Hand prosthesis control via IMU-based upper limb movement tracking

Abstract

Usability and acceptance of multifunctional upper limb prosthesis are highly dependent on a user-friendly control. Improvement of the state of art is still required since conventional sEMG control only permits to position one joint at a time, and it is usually the angular velocity instead of the position that is controlled. This is not intuitive, and also takes much time to position all joints. In this thesis a control scheme for a simultaneous and direct position control of several joints based on upper limb movement tracking should be implemented and tested. Tracking of the arm movement should be realized by an IMU placed on the forearm. At first, this work summarizes state of the art algorithms which are used in position and orientation tracking systems using inertial measurements. Further essential error sources and their contributions to the tracking error are described (error propagation). Identification of the sensor measurement noise allows an estimation of the uprising drifts as a function of the tracking duration. This estimation of the uprising drifts is meant to provide a basis for the present and further work. Compared to an orientation-based control scheme, a position-based control scheme requires more restrictive requirements on the usage, as position tracking with adequate accuracy is only possible for short periods of time of a couple of seconds. Therefore in the following, an orientation-based control scheme is developed. To evaluate the proposed control concept, a test framework is implemented in Matlab/ Simulink. Within one test scenario the subjects are prompted to reposition a virtual prosthesis from different start configurations into its neutral configuration; within another scenario the subjects steer a cursor into subsequently appearing targets (circles of different sizes) with the coordinate axes representing the position of two joints. The two control concepts are then compared via a comparison of real-time performance metrices such as the completion time and the path efficiency, and through a qualitative survey via a questionnaire and discussions with the participants. User tests were conducted with five disabled and twelve able-bodied subjects. It is shown that the proposed control scheme allows to position two joints simultaneously and faster compared to a conventional sEMG control. The five amputated subjects perceived the novel control concept as being more intuitive and quoted that it allows a more precise positioning of joints. The subjects considered both a fast and precise control as an important criterion for prosthesis control. Three out of five quoted that an incorporation of the novel control scheme into daily life is 'imaginable' , while two considered it as ' rather imaginable' .

Für die Steuerung von Myoprothesen der oberen Extremität besteht gegenüber dem aktuellen Stand der Technik insofern Verbesserungsbedarf, als zum Einen mittels sEMG Gelenke nur sequentiell und nicht gleichzeitig positioniert werden können und zum Anderen nicht die Gelenksposition, sondern die Gelenksgeschwindigkeit vorgegeben wird. Dies ist einerseits nicht sehr intuitiv, andererseits dauert es entsprechend lange, bis alle Gelenke richtig positioniert sind. In dieser Arbeit soll eine auf der Armbewegung basierende Steuerung zur direkten und simultanen Positionsvorgabe mehrerer Gelenke implementiert und getestet werden. Die Armbewegung soll dabei durch eine am Unterarm angebrachte IMU erfasst werden. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst 'basierend auf einer Literaturrecherche' die aktuellen Algorithmen von Orientierungs- und Positionstrackingsystemen mittels inertialer Sensorik zusammengefasst. Die essentiellen Fehlerquellen und deren Einfluss auf den Schätzfehler werden beschrieben (Fehlerfortpflanzung). Eine Identifikation der Sensoreigenschaften erlaubt anschließ end eine Abschätzung der erzielbaren Genauigkeit in Abhängigkeit der Trackingdauer. Dies soll als Basis für die vorliegende, aber auch für zukünftige Arbeiten dienen. Für eine positionsbasierte Steuerung sind im Allgemeinen restriktivere Anforderungen nötig, da eine sinnvolle Positionsschätzung nur für wenige Sekunden möglich ist. Daher wird im Folgenden eine orientierungsbasierte Steuerung entworfen. Für die Evaluierung der vorgeschlagenen Steuerung wird eine Testumgebung in Matlab/ Simulink implementiert. In einem Testszenario werden die Probanden aufgefordert, zwei Gelenke einer virtuellen Prothese ausgehend von verschieden Startkonfigurationen in die neutrale Position zurückzuführen. In einem zweiten Testszenario muss ein Cursor in nacheinander am Bildschirm auftauchende Ziele (Kreise unterschiedlicher Größ e) gesteuert werden, wobei die beiden Koordinatenachsen die Position zweier Gelenke repräsentieren. Ein Vergleich der beiden Steuervarianten erfolgt anschließ end durch objektive Kennzahlen wie der benötigten Zeit und der Pfadeffizienz sowie durch eine qualitative Befragung der Testteilnehmer in Form von Fragebögen. Im Zuge von Anwendertests mit fünf amputierten und zwölf nicht-amputierten Probanden konnte gezeigt werden, dass die neuartige Steuerung eine simultane und im Vergleich zur sEMG-Steuerung schnellere Positionierung zweier Gelenke ermöglicht. Die fünf Prothesenträger bewerteten die neuartige Steuerung als intuitiver einsetzbar und gaben zudem an, Gelenke mit der neuartigen Steuerung genauer positionieren zu können. Sowohl eine genaue als auch schnelle Positionierung stellte für die befragten Probanden ein wichtiges Kriterium an eine Steuerung dar. Drei der fünf Befragten bewerteten eine Nutzung der Steuerung im Alltag als 'vorstellbar' , zwei als 'eher vorstellbar' .