectories increases as time passes. We conjecture that

the subjects use almost feedforward control to perform reaching movements and

the influence of somatosensory feedback is small on the results.

Schmidt et al. [9] showed that the variability of end points increases when the

movement distance and movement duration are longer. How are these results

explained under the assumption that movement variability breaks out in motion

planning? The first explanation is that when a subject rapidly moves his hand

toward a target to perform a task, the application of feedback control in the

vicinity of the target is difficult. Since the subject is instructed to stop his hand

at the end of the movement certainty during a typical reaching task, he may

be more concerned about stopping his hand rather than the accuracy of reach-

ing; hence, the variability of the end points increases. The second explanation

is that the difficulty of computing a desired trajectory increases the amount of


932

T. Oyama, Y. Uno, and S. Hosoe

computation since the movement duration increases. When a subject performs

a slow and time-consuming movement, the amount of planned trajectory data

may increase, and it increases the movement variability. We have measured very

slow reaching movements (movement duration of 6 sec) and fast reaching move-

ments (movement duration of 0.5 sec) and revealed that the variability of the

intermediate points of the slow movements was greater than that of the fast

movements [10]. Movement variability involves the computation difficulty of a

planned trajectory.

We propose the uncertainty of location perception as one of the factors of

variability in motion planning. A planned trajectory is not necessarily invari-

able, such as a mean trajectory for the same task, and it exhibits a large vari-

ability. The manner in which a planned trajectory is expressed and computed,

and the required information of perception should be investigated. The method

to estimate a planned trajectory from a measured trajectory [11] is useful to

investigate the variability in motion planning.

Acknowledgment. This work was supported by Grant-in-Aid for scientific Re-

search (B) 18360202 from JSPS.

References

1. Harris, C.M., Wolpert, D.M.: Signal-dependent noise determines motor planning.

NATURE 394, 780–784 (1998)

2. van Beers, R.J., Haggard, P., Wolpert, D.M.: The role of execution noise in move-

ment variability. J. Neurophysiol. 91, 1050–1063 (2004)

3. Uno, Y., Kawato, M., Suzuki, R.: Formation and control of optimal trajectory in

human multijoint arm movement. Biol. Cybern 61, 89–101 (1989)

4. Nakano, E., Imamizu, H., Osu, R., Uno, Y., Gomi, H., Yoshioka, T., Kawato, M.:

Quantitative examinations of internal representations for arm trajectory planning:

minimum commanded torque change model. J. Neurophysiol. 81, 2140–2155 (1999)

5. Kitagawa, T., Fukuda, H., Fukumura, N., Uno, Y.: Investigation of error in human

perception of hand position during arm movement (in Japanese). IEICE J89-D,

1429–1439 (2006)

6. Sakamoto, T., Fukumura, N., Uno, Y.: Variability in human reaching move-

ments depends on perception of targets (in Japanese). Technical Report of IEICE

NC2002-175, 19–24 (2003)

7. van der Helm, F.C.T., Rozendaal, L.A.: Musculoskeletal systems with intrinsic

and proprioceptive feedback. In: Winters, J.M., Crag, P.E. (eds.) Biomechanics

and Neural Control of Posture and Movement, pp. 164–174 (2000)

8. Hollerbach, J.M., Flash, T.: Dynamic interaction between limb segments during

planar arm movement. Biol. Cybern 44, 67–77 (1982)

9. Schmidt, R.A., Zelaznik, H., Hawkins, B., Frank, J.S., Quinn Jr., J.T.: Motor-

output variability: a theory for the accuracy of rapid motor acts. Psychological

Review 86, 415–451 (1979)

10. Oyama, T., Uno, Y.: Variability of human arm reaching movements occurs in mo-

tion planning (in Japanese). In: BPES20th, pp. 149–152 (2005)

11. Oyama, T., Uno, Y.: Estimation of a human planned trajectory from a measured

trajectory (in Japanese). IEICE J88-DII, 800–809 (2005)


Directional Properties of Human Hand Force

Perception in the Maintenance of Arm Posture

Yoshiyuki Tanaka and Toshio Tsuji

Department of Artificial Complex Systems Engineering, Hiroshima University,

1-4-1 Kagamiyama, Higashi-hiroshima, 739-8527, Japan

{ytanaka,tsuji}@bsys.hiroshima-u.ac.jp

http://www.bsys.hiroshima-u.ac.jp

Abstract. This paper discusses the directional properties of human

hand force perception during maintained arm posture in operation of a

robotic device by means of robotic and psychological techniques. A series

of perception experiments is carried out using an impedance-controlled

robot depending on force magnitudes and directions in the different arm

postures. Experimental results demonstrate that human hand force per-

ception is much affected by the stimulus direction and can be expressed

with an ellipse. Finally, the relationship between hand force perception

properties and hand force manipulability is analyzed by means of human

force manipulability ellipse.

Keywords: Force perception, multi-joint arm, human force manipula-

bility.

1

Introduction



Humans can control dynamic properties of his/her own body according to tasks

by utilizing the perceived information of environmental characteristics. For ex-

ample, in the door open-close task usually appearing as a constrained task in

our daily activities, we can carry out a smooth operation without feeling an ex-

cessive load by controlling hand movements and arm configurations at the same

time depending on kinematical and dynamical characteristics of the maneuver-

ing door. If the relationship between human sensation and dynamic properties

of movements for environmental characteristics can be described quantitatively,

it would be useful to evaluate and develop a novel human-machine system in

which the operator can manipulate the machine comfortably.

In the field of robotics, there have been several methods to evaluate the ma-

nipulability of a robot with a serial link mechanism for each posture from the

kinematical and dynamical viewpoints in the operational task space [2,3]. These

methods can quantitatively indicates the directional dependence of robot per-

formance by representing the shape and size of an ellipse for the specified pos-

ture. Some researches applied robot manipulability into the analysis of human

movements [4] and the evaluation of welfare equipments [5] to develop more

comfortable and safety mechanical interfaces for a human operator. The robot

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 933–942, 2008.

c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008



934

Y. Tanaka and T. Tsuji

manipulability, however, cannot consider kinetic characteristics of the human

musculoskeletal system that should be taken into account for evaluating hu-

man movements. For such a problem, Tanaka and Tsuji developed human force

manipulability based on human joint-torque characteristics that can estimate

human force capability in good agreement with experimental data, and applied

to the layout problem of driving interfaces of a human-robotic system [6][7]. How-

ever, these previous researches did not concern how a human operator would feel

dynamic properties of designed devices although the improvement of operational

feeling was stated as a major study purpose.

On the other hand, a large number of studies on the properties of human

perception have been carried out in the psychometric field so far, and there are

some well-known law based on experimental findings, e.g., Weber-Fechner law;

a just-noticeable difference in a stimulus is proportional to the magnitude of

the original stimulus [8]. Many experimental studies have been also reported

on human force perception [10]–[15]. Especially, Jones [13] examined the per-

ceived magnitude of forces exerted to muscle groups in the finger, upper-arm,

and forearm, and reported that human force perception ability is much affected

by muscle size. This experimental evidence suggests that directional properties

might be involved in human hand force perception since the muscles used change

depending on the direction of the force exerted in multi-joint arm movement. No

research, however, has been reported on the directional dependency of human

hand force perception as far as the authors know.

The objective of the present paper is to clarify whether the force direction

affects human hand force perception properties during maintained arm posture

in operation of a robotic device. Experimental findings will be useful as basic

data for designing kinematic and dynamic properties of a robotic system as well

as the control strategy to assist operator’s motion more safety and comfortably.

This paper is organized as follows: Section 2 explains the experimental system

and method using an impedance-controlled robot for investigating human hand

force perception, and presents typical experimental results. Section 3 discusses

the directional dependency of human hand force perception and the relationship

between hand force perception properties and hand force manipulability by using

human force manipulability ellipse [7].

2

Hand Force Perception Experiment



2.1

Experimental System

Fig. 1 shows an overview of the constructed experimental apparatus. The robot

is composed of two linear motor tables with one degree of freedom (NSK Ltd.,

maximum driving force: x axis 100 [N], y axis 400 [N], encoder resolution: x axis

4 [μm], y axis 4 [μm]), where the two tables are placed orthogonally in order to

carry out the two-dimensional hand motion exercise [16]. Hand force generated

by a human operator is also measured using a six-axis force/torque sensor on

the handle (Nitta Corp., resolution: force x and y axes 200 [N], z axis 400 [N],


Directional Properties of Human Hand Force Perception

935


Robot

Force


Position

Bio-feedback

Impedance control

Human


Force sensor

Display


x

y

DSP system

(a)

φ

X



d

X

φ

X



d

X

X

0

X

0

: Hand position



: Target position of equilibrium

: Initial position

: Target direction

(b)


Fig. 1. Experimental apparatus for the human hand force perception

torque 18 [Nm]). Hand position X

2

is measured using an encoder built into



the linear motor table.

The robotic device is impedance-controlled [17], and can provide force loads

F



2



to the operator’s hand by adjusting the impedance parameters. Thus,

dynamics of the robot is as follows:

− F (t) = M ¨

X(t) + B ˙

X(t) + K(X(t)

− X


v

(t))


(1)

where M = diag.(m

r

, m


r

), B = diag.(b

r

, b


r

), K = diag.(k

r

, k


r

)



2

×2

is the



robot inertia, viscosity, and stiffness; and X

v



2

is the equilibrium of K. The

robot control is performed using a DSP system (A & D Company, AD5410)

that can provide stable control based on the real-time simulation output of the

Matlab/Simulink (Mathworks Inc.) as well as high-quality data measurement in

high sampling.

The biofeedback display, programmed in Open GL, shows the target direction

of the hand force φ with an arrow and the current hand position X with a

circle.

2.2


Experimental Method

Experiments were carried out based on a magnitude estimation method [8].

A human subject was seated in the front of the robot as shown in Fig. 2.

The shoulders of the subject were restrained by a shoulder harness belt to the

chair back, and the elbow of the right arm was hung from the ceiling by a

rope to maintain his right arm posture in the horizontal plane without excessive

co-contractions of the muscles. The right wrist and hand were tightly fixed by

a molded plastic cast to the robot handle to eliminate the influence of tactile

sensation in the experiment as much as possible [9].

The subject was instructed to keep his hand position at the initial position

X

0

by monitoring the information on the biofeedback display. The equilibrium



position of robot stiffness X

v

was smoothly moved to the target position X



d

936

Y. Tanaka and T. Tsuji

θ

1

θ



2

φ

x



y

Fig. 2. Experimental condition on the arm posture

located on the circle with radius 4 [cm] in the specified direction φ within two

seconds: The force stimulus was gradually increased to the target value for two

seconds. After that, the subject perceived the reaction force for three seconds,

and reported the perceived value in percentage terms with respect to the stan-

dard force stimulus.

The presented force series was composed of the six different magnitude F =

5, 10, 15, 20, 25, 30 [N], and the eight different directions φ = 0, 45, 90, 135,

180, 225, 270, 315 [deg.] in consideration of the performance of the employed

robot and a human subject. The presented values of force F and direction φ were

randomly determined by the experimental system. The standard force magnitude

was set at F

s

= 15 [N] and the standard force direction was at φ



s

= 0 [deg.]

in this paper, i.e., the standard force stimulus was at (F

s

, φ



s

) = (15 [N], 0

[deg.]). Each magnitude of the different six force stimuli was provided five times

in each direction, and the total number of trials was 240 (= 30

× 8) for each

arm posture. The standard force stimulus was presented after every three trials

so that a human subject can remember the standard force stimulus during the

perception test. Under the above conditions, the arm posture θ = (θ

1

, θ


2

)



2

was changed as θ

1

= 30, 60, 90 [deg.] under θ



2

= 60 [deg.].

The presented force magnitude was generated by changing the robot stiff-

ness k


r

. The robot inertia was set at m

r

= 5 [kg] and the robot viscosity b



r

was automatically adjusted for critical damping to avoid the oscillation of hand

movements during the perception test. The sampling frequency for robot control

was 1 [kHz] in this study.

Fig. 3 shows typical measured signals during the perception test with the

standard force stimulus. The hand displacement from the initial position for

each axis, and the hand force for each axis are presented in the order from the

top. It can be seen that the smooth change of force amplitude is realized using

the developed experimental system, and that hand motion is almost constant

during the perception term for three seconds.



Directional Properties of Human Hand Force Perception

937


-0.02

0

0.02



0.04

0.06


-0.02

0

0.02



0.04

0.06


-0.02

0

0.02



0.04

0.06


-20

-10


0

0

2



4

6

8



-20

-10


0

  Equilibrium

position, 

Xv

 [m]


Hand

displacement,



dx

 [m]


Hand

displacement,



dy

 [m]


Hand force, 

fy

 [N]


Hand force,

fx

 [N]


5

5

Perception term

Time [s]

Fig. 3. Time profiles of the measured signals during a force perception test with the

standard force stimulus

2.3


Experimental Results

Six right-handed volunteers (male university students, aged 23 - 25) were partic-

ipated in the perception test. The subjects carried out some practice until they

understood the point of the perception test and had enough confidence in their

answers.

Fig. 4 shows the results of the force perception test for Subject A in the

case of (θ

1

, θ



2

) = (30 [deg.], 60 [deg.]) where the vertical axis in each graph is

the perceived force amplitude F

p

, and the horizontal axis is the true force F



t

normalized with the standard force magnitude F

s

(= 15 [N]). The solid line



for each direction denotes a regression curve with a logarithmic function, y =

A ln(x) + B, obtained by fitting the all data (30 samples) using the least squares

method, and the dotted line is 95 % prediction interval assuming that the normal

distribution is satisfied in the data. The black circle

• is the perception result for

F

s



, and r

2

represents the coefficient of determination between true and perceived



values.

938

Y. Tanaka and T. Tsuji



y = 58.6 ln (x) - 148.4

y = 60.6 ln (x) - 161.9

y = 61.6 ln (x) - 173.6

y = 55.1 ln (x) - 138.0

y = 48.6 ln (x) - 95.8

y = 59.5 ln (x) - 150.3

y = 62.5 ln x - 178.0

y = 58.0 ln (x) - 151.7

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

r  = 0.94

r  = 0.96

r  = 0.96

r  = 0.94

r  = 0.98

r  = 0.88

r  = 0.98

r  = 0.94

x

y

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

0

50



100 150 200

0

50



100

150


200

Perception value, 



F

[%]


True value, 

Ft

 [%]

2

2



2

2

2



2

2

2



Fig. 4. Relationship between true and perceived hand forces under θ

1

= 30 [deg.]



(Subject A)

The subject almost correctly perceived the standard force stimulus (F

s

, φ


s

)

in each specified arm posture, and there exist ranges where the subject perceives



hand force as larger or smaller than the true one. The perceived force tends to

be larger than the true one when the presented force magnitude was smaller

than the standard one, while smaller when the presented force magnitude was

larger. The coefficient of determination is over 0.88, and the relationship with

the logarithm of the present force is almost proportional. That is, the Weber-

Fechner law is almost satisfied in hand force perception for all combination of

the specified directions and arm postures. The significant difference of perceived

force to the standard force magnitude (a mark

• in Fig. 4) was observed in the

perception direction φ for each of the specified arm posture by the analysis of

variance (ANOVA) with significant level p < 0.001: F(7, 32) = 20.94 for θ

1

=



30 [deg.]; F(7, 32) = 8.14 for θ

1

= 60 [deg.]; F(7, 32) = 6.24 for θ



1

= 90 [deg.].

These characteristics on hand force perception mentioned here were observed

for the other subjects.

3

Directional Properties of Human Hand Force



Perception

3.1


Human Force Perception Ellipse

Further analysis on the directional properties of human hand force perception

was executed using “Point of Subjective Equality (PSE)” [8] with respect to

the standard force stimulus. The PSE in this paper was defined as the value of



Directional Properties of Human Hand Force Perception

939


a regression curve at F

p

= 100, that is the force magnitude to make a human



subject perceive the standard force stimulus. The PSE was calculated backward

using the regression curve for each of directions and arm postures.

Fig. 5 shows the results of the PSE analysis for all subjects depending on the

arm posture θ

1

, where the vertical axis is the force magnitude corresponding to



PSE and the horizontal axis is the perception direction φ. It can be seen that

the PSE changes in the perception direction as well as the arm posture although

some individual differences exist.

Next, the changes of PSE in the direction φ was expressed with an ellipse

defined by the following quadratic form as:

F

p



cos φ

− d


F

p

sin φ



− e

T

a b



b c

F

p



cos φ

− d


F

p

sin φ



− e

= 1


(2)

where a, b, c, d and e are determined by fitting the PSE shown in Fig. 5 with a

least squares method.

Fig. 6 shows the results of a human hand force perception ellipse (HFPE)

depending on the arm posture for Subs. A, B, and C, where the radius between

the center of a HFPE and the white circle denotes the value of PSE. It can be

seen that the directional changes of PSE is well expressed with an ellipse. The

major axis of an ellipse represents the direction where a larger force than the

standard force F

s

(= 15 [N]) will be required to make a human subject have the



illusion that he perceives F

s

, while the minor axis the direction where a smaller



force will be required. Accordingly, the HFPE indicates that a human subject

perceives F

s

as smaller toward the direction of the major axis while he perceives



as larger toward the direction of the minor axis. It can be also found that the

HFPE changes depending on the specified arm posture, and that the major axis

tends to be oriented toward the shoulder point. Similar tendencies were observed

for all subjects, although some individual exceptions were found.

3.2

Relationship between Human Force Manipulability



Finally, the directional properties of human hand force perception were asso-

ciated with the human hand force manipulability ellipse (HFME) [7] defined

by

f

T



(J (θ)T (θ)

−1

)(J (θ)T (θ)



−1

)

T



f

≤ 1,


(3)

where f denotes a hand force generated by a human, J denotes a Jacobian

matrix on the hand position with respect to the arm posture, and T denotes

a matrix representing the characteristics of human arm joint-torque with maxi-

mum effort. The size and shape of HFME can be utilized as a performance index

in generating the maximum hand force according to the operational direction

under the specified arm posture θ. Large operational force can be easily exerted

in the major axis direction, while it is difficult toward the minor axis direction.

The results of HFME for each of the arm postures is drawn with a gray ellipse

under the HFPE as shown in Fig. 6, where the human arm is modeled as a rigid



940

Y. Tanaka and T. Tsuji

(c) Subject C

(f) Subject F

Direction,      [deg.]

φ

PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


Direction,      [deg.]

φ

PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


(b) Subject B

(e) Subject E

Direction,     [deg.]

φ

 PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


Direction,     [deg.]

φ

PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


(a) Subject A

(d) Subject D

Direction,     [deg.]

φ

PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


Direction,      [deg.]

φ

PSE [N]



0

5

10



15

20

25



30

0

45



90

135


180

225


270

315


= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1



θ

1

θ



1

= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1

θ



1

θ

1



= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1



θ

1

θ



1

= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1

θ



1

θ

1



= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1



θ

1

θ



1

= 30 [deg.]

= 60 [deg.]

= 90 [deg.]

θ

1

θ



1

θ

1



Fig. 5. PSE depending on the arm postures and the direction of motion for the subjects

(a) Subject A

(b) Subject B

(c) Subject C

Shoulder

Elbow


Elbow

Shoulder


Shoulder

Elbow


150 [N]

15 [N]


HFME

HFPE


Fig. 6. HFPE and HFME for the three subjects (Subjects A, B and C)

link structure with two rotational joints (See Fig. 2). The length of forearm

and upper-arm was measured for each subject and the joint-torque matrix was

determined based on the previous work [7]. It can be found that the orientation

of HFME is similar to one of HFPE in each arm posture for the subjects.

The orientation difference between HFPE and HFME Δψ is then summarized

for all six subjects in Fig. 7. Although there exists some differences, the orien-

tation of HFPE almost agrees with one of HFME. The results indicate that a

human perceives a reaction force exerted on the hand as smaller than the actual

force in the direction where he can easily generate a larger hand force, and vise

versa.

The possible reasons why the anisotropy of HFPE is not clear compared than



HFME are 1) the HFME expresses the directional properties of generating the

maximum hand force under maximum effort, and 2) a human perceives an re-

action force as smaller than the actual one when the force magnitude is enough

large since Weber-Fechner law is almost satisfied in hand force perception.



Directional Properties of Human Hand Force Perception

941


0

20

40



Sub.A

Sub.C


Sub.B

Sub.D


Sub.E

Sub.F


Orientation dif

ference


between HFPE and HFME,

    [deg.]

Δψ

θ

1



= 90 [deg.]

θ

1



= 60 [deg.]

θ

1



= 30 [deg.]

Fig. 7. Orientation differences between HFPE and HFME for all subjects

A series of experimental and simulated results demonstrates the directional

properties of human hand force perception and its close relationship with the

motor performance of hand force generation.

4

Conclusion



This paper experimentally analyzed the influence of direction on the perception

of human hand force during maintained arm posture by means of robotic and

psychological techniques. The main results are summarized as follows: 1) Humans

have directional hand force perception properties that change the magnitude

of subjective sensation according to the direction of the force exerted, 2) The

directional properties change according to arm posture, and can expressed with

an ellipse, and 3) There is the close relationship between HFPE and HFME.

These findings on human sensorimotor characteristics will be useful in designing

an advanced user-friendly machine, a virtual reality system and a rehabilitation

system using robotic devises.

The future research will be directed to examine for other arm configurations

with considerations of the muscle co-contractions and the sensation of active

movements during the force perception test in order to clarify the mechanism of

human hand force perception physiologically. It is also planned to evaluate and

design human-machine systems, such as a neuro-rehabilitation system, based on

human sensorimotor characteristics.

Acknowledgments. This research work was supported in part by a Grant-in-

Aid for Scientific Research from the Japanese Ministry of Education, Science

and Culture (18760193, 15360226). The authors would like to appreciate the

kind supports of the A&D Co. Ltd. on the DSP instrument.

References

1. Ito, K.: Physical wisdom systems, Kyoritsu Shuppan (in Japanese) (2005)

2. Asada, H.: Geometrical representation of manipulator dynamics and its application

to arm design. Transaction of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measure-

ment, and Control 105, 105–135 (1983)


942

Y. Tanaka and T. Tsuji

3. Yoshikawa, T.: Analysis and control of robot manipulators with redundancy. In:

Brady, M., Paul, R. (eds.) Robotic Research, the 1st International Symposium, pp.

735–747. MIT Press, Cambridge (1984)

4. Hada, M., Yamada, D., Tsuji, T.: Equivalent inertia of human-machine systems

under constraint environments. In: Proceedings of the third Asian Conference on

Multibody Dynamics 2006, August 2006, vol. 00643 (2006)

5. Otsuka, A., Tsuji, T., Fukuda, O., Shimizu, M.E., Sakawa, M.: Development of an

internally powered functional prosthetic hand with a voluntary closing system and

thumb flexion and radial abduction. In: Proceedings of the 2000 IEEE International

Workshop on Robot and Human Interactive Communication, pp. 405–410 (2000)

6. Tanaka, Y., Yamada, N., Masamori, I., Tsuji, T.: Manipulability Analysis of lower

Extremities Based on Human Joint-Torque Characteristics (in Japanese). Trans-

action of the Society of Instrument and Control Engineers 40(6), 612–618 (2004)

7. Tanaka, Y., Yamada, N., Nishikawa, K., Masamori, I., Tsuji, T.: Manipulability

Analysis of Human Arm Movements during the Operation of a Variable-Impedance

Controlled Robot. In: Proceedings of the 2005 IEEE/RSJ International Conference

on Intelligent Robotics and Systems, pp. 3543–3548 (2005)

8. Oyama, T., Imai, S., Wake, T.: Sensory and perceptual handbook, Seishin Shobo

(in Japanese) (1994)

9. Tanaka, Y., Abe, T., Tsuji, T., Miyaguchi, H.: Motion dependence of impedance

perception ability in human movements. In: Proceedings of the First International

Conference on Complex Medical Engineering, pp. 472–477 (2005)

10. Gandevia, S.C., McClosky, D.I.: Sensations of heaviness. Brain 100, 345–354 (1977)

11. Jones, L.A.: Role of central and peripheral signals in force sensation during fatigue.

Experimental Neurology 81, 497–503 (1983)

12. Miall, R.C., Ingram, H.A., Cole, J.D., Gauthier, G.M.: Weight estimation in a

“deafferented” man and in control subjects: are judgments influenced by peripheral

or central signal? Experimental Brain Research 133, 491–500 (2000)

13. Jones, L.A.: Perceptual constancy and the perceived magnitude of muscle forces.

Experimental Brain Research 151, 197–203 (2003)

14. Yamakawa, S., Fujimoto, H., Manabe, S., Kobayashi, Y.: The necessary conditions

of the scaling ratio in master-slave systems based on human difference limen of

force sense. IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics: Part A 35(2),

275–282 (2005)

15. Sasaki, H., Fujita, K.: Experimental analysis of role of visual information in hard-

ness cognition displayed by a force display system and effect of altered visual

information (in Japanese). Journal of the Virtual Reality Society of Japan 5(1),

795–802 (2000)

16. Tanaka, Y., Matsushita, K., Tsuji, T.: Sensorimotor characteristics in human arm

movements during a virtual curling task (in Japanese). Transactions of the Society

of Instrument and Control Engineers 42(12), 1288–1294 (2006)

17. Hogan, N.: Impedance Control: An approach to manipulation, Parts I, II, III.

ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 107(1), 1–24

(1985)


Computational Understanding and Modeling of

Filling-In Process at the Blind Spot

Shunji Satoh and Shiro Usui

Laboratory for Neuroinformatics, RIKEN Brain Science Institute, Japan

shun@brain.riken.jp

Abstract. A visual model for filling-in at the blind spot is proposed.

The general scheme of standard regularization theory is used to derive

a visual model deductively. First, we indicate problems of the diffusion

equation, which is frequently used for various kinds of perceptual com-

pletion. Then, we investigate the computational meaning of a neural

property discovered by Matsumoto and Komatsu (J. Neurophysiology,

vol. 93, pp. 2374–2387, 2005) and introduce second derivative quantities

related to image geometry into a priori knowledge of missing images on

the blind spot. Moreover, two different information pathways for filling-in

(slow conductive paths of horizontal connections in V1, and fast feedfor-

ward/feedback paths via V2) are regarded as the neural embodiment

of adiabatic approximation between V1 and V2 interaction. Numerical

simulations show that the outputs of the proposed model for filling-in

are consistent with a neurophysiological experimental result, and that

the model is a powerful tool for digital image inpainting.

1

Introduction



The blind spot is the area in the visual field that corresponds to the lack of

photoreceptors on the retina. Although no receptors exists to detect light stim-

ulus at the blind spot (BS), we do not see a black disk or a strange pattern but

we perceive the same color or pattern as the surroundings. This phenomenon

is referred to as perceptual filling-in at the blind spot. Perceptual filling-in is

not a special phenomenon limited to the blind spot. It is observed in various

situations, e.g., an artificial scotoma produced by transcranial magnetic stim-

ulation [1], patients with retinal scotoma [2], normal visual field (no defect of

visual field) for stabilized retinal image [3], and others [4]. Those findings imply

that perceptual filling-in is a general and common process in our visual system.

Consequently, research about BS computation contributes to understanding of

the general process of the visual system.

Komatsu and colleagues reported a quantitative analysis of V1 neural re-

sponses of awake macaque monkeys to bar stimuli presented on the blind spot

This work was partially supported by the Grant-in-Aid for Young Scientists

(#17700244), the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology,

Japan.

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 943–952, 2008.



c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008

944

S. Satoh and S. Usui

Fig. 1.

(a). Schematic examples of bar stimuli. BS represents the blind spot. RF



is the receptive field of a recorded neuron. (b) Retinal inputs corresponding to the

above stimuli. (c) Responses of the recorded neuron. (d) Abstract model proposed

by Matsumoto & Komatsu. (Adapted from Fig. 3 in J. Neurophysiology, vol. 93, pp.

2374–2387, 2005) This is also the neural representation of the proposed algorithm for

filling-in in this article. (e). Simulation result of the proposed model in this article.

[5,6]. The receptive fields (RFs) of the recorded neurons overlapped with the BS

area (Fig. 1(a)). Bar stimuli of various lengths were presented at the BS. One end

of the bar stimulus was fixed and the other end was varied (Figs. 1(a1)– 1(a4)).

Some V1 neurons showed a significant increase in their activities when the bar

end exceeded the BS (Fig. 1(c)), although those activities remained constant

as long as the end was in the BS area. These results indicate that V1 neurons

perform the filling-in process in addition to orientation detection.

In addition, Matsumoto and Komatsu posited the existence of two different

pathways with different velocities of visual signal: (i) fast feedforward [ff] and

feedback [fb] connections via V2, and (ii) slow horizontal connections [hc]

connecting V1 neurons (see Fig. 1D).

However, no discussion exists about the necessities of those properties. Why

are the different velocities necessary? What is the significance of the two different

pathway velocities? As shown in Fig.1(c), the abrupt increase of neural response

was observed even though the retinal stimulation increased only slightly; one end

of a bar appears or not (see Fig. 1(b3) and 1(b4)). This phenomenon implies the

complexity and nonlinearity of the filling-in process at the BS. It also shows the

difficulties in obtaining appropriate patterns. The different velocities of pathways

and the existence of V2 neurons might be the keys to solving the difficult problem

of the filling-in process.

We therefore studied the computational necessities of the different conduc-

tance velocities and the role of V2 neurons from a computational point of view.

For this purpose, we interpreted the physiological findings given by Matsumoto

and Komatsu [6] from a theoretical point of view. We constructed a visual model

so that it reproduced the data shown in Fig. 1(c). We will deductively obtain



Computational Understanding and Modeling of Filling-In Process

945


(a)

(b)


(c)

(d)


Fig. 2. (a) Filling-in process is applied in BS area

B (a gray rectangle). (b) Example

of a desired filling-in pattern. (c) Filling-in by the diffusion equation. (d) Filling-in by

the proposed visual model.

our visual model based on standard regularization theory because the theory

enables us to understand our filling-in model as an optimizer for a pre-defined

evaluation function. Moreover, the dynamics derived from standard regulariza-

tion is generally a reaction-diffusion equation with few parameters. It can be

implemented easily as a neural network.

Application of standard regularization theory to explain the filling-in process

seems a trivial approach because the theory is applicable to various types of

completion problems to recover missing information, e.g., estimation of optical

flow, restoration of surface, aperture problems [7], and so on. However, no suc-

cessful work exists on BS filling-in based on the standard regularization theory

reflecting the physiological characteristics described before. One reason why no

mathematical model for BS filling-in exists would be the high nonlinearity and

the complexity of the filling-in problem. The neural properties related to the BS

should be keys to solving the complex problem to reiterate.

We expect that the filling-in algorithm in our visual system should be an

effective image-processing algorithm. For example, digital image inpainting (DII)

is a technique that can repair a region of a damaged or removed image using

automatic mechanisms [8]. Other applications of DII include restoration of video

images, image transmission through narrow band systems, and so on [9]. Our

visual model is merely an algorithm for DII when we regard the BS area as the

area to be restored using DII. In addition to the initial purpose of this article,

we also evaluate the effectiveness of our visual model for a DII algorithm using

color input images.

2

Evaluation Function for Filling-In



2.1

Problems of Diffusion Equation for Filling-In Process

To formulate the filling-in problem, we define an evaluation function E[I] (or

an energy function, a functional for I) for filling-in patterns I(x) so that E

takes a small value when an image I(x) is a desired one, where I signifies the

brightness and x = (x, y) is a spatial position within the BS area. The BS area

and the boundary are referred to as

B and ∂B, respectively. A desired filling-in for



946

S. Satoh and S. Usui

Fig. 2(a) is a completed bar, as shown in Fig. 2(b), in which the spatial change

of I(x) in

B should be small (no intensity fluctuation along x-axis). A simple

functional that evaluates intensity change is formulated as

E

1

=



1

2

B



d

2

x



||∇I(x, t)||

2

=



1

2

B



d

2

x I



2

ξ

(x),



(1)

where I


ξ

is the directional derivative of I in the direction ξ, which is parallel to

the gradient of I at a point. We obtain

I

ξ



=

∂ξ



I = (cos ξ)

∂x



I + (sin ξ)

∂y



I

(2)


Hereafter, we indicate the directional derivative using subscripts. For example,

I

ξη



means the second order directional derivative I in the directions ξ and η. As

shown in Fig. 3, the direction

∇I (the gradient vector of I) is referred to as ξ,

and the orthogonal vector as μ.

The algorithm we use is an iterative update method of I such that E[I]

decreases as time progresses. We obtain the dynamics (update rule) of I by

applying the steepest descent method to the functional E:

∂t



I(x, t) =

2



I(x, t),

if x


∈ B

2



I(x, t)



∂x

+



∂y

I(x, t),


if x

∈ ∂B


(3)

Equation (3) is the diffusion equation of brightness I. The steady state of I is

referred to as ¯

I; it is a result of the filling-in process.

Figure 2(c) is the result of a numerical simulation of (3). We find that the

result is far from our expectation. We confirmed this was not attributable to

local minima trapped by the steepest descent method (the value of E

1

for Fig.



2(c) was smaller than that for Fig. 2(b)).

To obtain Fig. 2(b) as the steady state ¯

I, we applied other possible meth-

ods, e.g., multi-resolution, multi-grid, and anisotropic diffusion. However, every

method failed. Apparently, we will never obtain the desired result as long as we

use (1) as the evaluation function.

2.2

New Functional with Curvature Terms



Term I

ξ

in (1) is the first-order derivative of the image, and it represents the



output of a V1 neuron selective to ξ-orientation. This computational aspect

reveals a flaw of (1) that the functional E

1

uses only V1-coded visual information.



On the other hand, Matsumoto and Komatsu found that V2 neurons con-

tribute to filling-in. That is, from a computational viewpoint, we should in-

troduce visual information coded by V2 neurons into the evaluation function.

Hence, we introduce angular information of contours because some V2 neurons

are selective to angles embedded within V-shaped patterns [10].

Important quantities associated with contour angles are (i) κ: curvature of

level-set and (ii) μ: curvature of flow line; the former signifies the curvature of


Computational Understanding and Modeling of Filling-In Process

947


Fig. 3. Quantities used in this work (see the text for detail)

contour lines of I, the latter is the curvature of lines crossing at right angles

with contour lines (see Fig. 3(b)). Both κ and μ represent smoothness of edges

or image contours. We then propose the following new functional E based on

E

1

.



E =

1

2



d

2

x ¯



κ

2

(x, t) + ¯



μ

2

(x, t) I



2

ξ

(x, t).



(4)

In that equation,

¯

κ = κI


ξ

= I


ηη

=

I



2

y

I



xx

− 2I


x

I

y



I

xy

+ I



2

x

I



yy

I

2



x

+ I


2

y

(5)



¯

μ = μI


ξ

= I


ξη

=

(I



2

x

− I



2

y

)I



xy

− I


x

I

y



(I

y

y



− I

x

x)



I

2

x



+ I

2

y



.

(6)


3

Dynamics for Filling-In at the Blind Spot

We expect that the dynamics for filling-in and the corresponding neural network

will emerge deductively by applying steepest descent method to (4). However,

the resultant dynamics is very complex, as shown below.

∂t



I = ( I

6

y



I

yyyy


I

2

x



+ 3I

4

y



I

yyyy


I

4

x



+ 3I

2

y



I

yyyy


I

6

x



+

· · · (74 terms) + · · ·

+ 3I

6

y



I

2

x



I

xxxx


+ 3I

4

y



I

4

x



I

xxxx


+ I

2

y



I

6

x



I

xxxx


) / I

2

x



+ I

2

y



3/2

(7)


The problematic complex equation (7) comprises 80 terms. It seems impossible

to analyze all 80 terms to investigate their physiological meanings. Similarly, we

can not expect a physiologically plausible visual model from (7).

Again, we attempt to use a physiological phenomenon as a key to solving the

problem. The key is the different pathway with different conductance velocities:

fast pathways via V2, and slow pathways within V1 using horizontal connections.

The faster conductance velocity of the visual pathway via V2 implies the

faster optimization of ¯

κ(x, t) and ¯

μ(x, t) in time than that of I

ξ

(x, t). In the



948

S. Satoh and S. Usui

Fig. 4. (a) Spatial distributions of receptive fields formulated as Gaussian derivatives

(σ = 1). The RF model is selective to horizontal bars when θ = 90

. (b) ˜


μ

ξθθ


is the sum

of four neural outputs selective to about 27

angular difference of lines when θ = 90



.

(c) ˜



κ

ηθθ


is the sum of four neural outputs selective to those four patterns when θ = 90

.



extreme situation of velocity difference, we can assume a constant value of I

ξ

(x, t)



with respect to time t. This assumption corresponds to variable separation and

adiabatic approximation. Applying the steepest descent method to (4) using this

assumption, we obtain the following dynamics:

∂t



I(x, t) =

∂η



˜

κ +


∂ξ

˜



μ



2

∂ξ

2



+

2



∂η

2

˜



κ + λI

ηη

,



(8)

= ˜


κ

η

+ ˜



μ

ξ

− Δ˜κ + λI



ηη

,

(9)



where ˜

κ = I


2

ξ

κ, ˜



μ = I

2

ξ



μ and λ is a positive constant. The fourth term of (9)

is a consistency term which alleviates the drawbacks of variable separation and

adiabatic approximation.

Compared with (7) in the appendix, we find a simple, analyzable, neural im-

plementable equation as a neural network in (9). However, we have no guarantee

that desired filling-in patterns are obtained by (9). We will demonstrate the

validity of (9) in section 5 using numerical simulations.

4

Neural Dynamics for Filling-In at the Blind Spot



The intention of this study is the construction of a V1 model for filling-in. We

next consider the dynamics of orientation selective neurons and the neural im-

plementation.

To simulate the neurophysiological experiments illustrated in Fig. 1(d), we

must consider the dynamics of V1 neurons selective to bar stimuli. In this section,

we derive orientation selective neurons dynamics from eq. (9).

We apply a Gaussian derivative model (GD) as receptive fields (RFs) of V1

neurons [11]. The RF model selective to θ-orientation is written as ∂

2

g

σ



(x)/∂θ

2

,



where g

σ

is the Gaussian function with σ



2

variance. Figure 4(a) shows examples

of θ-preferring RFs. We use a linear neuron model. The output of a θ-preferring


Computational Understanding and Modeling of Filling-In Process

949


BS

effective

RF

0

2



4

6

8



10

12

14



16

Bar length (pixel)

Normalized Response

1

.5



0

(b)


(a)


Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   80   81   82   83   84   85   86   87   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling