Μεθοδολογίες ελέγχου σε νευρο-ρομποτικά συστήματα

Abstract

The thesis focuses on control methodologies for neuro-robotic systems, i.e. robotic systems that are controlled using signals coming from the human Nervous System. Upper limb motion estimation methodologies are proposed, using electromyographic activity of the muscles of the upper limb. Through these motion estimates, an anthropomorphic robot arm is controller in real-time. Moreover, the thesis proposes decoding methodologies for electromyographic activity in motion and force. These estimates can be used for controlling orthotic devices, such as upper limb exoskeletons. The decoding methodologies result to a continuous representation of motion of the upper limb in the three-dimensional space, a characteristic that allows the methodology application for the robust control of robotic systems. Furthermore, the thesis proposes adaptive decoding algorithms, that incorporate the time variation of the electromyographic signals, which result to an efficient motion estimation, even in experiments with long duration. Finally the thesis proposes a decoding methodology of neural signals recorded directly from the brain of non-human primates. These signals, that are recorded from primary motor cortex of the brain, are decoded to hand-finger motion. Using these motion estimates, a 17-dof robot hand is controlled in reaching and grasping tasks. This issue is an important step towards the development of neuro-motor prosthetic devices like prosthetic hands.

Η διατριβή αυτή μελετά μεθοδολογίες ελέγχου για νευρο-?ομποτικά συστήματα, δηλα- δή για ?ομποτικά συστήματα τα οποία ελέγχονται μέσω σημάτων που προέρχονται από το ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Προτείνονται μεθοδολογίες εκτίμησης της κίνησης του άνω άκρου, μέσω της ηλεκτρομυογραφικής δραστηριότητας που καταγράφεται από μύες του άνω άκρου. Μέσω των εκτιμήσεων της κίνησης ελέγχεται σε πραγματικό χρόνο ανθρωπομορφικός ?ομποτικός ?ραχίονας. Επιπλέον προτείνονται μεθοδολο- γίες αποκωδικοποίησης ηλεκτρομυογραφήματος σε κίνηση και δύναμη, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο ορθοτικών μηχανισμών, όπως οι εξωσκελετοί άνω άκρου. Οι μεθοδολογίες αποκωδικοποίησης καταλήγουν σε μια συνεχή εκτίμηση της κίνησης του άνω άκρου στον τρισδιάστατο χώρο, επιτρέποντας την εφαρμογή τους για τον σθεναρό έλεγχο ?ομποτικών συστημάτων. Επίσης, προτείνονται προσαρμοστικοί αλγόριθμοι που ενσωματώνουν την χρονική μεταβλητότητα των ηλεκτρομυογραφικών σημάτων, και καταλήγουν σε ακριβή εκτίμηση κίνησης, ακόμα και σε πειράματα μεγάλης διάρκειας. Επίσης, η διατριβή αυτή ασχολείται και την αποκωδικοποίηση νευρικών σημάτων που προέρχονται απευθείας από τον εγκέφαλο. Σήματα που καταγράφονται από πολλά νευρικά κύτταρα συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφάλου αποκωδικοποιούνται σε κίνηση των δακτύλων. Χρησιμοποιώντας τις εκτιμήσεις αυτές, ελέγχεται ένα ?ομποτικό χέρι 17 ?αθμών ελευθερίας, που αποτελεί σημαντικό ?ήμα προς την κατασκευή νευρο-κινητικών προσθετικών ?ομποτικών μηχανισμών.