Classification of kinematic costs from control parameters during periodic wrist movements

국문 초록 (Abstract)

인간의 운동 특성을 조사하기 위해 PTP (point-to-point movement) 와 step-tracking 운동이 실시되었다. 궤적을 분석함으로써 optimization theory를 기반으로 motor planning의 비용 함수를 설명하기 위해 minimum jerk model 또는 minimum torque change model등이 제안되었다. 그러나 인간은 시작점과 끝점이 분명한 discrete movement와 더불어 걷기나 달리기와 같은 연속적인 운동도 익숙하게 수행하기 때문에 위의 두 대표적 motor planning 모델들이 인간의 운동 특성을 완전히 설명하는데 한계가 있다. 따라서 일반적인 인간의 운동 제어와 계획을 분석하기 위해서는 연속적인 움직임을 필요로 하는 운동에 대한 연구가 더 필요하다. 본 연구에서 수행 된 손목 회전 운동의 목표는 원형 target을 추적할 때 나타나는 인간의 제어 전략을 분석하고, 손목 회전 중에 계측된 제어 매개변수를 관절 내부 좌표계와 엔드이펙터 좌표계로 분리하여 각각에서 드러나는 운동학적 비용을 비교하는 것이다. 2자유도 손목 상하좌우 위치를 측정하는 manipulandum을 사용하여 두 가지 실험이 수행되었다. 과제 1은 target이 보이는 영역과 보이지 않는 영역으로 구성된 원형 궤도를 손목을 회전하여 화면에 보이는 tracer를 움직여 세가지 속도로 등속 원 운동하는 target을 추적하였다. 작업 2는 사용자에게 목표하는 손목 회전 속도와 실제 손목의 회전 속도만 피드백으로 제공하여 등속 자유 회전을 유도하였다. 10 명과 14 명의 오른손잡이 피험자가 각 과제에 참여했다. 운동 매개변수들을 해석하여, 피험자들이 천천히 움직이는 target은 두 커서의 각위치에 더 많은 초점을 맞추었고 빠른 target은 각속도에 더 집중했다는 것을 발견했다. 또한 추적 운동 중 target의 visual feedback은 인간의 운동 특성에 대해 더 많은 것을 보여주었는데, 피드백의 부재는target의 속도에 관계없이 필연적으로 위치 오차가 증가하게 한다. 하지만 느린 추적의 경우 위치 오류의 급격한 증가가 관찰되는 반면 빠른 추적의 경우에는 큰 변화가 나타나지 않았다. 이는 빠른 속도의 invisible tracking에서 속도 매개변수의 오차가 감소했기 때문인데 이는 결과적으로 위치변수의 오차를 감소하는 원인이 되었다. 따라서 인간은 빠른 회전 속도의 추적 작업은 속도를 주요 제어 매개 변수로 나타나며 뇌에 속도에 대한 제어모델이 있음을 알 수 있었다. 작업 2에서 손목 각속도의 주기적인 국소 최대, 최소값이 발견되어 회전 속도의 감각이 관절 내부좌표계를 기반으로 한다는 것을 발견하였고, 접선방향 속도의 정규분포를 만족하는 일정한 데이터는 엔드이펙터 좌표가 비용함수와 밀접한 관계를 가질 것이라는 사실을 발견했다. 따라서 본 연구는 연속 동작 중, 속도 매개변수가 운동의 계획 및 내부 모델, optimization theory의 비용함수와 밀접한 관련이 있음을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Point-to-point movements (PTP) or step-tracking exercises were practiced to examine human motor characteristics. By analyzing the trajectories, minimum jerk model or minimum torque-change model was suggested to explain cost functions from optimal theory. However, the fact humans are more familiar with continuous movement such as walking or running instead of discrete movement shows that these models have limitations to fully explain human motor characteristics. Therefore, more studies on exercises that require continuous movement is necessary in order to analyze general human motor control. The goal of the continuous wrist-rotating tasks performed in the study was to suggest the control strategy during circular target tracking and compare kinematic costs each from joint coordinate and end-effector coordinate during free wrist rotation. Using a manipulandum that measures wrist position, two experimental tasks was held. Task 1 was a tracking task with a target constantly following circular orbit which consists of target-visible and target-invisible regions. Task 2 was a free rotation task with constant velocity that only provides a user his rotational speed as a feedback. Ten and fourteen right-handed subjects participated in each task. From the result, slowly moving target made the participants focus more on the angular position of the target whereas fast target made them concentrate more on the angular velocity. The visible and invisible section during the tracking exercise revealed more about the human motor characteristics. Regardless of target speed, position error has to increase due to absence of the feedback. Dramatic increase in position error is observed in case of slow tracking, whereas no significant change is shown for fast tracking. Therefore, tracking task with moderate or fast rotational speed revealed velocity as the major control parameter. From the Task 2, the sense of rotational velocity was discovered at the joint coordinate by periodic local maxima whereas the constant rotational velocity was found at end-effector coordinate by normal distribution of the tangential velocity. These facts seem to imply that velocity parameter during continuous motion is strongly related to the motor planning and development of internal model.

목차 (Table of Contents)

• 초록 5
• Abstract 6
• Introduction 7
• Materials and methods 9
• Task 1 – circular target-tracking task 9
• Task 2 – free rotation experiment 12
• Results 14
• Task 1 – circular target-tracking task 14
• Evaluation of circular movement performance using ‘R error’ 14
• Evaluation of position-control precision using ‘theta error’ 14
• Evaluation of velocity-control precision using ‘omega error’ 15
• Evaluation of variances of the position and velocity parameters 22
• Task 2 – free rotation experiment 25
• Discussions 28
• Motor control characteristics in tracking movements to target speeds 29
• Control strategy in tracking movements with an intermittent target and its clinical application 30
• Optimization theory and continuous task 31
• Conclusion 32
• References 33