Kinematics and control of precision grip grasping

Abstract

This thesis is about the kind of signals used in our central nervous system for guidingskilled motor behavior. In the first two projects a currently very influential theory on the flow of visualinformation inside our brain was tested. According to A. D. Milner and Goodale(1995) there exist two largely independent visual streams. The dorsal stream issupposed to transmit visual information for the guidance of action. The ventralstream is thought generate a conscious percept of the environment. The streamsare said to use different parts of the visual information and to differ in temporalcharacteristics. Namely, the dorsal stream is proposed to have a lower sensitivityfor color and a more rapid decay of information than the ventral stream. In the first project the role of chromatic information in action guidance wasprobed. We let participants grasp colored stimuli which varied in luminance. Criti-cally, some of these stimuli were completely isoluminant with the background. Thesestimuli thus could only be discriminated from their surrounding by means of chro-matic contrast, a poor input signal for the dorsal stream. Nevertheless, our partici-pants were perfectly able to guide their grip to these targets as well. In the second project the temporal characteristics of the two streams wereprobed. For a certain group of neurological patients it has been argued that theyare able to switch from dorsal to ventral control when visual information is re-moved. These optic ataxic patients are normally quite bad at executing visuallyguided movements like e.g. pointing or grasping. Different researchers, however,demonstrated that their accuracy does improve when there is a delay between tar-get presentation and movement execution. Using different delay times and pointingmovements Himmelbach and Karnath (2005) had shown that this improvement in-creases linearly with longer delay. We aimed at a replication of this result and ageneralization to precision grip movements. Our results from two patients, however,did not show any improvement in grasping due to longer delay time. In pointing aneffect was found only in one of the patients and only in one of several measures ofpointing accuracy. Taken together the results of the first two projects don´t support the idea oftwo independent visual streams and are more in line with the idea of a single visualrepresentation of target objects. The third project aimed at closing a gap in existing model approaches on pre-cision grip kinematics. The available models need the target points of a movementas an input on which they can operate. From the literature on human and roboticgrasping we extracted the most plausible set of rules for grasp point selection. Wecreated objects suitable to put these rules into conflict with each other. Therebywe estimated the individual contribution of each rule. We validated the model bypredicting grasp points on a completely novel set of objects. Our straightforwardapproach showed a very good performance in predicting the preferred contact pointsof human actors. Diese Dissertation handelt von den Mechanismen mit denen unser Zentralnerven-system menschliche Feinmotorik koordiniert. Gegenstand der ersten beiden Projekte ist die Theorie von A. D. Milner undGoodale (1995). Laut diesen Autoren gibt es im visuellen System zwei unabhängige Verarbeitungspfade. Der dorsale Pfad verarbeitet visuelle Informationzum Zweck der Handlungssteuerung. Der ventrale Pfad vermittelt bewusste visuelle Wahrnehmung. Beide Pfade verfügen uber teils unterschiedliche Anteile dergesamten visuellen Information. So soll der dorsale Pfad gegenüber dem ventralenzum Beispiel durch geringere Farbsensitivität sowie einen schnelleren Zerfall derInformation gekennzeichnet sein. Im ersten Projekt wurde die Eignung von Farbinformation zur Handlungskontrolle getestet. Teilnehmer der Studie griffen nach farbigen Stimuli deren Helligkeit variiert wurde. Einige der Stimuli hatten die gleiche Helligkeit wie der Hintergrund vor dem sie präsentiert wurden. Diese Stimuli hoben sich also nur durchihre Farbe vom Hintergrund ab. Trotz der angenommenen Farbinsensitivität desdorsalen Pfades konnten unsere Teilnehmer auch diese Stimuli problemlos greifen. Gegenstand des zweiten Projektes waren die Unterschiede beider Pfade imzeitlichen Verfall der visuellen Information. Einigen Patienten mit speziellen Hirn-schädigungen soll es möglich sein zwischen den Repräsentationen beider Pfadezu wechseln. Diese optischen Ataktiker zeigen starke Unsicherheit bei visuellgeführten Bewegungen wie Zeigen oder Greifen. Wiederholt wurde jedoch gezeigt,dass ihre Bewegungen genauer werden wenn die Ausführung einige Zeit nach derZielpräsentation erfolgt. Himmelbach und Karnath (2005) berichten, dass dieseVerbesserung beim Zeigen linear mit der Länge des zwischengeschalteten Intervalleszunimmt. Wir versuchten dieses Ergebnis zu reproduzieren und auf das Greifen zugeneralisieren. Die zwei von uns gemessenen Patienten zeigten beim Greifen jedochkeinen Effekt. Beim Zeigen zeigte sich eine Verbesserung nur bei einem Patientenund nur in einem von mehreren Maßen für die Zeigegenauigkeit. Insgesamt betrachtet widersprechen die Ergebnisse des ersten und zweiten Projektes der Vorstellung zweier getrennter visueller Pfade. Die hier präsentierten Datenlassen sich ebenso effektiv, aber deutlich effizienter, durch die Verarbeitung in einemeinzelnen visuellen Verarbeitungspfad erklären. Das dritte Projekt soll eine Lücke in bestehenden Modellen zur Beschreibungder Kinematik des Greifens schließen. Alle diese Modelle sind darauf angewiesen,dass ihnen die Zielpunkte der Bewegung vorgegeben werden. Aus der Literatur zumenschlichem und maschinellem Greifen extrahierten wir die plausibelsten Regelnzur Auswahl dieser Zielpunkte. Wir brachten diese Regeln experimentell in Konfliktzueinander und schätzten auf diese Weise ihren relativen Einfluss. Das Modell wurdeanschließend validiert indem wir die besten Greifpunkte für einen neuen Satz vonObjekten vorhersagten. Mit wenigen Regeln konnten wir so sehr erfolgreich imVorhinein die vom Menschen präferierten Greifpunkte bestimmen.