Upper-limb implant prototype miniaturization 
employing Biomechatronic EPP control topology

Paspalides, Panayiotis; Πασπαλίδης, Παναγιώτης

dc.contributor.author	Paspalides, Panayiotis	en
dc.contributor.author	Πασπαλίδης, Παναγιώτης	el
dc.date.accessioned	2023-03-27T10:23:16Z
dc.date.available	2023-03-27T10:23:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57335
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25033
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Upper-limb prosthetics	en
dc.subject	Prosthesis	en
dc.subject	Implant	en
dc.subject	Control	en
dc.subject	Προσθετικά άνω άκρων	el
dc.subject	Εκτεταμένη Φυσιολογική Ιδιοδεκτικότητα	el
dc.subject	Εμφυτεύματα	el
dc.subject	Έλεγχος	el
dc.subject	Τεχνητά μέλη	el
dc.subject	Extended Physiological Proprioception EPP	en
dc.title	Upper-limb implant prototype miniaturization employing Biomechatronic EPP control topology	en
dc.title	Ελαχιστοποίηση μεγέθους πρωτότυπου εμφυτεύματος άνω άκρου με χρήση της τοπολογίας ελέγχου Βιομηχανοτρονικού EPP	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Control Systems	en
heal.classification	Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.classification	Biomechatronics	en
heal.classification	Βιομηχανοτρονική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-01-25
heal.abstract	Η τεχνολογία των προσθετικών άνω άκρων έχει ως κύριο μέλημα τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ατόμων που έχουν υποστεί ακρωτηριασμό. Παρά τη σημαντική πρόοδο που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια, ο στόχος της δημιουργίας πλήρως λειτουργικών υποκατάστατων των φυσικών άκρων δεν έχει ακόμη επιτευχθεί. Το βασικότερο εμπόδιο στην προσπάθεια αυτή έγκειται στη δυσκολία παροχής ικανοποιητικής ανάδρασης στο χρήστη. Η Εκτεταμένη Φυσιολογική Ιδιοδεκτικότητα (Extended Physiological Proprioception) αποτελεί μία τοπολογία ελέγχου προσθετικών άνω άκρων η οποία επικεντρώνεται στην επαναφορά της ιδιοδεκτικής ικανότητας του χρήστη. Μέσω σημάτων ανάδρασης προσφέρει τη δυνατότητα ασυναίσθητου ελέγχου θέσης του προσθετικού προσεγγίζοντας έτσι τη λειτουργία ενός φυσιολογικού άκρου. Παρ’ όλα αυτά, η εφαρμογή της εν λόγω τοπολογίας ελέγχου συνοδεύεται από αρκετά μειονεκτήματα, μεταξύ των οποίων η ανάγκη χειρουργείου κινησιοπλαστικής και το αντιαισθητικό τελικό αποτέλεσμα λόγω της χρήσης ντιζών για την απευθείας μηχανική σύνδεση των μυών με το προσθετικό. Η αναγνώριση της αξίας της ιδιοδεκτικής ανάδρασης σε συνδυασμό με την ανάγκη παράκαμψης των παραπάνω μειονεκτημάτων, οδήγησε στην πρόταση μίας νέας τοπολογίας ελέγχου ονόματι Biomechatronic EPP. Η προτεινόμενη τοπολογία είναι εμπνευσμένη από την κλασσική EPP μέθοδο και παράλληλα βασίζεται στην αρχιτεκτονική master-slave από τον τομέα της τηλερομποτικής και του τηλεχειρισμού. Πιο συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την τοποθέτηση γραμμικών επενεργητών χαμηλής ισχύος σε σειρά με επιλεγμένους εναπομείναντες μύες του ακρωτηριασμένου κατά την αρχική χειρουργική επέμβαση ακρωτηριασμού. Τα εμφυτεύματα αυτά διαδραματίζουν το ρόλο των κύριων (master) ρομπότ και καταγράφουν εντολές δυνάμεων από τους μύες μέσω αισθητήρων δύναμης. Η πληροφορία αυτή αποστέλλεται ασύρματα στο προσθετικό άκρο που αποτελεί το ρομπότ υπηρέτη (slave), το οποίο και εκτελεί κατάλληλη κίνηση με βάση τις εντολές δύναμης που παραλαμβάνει. Τελικός στόχος είναι η γραμμική μετατόπιση των εναπομεινάντων μυών από τους γραμμικούς επενεργητές η οποία αντιστοιχεί στην κίνηση του προσθετικού άκρου. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η δυναμική σύζευξη μεταξύ master και slave προσφέροντας ιδιοδεκτική ανάδραση στον χρήστη ανά πάσα χρονική στιγμή. Στο πλαίσιο προηγούμενων εργασιών, για τη μελέτη της προτεινόμενης τοπολογίας ελέγχου, είχαν χρησιμοποιηθεί γραμμικοί επενεργητές master μεγάλων διαστάσεων. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν ο επανασχεδιασμός των εμφυτευμάτων με κύριο γνώμονα την ελαχιστοποίηση διαστάσεων και ισχύος. Αντικείμενο της εργασίας ήταν ο προσδιορισμός των προδιαγραφών του μηχανισμού, η επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων και εν τέλει η κατασκευή πρωτότυπου μηχανισμού εμφυτεύματος που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως ρομπότ master για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές προκειμένου να διαπιστωθεί η επάρκεια των εξαρτημάτων του πρωτοτύπου και να διερευνηθούν ορισμένες από τις δυνατότητες που παρέχει η Biomechatronic EPP τοπολογία. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις δοκιμές ήταν ότι παρά τις μικροσκοπικές τους διαστάσεις, οι νέοι γραμμικοί επενεργητές μπορούν να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις της εφαρμογής. Παράλληλα, φαίνεται ότι η κατανάλωση ισχύος των πρωτοτύπων εμπίπτει στα επιθυμητά επίπεδα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η προτεινόμενη τοπολογία ελέγχου μπορεί να προσφέρει ικανοποιητική ανάδραση στο χρήστη σχετικά με τη θέση καθώς και με την αλληλεπίδραση του προσθετικού άκρου με το περιβάλλον. Τα παραπάνω, ενισχύουν την πεποίθηση ότι η Biomechatronic EPP τοπολογία μπορεί να έχει εφαρμοστεί στην πράξη και ότι είναι ικανή να ενεργοποιήσει την ιδιοδεκτική αισθητικότητα του χρήστη.	el
heal.abstract	Upper-limb prosthesis technology is primarily concerned with improving amputees’ quality of life. However, despite significant progress in recent years, the aim of creating prostheses equipped with the complete functionality of a human limb has not yet been achieved. The main obstacle to this endeavour lies in providing adequate sensory feedback to the users. Extended Physiological Proprioception (EPP) is an upper-limb control topology that focuses on restoring the proprioception of the user. Feedback signals enable the user to control the prosthesis position subconsciously, thus resembling the function of a normal limb. However, the implementation of this control topology is accompanied by several drawbacks, including the need for cineplasty surgery and the unaesthetic view of Bowden cables used for mechanically connecting the amputee’s muscles to the prosthetic limb. The paramount importance of proprioceptive feedback and the need to overcome the above shortcomings led to the proposal of a new control topology called Biomechatronic EPP. The proposed topology is inspired by the classical EPP method and is also based on the master-slave architecture from the field of Telerobotics and Teleoperation. More specifically, it involves the implantation and connection of low-power linear actuators with selected residual muscles of the amputee during the initial amputation surgery. These implants correspond to the master robots of the teleoperation scheme, and they measure forces exerted by the residual muscles via force sensors. This information is sent wirelessly to the prosthetic limb, which plays the role of the slave robot. Subsequently, the prosthetic performs a movement according to the received force commands. The final goal is the appropriate translational displacement of the residual muscles by the linear actuators, depending on the prosthetic limb’s movement. This closed-loop control scheme ensures the dynamic coupling between master and slave, thus providing proprioceptive feedback to the user at all times. In previous works, large-scale linear actuators have been used as master implants to study the proposed control topology. This thesis aimed to redesign the implants focusing mainly on minimizing their dimensions and power consumption. This involved determining the mechanism’s specifications, selecting appropriate components, and ultimately, constructing an implant mechanism prototype that could be utilized as a master robot for this application. Finally, experimental tests were conducted to establish the adequacy of the prototype’s components and to explore some of the possibilities provided by the Biomechatronic EPP topology. The conclusions drawn from the tests were that despite their tiny dimensions, the new linear actuators could cope with the application’s requirements. At the same time, it appears that the power consumption of the prototype falls within the desired specifications. Furthermore, the results suggest that the proposed control topology can provide satisfactory feedback to the user regarding the position as well as the interaction of the prosthetic limb with the environment. The above supports the belief that the Biomechatronic EPP topology can be realistically implemented and that it can activate the user's proprioceptive sensation.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.advisorName	Papadopoulos, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Χασαλεύρης, Αθανάσιος	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	117 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false