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Kinematics and control of precision grip grasping

Kinematik und Kontrolle von Präzisionsgreifbewegungen

Kleinholdermann, Urs Johannes


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-86093
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/8609/

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Allgemeine Psychologie I
Fachgebiet: Psychologie
DDC-Sachgruppe: Psychologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.03.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 10.02.2012
Kurzfassung auf Englisch: This thesis is about the kind of signals used in our central nervous system for guiding
skilled motor behavior.
In the first two projects a currently very influential theory on the flow of visual
information inside our brain was tested. According to A. D. Milner and Goodale
(1995) there exist two largely independent visual streams. The dorsal stream is
supposed to transmit visual information for the guidance of action. The ventral
stream is thought generate a conscious percept of the environment. The streams
are said to use different parts of the visual information and to differ in temporal
characteristics. Namely, the dorsal stream is proposed to have a lower sensitivity
for color and a more rapid decay of information than the ventral stream.
In the first project the role of chromatic information in action guidance was
probed. We let participants grasp colored stimuli which varied in luminance. Criti-
cally, some of these stimuli were completely isoluminant with the background. These
stimuli 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 were
probed. For a certain group of neurological patients it has been argued that they
are able to switch from dorsal to ventral control when visual information is re-
moved. These optic ataxic patients are normally quite bad at executing visually
guided 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 pointing
movements Himmelbach and Karnath (2005) had shown that this improvement in-
creases linearly with longer delay. We aimed at a replication of this result and a
generalization to precision grip movements. Our results from two patients, however,
did not show any improvement in grasping due to longer delay time. In pointing an
effect was found only in one of the patients and only in one of several measures of
pointing accuracy.
Taken together the results of the first two projects don´t support the idea of
two independent visual streams and are more in line with the idea of a single visual
representation 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 movement
as an input on which they can operate. From the literature on human and robotic
grasping we extracted the most plausible set of rules for grasp point selection. We
created objects suitable to put these rules into conflict with each other. Thereby
we estimated the individual contribution of each rule. We validated the model by
predicting grasp points on a completely novel set of objects. Our straightforward
approach showed a very good performance in predicting the preferred contact points
of human actors.

Kurzfassung auf Englisch: 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 und
Goodale (1995). Laut diesen Autoren gibt es im visuellen System zwei unabhängige Verarbeitungspfade. Der dorsale Pfad verarbeitet visuelle Information
zum Zweck der Handlungssteuerung. Der ventrale Pfad vermittelt bewusste visuelle Wahrnehmung. Beide Pfade verfügen uber teils unterschiedliche Anteile der
gesamten visuellen Information. So soll der dorsale Pfad gegenüber dem ventralen
zum Beispiel durch geringere Farbsensitivität sowie einen schnelleren Zerfall der
Information 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 durch
ihre Farbe vom Hintergrund ab. Trotz der angenommenen Farbinsensitivität des
dorsalen Pfades konnten unsere Teilnehmer auch diese Stimuli problemlos greifen.
Gegenstand des zweiten Projektes waren die Unterschiede beider Pfade im
zeitlichen Verfall der visuellen Information. Einigen Patienten mit speziellen Hirn-
schädigungen soll es möglich sein zwischen den Repräsentationen beider Pfade
zu wechseln. Diese optischen Ataktiker zeigen starke Unsicherheit bei visuell
geführten Bewegungen wie Zeigen oder Greifen. Wiederholt wurde jedoch gezeigt,
dass ihre Bewegungen genauer werden wenn die Ausführung einige Zeit nach der
Zielpräsentation erfolgt. Himmelbach und Karnath (2005) berichten, dass diese
Verbesserung beim Zeigen linear mit der Länge des zwischengeschalteten Intervalles
zunimmt. Wir versuchten dieses Ergebnis zu reproduzieren und auf das Greifen zu
generalisieren. Die zwei von uns gemessenen Patienten zeigten beim Greifen jedoch
keinen Effekt. Beim Zeigen zeigte sich eine Verbesserung nur bei einem Patienten
und 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 Daten
lassen sich ebenso effektiv, aber deutlich effizienter, durch die Verarbeitung in einem
einzelnen visuellen Verarbeitungspfad erklären.
Das dritte Projekt soll eine Lücke in bestehenden Modellen zur Beschreibung
der Kinematik des Greifens schließen. Alle diese Modelle sind darauf angewiesen,
dass ihnen die Zielpunkte der Bewegung vorgegeben werden. Aus der Literatur zu
menschlichem und maschinellem Greifen extrahierten wir die plausibelsten Regeln
zur Auswahl dieser Zielpunkte. Wir brachten diese Regeln experimentell in Konflikt
zueinander und schätzten auf diese Weise ihren relativen Einfluss. Das Modell wurde
anschließend validiert indem wir die besten Greifpunkte für einen neuen Satz von
Objekten vorhersagten. Mit wenigen Regeln konnten wir so sehr erfolgreich im
Vorhinein die vom Menschen präferierten Greifpunkte bestimmen.
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