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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-8703-2248
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Uma abordagem neuromórfica para o controle tátil do escorregamento em próteses de membros superiores
Alternate title (s): A neuromorphic approach for tactile sensing and slip control for upper limb prostheses
Author: Silva, Andrei Nakagawa
First Advisor: Soares, Alcimar Barbosa
First member of the Committee: Almeida, Marcelo Barros
Second member of the Committee: Elias, Leonardo Abdala
Third member of the Committee: Siqueira Junior, Ailton Luiz Dias
Fourth member of the Committee: Morya, Edgard
Summary: A destreza da mão humana é um marco na evolução da nossa espécie. Ela dá origem a um vasto repertório de habilidades manuais que permite a manipulação de objetos e ferramentas de diferentes pesos, formas e tamanhos. Tal destreza é garantida pelo conjunto formado por músculos e articulações que garantem função motora às mãos, o sistema tátil que incorpora milhares de receptores espalhados sobre a pele e o sistema nervoso central que processa tais informações para coordenar a ação dos membros efetores. Esses receptores capturam informações sobre diferentes propriedades das superfícies dos objetos como textura, rugosidade, dureza e formato, bem como a localização e a força de contatos feitos com a pele. Desta forma, a manipulação de objetos se torna um grande desafio tendo em vista que não há qualquer feedback sobre a interação entre os dedos da prótese o os objetos manipulados. Neste cenário, a imprecisão no controle das forças aplicadas leva a uma instabilidade que pode causar danos ao objeto no caso de força excessiva ou ao escorregamento em casos de forças insuficientes para balancear a carga do objeto. Esta tese traz contribuições originais à detecção e supressão de escorregamentos em próteses de mão. São apresentados dois métodos distintos, sendo que ambos empregam princípios neuromórficos no desenvolvimento de sistemas táteis artificiais. Informações táteis codificadas na forma de spikes que se assemelham a atividade dos mecanorreceptores localizados na pele são usadas para realimentar um sistema de controle reflexo que auxilia no processo de controle da força aplicada sobre os objetos a serem manipulados. Ambos os métodos foram inspirados na atividade das aferências FA-I que codificam estímulos transientes, movimento sobre a pele e escorregamento. O primeiro método faz uso de um sensor óptico que codifica o deslocamento no formato de spikes que são usados como entrada de um controlador PI monotônico que determina a posição dos dedos da prótese. O segundo método faz uso de um sensor tátil multitaxel disposto no formato de uma matriz 4x4. Os sinais de força foram convertidos em spikes segundo o modelo de Izhikevich de forma a replicar a atividade das aferências FA-I. Primeiramente ficou demonstrado que spikes que codificam deslocamento podem ser usados para alimentar um sistema de controle eficaz em suprimir escorregamentos. Já o segundo método proposto foi desenvolvido a partir da observação que os primeiros spikes gerados pelas fibras táteis aferentes carregam informação suficiente para gerar respostas motoras. Assim, foi possível construir um método bioinspirado que permite a detecção do escorregamento à partir de eventos transientes tais quais observados nos sinais de força, aprimorando assim o método anterior que faz uso do número de spikes disparados ao longo do deslocamento. Desta forma, esta tese demonstrou duas abordagens distintas que permitem desenvolver tecnologias promissoras para próteses mioelétricas. Incorporar elementos reflexos pode melhorar a usabilidade destas próteses, aumentando o seu grau de aceitação de tal forma que tais dispositivos possam ser usados com maior liberdade e confiança na execução de tarefas diárias.
Abstract: The dexterity of the human hand is a mark in human evolution. Our vast repertoire of manual skills allows us to manipulate objects and tools of different sizes, shapes and weights. This dexterous ability is provided by the biomechanics of the human hand with all the muscles and joints that provide motor function and the sense of touch that incorporates thousands of receptors spread all over the skin. These receptors capture information related to texture, roughness, hardness and shape as well as the location and pressure of contact points over the skin. Unlike their biological counterpart, bionic hands such as the ones used for prosthetics, are not equipped with touch sensors by design. Therefore, manipulating objects is a challenge given that no information can be obtained from the interaction between the prosthetic fingers and the objects. In this scenario, incorrect adjustments of grip force might lead to grasp instability which might cause damage to the objects in case of excessive force or slip if there is insufficient grip force. This thesis presents original contributions to the detection and suppression of object slippage in prosthetic hands. Two distinct methods are presented where both employed neuromorphic principles in the development of artificial tactile sensing systems. Tactile information is coded in spikes that resemble the activity of mechanoreceptors and are used as feedback signal to a control system that behaves as a reflex that assists in the control of grip force. Both methods were inspired in the activity of FA-I afferents that encode transient tactile stimuli, displacement on the skin and slip. The first method makes use of an optical sensor that converts object displacement into spikes that are used as input to a monotonic PI controller. The second method makes use of a multitaxel tactile sensor in a 4x4 matrix format. Force signals are converted into spikes using the Izhikevich model to mimic the activity of FA-I afferents. First, it was demonstrated that spikes generated continuously during motion of the object could be used as input to a controller that effectively suppressed object slippage. The second method was developed based on the observation that the first spikes triggered by the tactile afferents carry enough information to trigger motor responses. Therefore, it was possible to develop a bioinspired method that detects slip based on transient events such as generated by force signals. This approach does not make use of continuous spikes, prompting advancements with respect to the previous method. This thesis presented two diferente methods that can be used to develop novel promising sensory capabilities to prosthetic hands. Incorporating reflex actions will enhance the usability of such devices, increasing their acceptance so that users can use the bionic hands with more freedom and confidence when performing different daily tasks.
Keywords: Engenharia neuromórfica
Neuromorphic engineering
Sensores táteis
Tactile sensors
Escorregamento
Slip
Protéses de membros superiores
Upper limb prostheses
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::ENGENHARIA MEDICA::TECNOLOGIA DE PROTESES
Subject: Prótese
Mãos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: SILVA, Andrei Nakagawa. Uma abordagem neuromórfica para o controle tátil do escorregamento em próteses de membros superiores. 2020. 122 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.704
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.704
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/30403
Date of defense: 20-Oct-2020
Appears in Collections:TESE - Engenharia Elétrica

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