Design of Upper limb prosthesis: Experimental Comparison of the Classic and Biomechatronic Extended Physiological Proprioception

Βαγγελάτος, Ζαχαρίας; Vangelatos, Zacharias

dc.contributor.author	Βαγγελάτος, Ζαχαρίας	el
dc.contributor.author	Vangelatos, Zacharias	en
dc.date.accessioned	2017-09-08T07:42:58Z
dc.date.available	2017-09-08T07:42:58Z
dc.date.issued	2017-09-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45559
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14523
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εκτεταμένη Φυσιολογική Ιδιοδεκτικότητα	el
dc.subject	Έλεγχος Εμπέδησης	el
dc.subject	Κλασσική ΕΦΙ	el
dc.subject	Βιομηχανοτρονική ΕΦΙ	el
dc.subject	Άνω προσθετικά άκρα	el
dc.subject	Extended Physiological Proprioception	en
dc.subject	Classic EPP	en
dc.subject	Biomechatronic EPP	en
dc.subject	Master-Slave Topology	en
dc.subject	Upper-Limb Prosthesis	en
dc.title	Design of Upper limb prosthesis: Experimental Comparison of the Classic and Biomechatronic Extended Physiological Proprioception	en
dc.title	Σχεδιασμός Άνω Προσθετικού Άκρου: Πειραματική Σύγκριση Κλασσικής και Βιο-Mηχανοτρονικής Εκτεταμένης Φυσιολογικής Ιδιοδεκτικότητας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Biomedical engineering--Congresses	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2007101999
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-10
heal.abstract	Τα προσθετικά άκρα έχουν σημειώσει σπουδαία πρόοδο τα τελευταία χρόνια. Παρόλα αυτά το κομμάτι του ελέγχου αποδεικνύεται ακόμη και σήμερα προβληματικό, κυρίως εξαιτίας της έλλειψης ανάδρασης από τον χρήστη (συγκεκριμένα έλλειψη αίσθησης). Η Εκτεταμένη Φυσιολογική Ιδιοδεκτικότητα (Extended Physiological Proprioception- ΕΡΡ) έχει προκύψει ότι είναι η καλύτερη μέθοδος ελέγχου προσθετικών αφού παρέχει την δυνατότητα ασυναίσθητου ελέγχου θέσης του άκρου, καθώς τα σήματα ανάδρασης που παρέχει στον ακρωτηριασμένο, ενεργοποιούν την ιδιοδεκτική του αισθητικότητα. Όμως, ο κλασικός έλεγχος EPP είναι πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί, αφού απαιτεί απευθείας μηχανική σύνδεση με το προσθετικό άκρο μέσω αντιαισθητικών ντιζών, καθώς και ειδικό χειρουργείο κινησιοπλαστικής για να επιτευχθεί αυτή η σύνδεση. Τα παραπάνω μειονεκτήματα οδήγησαν σταδιακά στην εγκατάλειψή του, και την διάδοση του μυοηλεκτρικού ελέγχου, που αποτελεί μη επεμβατική μέθοδο. Στο εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών προτάθηκε μια προσέγγιση που βασίζεται στην τεχνολογία της τηλερομποτικής, με την οποία φιλοδοξείται να επιτευχθεί έλεγχος προσθετικών ισοδύναμος με τον κλασικό ΕΡΡ, αλλά χωρίς την χρήση ντιζών και χειρουργείου κινησιοπλαστικής. Το προτεινόμενο σύστημα περιλαμβάνει χρήση εμφυτευμάτων χαμηλής ισχύος, συνδεδεμένα σε σειρά με συγκεκριμένους εναπομείναντες μύες του ακρωτηριασμένου, τα οποία εμφυτεύονται κατά την αρχική χειρουργική επέμβαση του ακρωτηριασμού. Τα εμφυτεύματα αυτά, αποτελούν τα κύρια (master) ρομπότ του συστήματος τηλεχειρισμού, και δέχονται απευθείας εντολές δυνάμεων από τους μύες. Οι εντολές αυτές μεταφέρονται ασύρματα στο ρομπότ-υπηρέτη (slave), που είναι το προσθετικό άκρο, το οποίο κινείται στο χώρο. Ο ελεγκτής του συστήματος εγγυάται την δυναμική σύζευξη των master και slave ρομπότ, παρέχοντας στον ακρωτηριασμένο ιδιοδεκτική ανάδραση κάθε χρονική στιγμή. Αυτή η αρχιτεκτονική θα προσφέρει ισοδύναμα αποτελέσματα ελέγχου με την κλασική ΕΡΡ διάταξη, αλλά χωρίς τα μειονεκτήματα που την χαρακτηρίζουν. Αποδείχτηκε ότι θεωρητικά η κλασσική μέθοδος εκτεταμένης φυσιολογικής ιδιοδεκτικότητας είναι ισοδύναμη με την καινούργια μέθοδο που επινοήθηκε, η οποία ονομάστηκε Biomechatronic EPP, καθιστώντας την εφαρμόσιμη για προσθετικά άκρα. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι ο σχεδιασμός (με βάση την διπλωματική του Ανέστη Μαμπλέκου) και η κατασκευή της πειραματικής διάταξης που θα εξετάσει αν αυτές οι δυο μέθοδοι είναι πειραματικά ισοδύναμες ή όχι και ποιές είναι οι αιτίες. Επιπλέον αντικείμενο της εργασίας είναι ο σχεδιασμός του συστήματος ελέγχου με την βοήθεια του DS1103 και του περιβάλλοντος του ControlDesk. Επομένως μεγάλο μέρος της διπλωματικής θα αναλωθεί στο να ξεδιαλυθούν τα μυστήρια αυτού του hardware και software. Τέλος θα αναπτυχθεί ένα πρωτόκολλο πειραμάτων που πρέπει να ακολουθείται για τα πειράματα που θα ακολουθήσουν που θα καθιστούν τα εξαγόμενα αποτελέσματα επαναλήψιμα και αξιολογήσιμα.	el
heal.abstract	Prosthetic limbs have faced significant progress through the last two decades. However, the controller design still remains strenuous. The main reason is the lack of feedback provided to the user (insufficient sensing in particular). The Extended Physiological Proprioception (EPP) has been proved to be the best control method for prosthetic limbs, because it stimulates his/her proprioceptive sense, enabling subconscious control. Nevertheless, Classic EPP is very arduous to be implemented, due to the fact that it requires the connection of the prosthetic to unaesthetic Bowden cables, as well as an extra plastic surgery to achieve that connection. These drawbacks led to the waiving of this method and the spread of myoelectric control, which is a totally non invasive method. At the Control Systems laboratory of the School of Mechanical Engineering a new method was proposed that is inspired by the teleoperation theory. The goal is to achieve a control scheme that is equivalent to the Classic EPP, but without the use of Bowden Cables and the extra plastic surgery. In the proposed system, low power devices are implanted and connected to specific muscles during the required initial amputation surgery. The muscles exert forces to the implants, which correspond to the master robots of the teleoperation system. Those forces are wirelessly transmitted to the prosthesis which is the slave robot. The controller of the topology guarantees the dynamic conjunction of the master and slave robots, enabling amputee’s proprioception. The proposed system is expected to provide a modern EPP-equivalent control scheme for upper-limb prostheses without the disadvantages of previous EPP configurations, but with the control advantages of proprioceptive feedback. Before the dawn of this thesis, it had been proved that theoretically the Classic EPP control method and the new one, which for this thesis will be called Biomechatronic EPP, are equivalent. This renders the new method suitable for limb prosthetics. The purpose of this thesis is the design and the construction of the experimental setup. This setup will be used to inquire whether the two control methods are equivalent, or the reality is much more ruthless and the new innovative method has been proved to be a dubious dream. Furthermore, a primary objective of this thesis is the design of the control systems with the DS1103 and the ControlDesk environment. Ergo, a significant part of this thesis will be related to the unraveling of the mysteries of this uncharted territory of hardware and software. Finally, for the experiments that must be conducted a protocol must be stated. The reason is that the experimental data must be repeatable and effortlessly evaluated.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Πουλακάκης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	214 σ.
heal.fullTextAvailability	true