Intelligent soft-sensor system to add haptic perception to underactuated hand prostheses
| dc.contributor.advisor1 | Diaz, Camilo Arturo Rodriguez | |
| dc.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000000196575076 | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/2410092083336272 | |
| dc.contributor.author | Barraza, Laura Vanesa de Arco | |
| dc.contributor.referee1 | Werneck, Marcelo Martins | |
| dc.contributor.referee2 | Pontes, Maria José | |
| dc.contributor.referee3 | García, Carlos Andrés Cifuentes | |
| dc.date.accessioned | 2024-05-30T01:42:28Z | |
| dc.date.available | 2024-05-30T01:42:28Z | |
| dc.date.issued | 2023-03-10 | |
| dc.description.abstract | Haptic exploration is the capability of the human hand to recognize objects and manipulate them without visual aid. This is achieved through kinesthetic and tactile perception, with kinesthetic perception sensing the body’s movements and the forces applied to it. In recent years, there has been increasing research and development aimed at incorporating this ability into robotic hands. This has been made possible through sensors and machine learning algorithms, which enable robotic hands to interact with objects without human supervision. Since the research areas on robotic hands are looking for devices as similar as possible to the member, the work with soft robotics and the development of sensors that agree with that characteristics have been increased. The recent advances in the development of sensors with optical fiber have increased due to its well-known capabilities, such as low-cost, small size, low weight, robustness, biocompatibility, high sensitivity, and precision. This master dissertation aimed to develop an intelligent soft-sensor system to add haptic perception to underactuated hand prostheses. This sensor methodology monitors the physical interaction during grasping activities to detect the object type grasped by a data-driven approach. The haptic sensor system developed here was implemented in the upper-limb prosthesis PrHand, based on soft robotics actuation. The soft-sensor system resembles the kinesthetic perception of the human hand by implementing two sensing modalities, finger joint angles and fingertip contact force measurements implemented in the prosthetic fingers. The sensors are based on intensity variation with polymer optical fiber. For the angle sensor development, three fabrications were tested by axial rotating the sensors in four positions, and the fabrication way with the most similar response in the four rotations was chosen. The sensor used is the jacket remotion with cladding and core’ axial polish sensor. The sensors were located in the distal interphalangeal (DIP) joint of the prosthetic finger. The sensor characterization was made by performing six cycles of opening and closing per finger. The sensors presented a second-order polynomial response with R2 higher than 92 %. The contact force sensors were located at the fingertips to track the force made over the objects. Before anchoring the five sensors, each one was evaluated by making five cycles of compressing and decompressing. Almost all sensors presented a polynomial response with R2 higher than 94 %; the fabrication process highly influenced the sensor behavior since in the drying process of the sensor, the fiber could have movements. For the Machine learning implementation, 24 objects of the Anthropomorphic Hand Assessment Protocol (AHAP) related to eight grasp types are used. Six machine learning algorithms are tested, four are supervised (Linear Regression, k-Nearest Neighbor, Supporter Vector Machine, and Decision tree), and two are unsupervised (K-Means Clustering and Hierarchical Clustering). To validate the algorithms was used the k-fold test with a k = 10, and the accuracy results for k-Nearest Neighbor (k-NN) was 98.5 ± 0.01 % and Decision Tree (DT) was 93.3 ± 0.2 %. The other four algorithms had a result lower than 30 %. One of the principal reasons related to the low accuracy of the unsupervised algorithms is the lack of clustering formation. It was concluded that just the k-NN and DT algorithms allow classified the grips types. One of the limitations of this study is to evaluate if the PMDS is the best option for this sensor because, after a while, the silicone starts to break, so the lifetime of the sensor is not as high as expected. In addition, for the characterization of the angle sensor as it was done on the fingers, it was difficult to ensure that for all trials, the fingers closed, in the same way always, causing some errors. | |
| dc.description.resumo | A exploração háptica refere-se à capacidade da mão humana de reconhecer objetos e manipulá-los sem a necessidade de ajuda visual. Isso é possível devido à percepção cinestésica e tátil. A percepção cinestésica permite que a pessoa perceba os movimentos do próprio corpo e as forças que estão sendo aplicadas a ele. Nos últimos anos, houve um aumento significativo na pesquisa e desenvolvimento de mãos robóticas capazes de incorporar essa capacidade. Isso tem sido possível graças ao uso de sensores e algoritmos de aprendizado de máquina, que permitem que as mãos robóticas interajam com objetos sem a necessidade de supervisão humana. À medida que a pesquisa em mãos robóticas avança, as áreas de interesse têm procurado dispositivos cada vez mais semelhantes aos membros humanos. Consequentemente, tem havido um aumento no uso de robótica suave e no desenvolvimento de sensores que imitam essas características. Os recentes avanços na tecnologia de sensores de fibra óptica têm sido particularmente notáveis, graças a suas conhecidas capacidades, como baixo custo, tamanho reduzido, baixo peso, robustez, biocompatibilidade, alta sensibilidade e precisão. Esta dissertação mestre tinha como objetivo desenvolver um sistema inteligente de sensor suave para adicionar percepção táctil a próteses de mão subactuadas. Esta metodologia de sensor monitora a interação física durante as atividades de apreensão para detectar o tipo de objeto apreendido por uma abordagem orientada por dados. O sistema de sensor háptico desenvolvido aqui foi implementado na prótese de membros superiores PrHand, baseado no acionamento da robótica suave. O sistema de sensor suave se assemelha à percepção cinestésica da mão humana, implementando duas modalidades de sensoriamento, ângulos de articulação dos dedos e medidas de força de contato da ponta dos dedos implementadas nos dedos protéticos. Os sensores são baseados na variação de intensidade com fibra óptica polimérica. Para o desenvolvimento do sensor de ângulo, três fabricações foram testadas através da rotação axial dos sensores em quatro posições, e a forma de fabricação com resposta mais similar nas quatro rotações foi escolhida. O sensor utilizado é no qual se-fiz uma remoção drecubrimiento externo com um desgaste em o revestimento e no nucleo. Os sensores foram localizados na junta interfalangeal distal (DIP) do dedo protético. A caracterização do sensor foi feita realizando seis ciclos de abertura e fechamento por dedo. Os sensores apresentaram uma resposta polinomial de segunda ordem com R2 superior a 92 %. Os sensores de força de contato foram localizados na ponta dos dedos para rastrear a força feita sobre os objetos. Antes de se fixar os cinco sensores, cada um deles foi avaliado através de cinco ciclos de compressão e descompressão. Na maioria dos casos, os sensores apresentaram uma resposta polinomial com R2 superior a 94 %; o processo de fabricação influenciou muito o comportamento do sensor, já que no processo de secagem do sensor, a fibra poderia ter movimentos. Para a implementação da aprendizagem da máquina, são utilizados 24 objetos do Protocolo de Avaliação da Mão Antropomórfica (AHAP) relacionados a oito tipos de garras. Seis algoritmos de aprendizagem da máquina são testados, quatro são supervisionados (Linear Regression, k-Nearest Neighbor, Supporter Vector Machine, e Decision tree), e dois não são supervisionados (K-Means Clustering e Hierarchical Clustering). Para validar os algoritmos foi usado o teste k-fold com um k = 10, e os resultados de precisão para k-Nearest Neighbor (k-NN) foi 98,5 ± 0,01 % e Árvore de Decisão (DT) foi 93,3 ± 0,2 %. Os outros quatro algoritmos tiveram um resultado inferior a 30 %. Uma das principais razões relacionadas à baixa precisão dos algoritmos não supervisionados é a falta de formação de clusters. Concluiu-se que apenas os algoritmos k-NN e DT permitem classificar os tipos de garras. Uma das limitações deste estudo é avaliar se o PMDS é a melhor opção para este sensor porque, depois de um tempo, o silicone começa a quebrar, de modo que a vida útil do sensor não é tão alta quanto o esperado. Além disso, para a caracterização do sensor de ângulo como foi feito nos dedos, foi difícil garantir que para todas as tentativas, os dedos se fechassem, da mesma forma sempre, causando alguns erros. | |
| dc.format | Text | |
| dc.identifier.uri | https://dspace5.ufes.br/handle/10/17127 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal do Espírito Santo | |
| dc.publisher.country | BR | |
| dc.publisher.course | Mestrado em Engenharia Elétrica | |
| dc.publisher.department | Centro Tecnológico | |
| dc.publisher.initials | UFES | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica | |
| dc.rights | open access | |
| dc.subject | Sensor de ângulo | |
| dc.subject | Sensor de força de contato | |
| dc.subject | Reconhecimento de agarre | |
| dc.subject | Aprendizagem da máquina | |
| dc.subject | Fibra Óptica | |
| dc.subject | Prótese de limite superior | |
| dc.subject.br-rjbn | subject.br-rjbn | |
| dc.subject.cnpq | Engenharia Elétrica | |
| dc.title | Intelligent soft-sensor system to add haptic perception to underactuated hand prostheses | |
| dc.title.alternative | title.alternative | |
| dc.type | masterThesis |
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