A multi-objective approach for the motion planning of redundant manipulators

Kinematic redundancy occurs when a manipulator possesses more degrees of freedom than those required to execute a given task. Several kinematic techniques for redundant manipulators control the gripper through the pseudo-inverse of the Jacobian, but lead to a kind of chaotic inner motion with unpredictable arm configurations. Such algorithms are not easy to adapt to optimization schemes and, moreover, often there are multiple optimization objectives that can conflict between them. Unlike single optimization, where one attempts to find the best solution, in multi-objective optimization there is no single solution that is optimum with respect to all indices. Therefore, trajectory planning of redundant robots remains an important area of research and more efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics of redundant manipulators, using a multi-objective genetic algorithm. This scheme combines the closed-loop pseudo-inverse method with a multi-objective genetic algorithm to control the joint positions. Simulations for manipulators with three or four rotational joints, considering the optimization of two objectives in a workspace without and with obstacles are developed. The results reveal that it is possible to choose several solutions from the Pareto optimal front according to the importance of each individual objective.

Représentation interne des caractéristiques physiques d'un objet

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible.

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

Encodage des forces tactiles dans le cortex somatosensoriel primaire

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.

Design and Control of an Anthropomorphic Robotic Finger with Multi-point Tactile Sensation

The goal of this research is to develop the prototype of a tactile sensing platform for anthropomorphic manipulation research. We investigate this problem through the fabrication and simple control of a planar 2-DOF robotic finger inspired by anatomic consistency, self-containment, and adaptability. The robot is equipped with a tactile sensor array based on optical transducer technology whereby localized changes in light intensity within an illuminated foam substrate correspond to the distribution and magnitude of forces applied to the sensor surface plane. The integration of tactile perception is a key component in realizing robotic systems which organically interact with the world. Such natural behavior is characterized by compliant performance that can initiate internal, and respond to external, force application in a dynamic environment. However, most of the current manipulators that support some form of haptic feedback either solely derive proprioceptive sensation or only limit tactile sensors to the mechanical fingertips. These constraints are due to the technological challenges involved in high resolution, multi-point tactile perception. In this work, however, we take the opposite approach, emphasizing the role of full-finger tactile feedback in the refinement of manual capabilities. To this end, we propose and implement a control framework for sensorimotor coordination analogous to infant-level grasping and fixturing reflexes. This thesis details the mechanisms used to achieve these sensory, actuation, and control objectives, along with the design philosophies and biological influences behind them. The results of behavioral experiments with a simple tactilely-modulated control scheme are also described. The hope is to integrate the modular finger into an %engineered analog of the human hand with a complete haptic system.

Evaluación comparativa de factores de preferencia uso de una herramienta de corte para floricultura con un nuevo diseño, versus la herramienta tradicional, estudio piloto

Colombia es uno de los principales productores de flores y rosas a nivel mundial y a través de los años ha presentado diversos problemas en la actividad industrial que permite la recolección de rosas. La cosecha y alistamiento del producto se realiza mediante actividades principalmente manuales. El corte de la rosa se efectúa con una herramienta conocida como tijera de poda manual, lo cual ha dado lugar a problemas ergonómicos al efectuar el corte, particularmente evidentes en personas de manos pequeñas, pues la apertura de operación excede la longitud máxima de extensión y capacidad de agarre de la mano, lo que conlleva a esfuerzos y posturas perjudiciales, especialmente desviaciones ulnares/radiales y flexión/extensión pronunciada de muñeca, permitiendo la aparición de lesiones por trauma acumulativo en el conjunto mano-muñeca. Este trabajo evalúa un nuevo diseño de tijera de poda manual concebida para disminuir el problema de posturas perjudiciales de la muñeca en el momento del corte. Se trata de un estudio cuasi-experimental, de observaciones pareadas, que permitió evaluar el nuevo diseño de tijera en condiciones reales de uso durante una fracción de la jornada de trabajo, donde los operarios la pudieron comparar con su tijera convencional y pudieron calificar las características de diseño de cada una de ellas a través de una escala de intervalo con rostros felices a tristes. Factores novedosos como el sistema de agarre con mango rotativo fueron bien aceptados en la nueva tijera, así como la suavidad en el accionamiento. El peso de la nueva herramienta es mayor a la actual y no fue bien aceptado. Personas de mayor edad y con mayor tiempo en el cargo muestran una preferencia hacia la tijera de poda que utilizan actualmente.

ARX, model thinking: taxonomy and operativity of an architectural process

The purpose of this work was to establish a taxonomy of hand made model construction as a platform for an approach to project an operative method in architecture. It was therefore studied and catalogued in a systematic approach a broad model production in the work of ARX. A wide range of families and sub-families of models were found, with different purposes according to each phase of development, from searching steps for a new possible configuration to detailed refined decisions. This working method revealed as most relevant characteristics, the grounds for a potential personal reflection and open discussion on project method, its flexibility on space modeling, an accuracy on the representation of real construction situations and its constant and stimulating opening to new suggestions. This research helped on a meta-reflection about this method, having been useful on creating a consciousness of processes that pretend to become an autonomous language, knowledge that might become useful to those who pretend to implement a haptic modus operandi in the work of an architectural project.

Cooperative transport of extended payloads

In this paper we present experimental results for the dual robot transport of an extended payload. Two robotic rovers that were designed specifically for the extended payload transport task are described. Each rover incorporates a 4-DOF robot arm incorporating three active joints (one of which is a gripper), a passive wrist, and a mobile base which employs a rocker-bogie design. A set of behaviours has been developed to support the performance of the task, integrating simple sensing with controls. We describe the behaviours and their integration within the overall task structure. The experimental results presented focus on the manipulation elements of the task, but incorporate a complete cycle of pick-up, traversal, and putdown.

Force shading and bump mapping using the friction cone algorithm

Previous work has presented the friction cone algorithm, a generalised method to resolve forces on a simulated haptic object when two or more fingers are in contact. Two extensions to the friction cone algorithm are presented: force shading and bump mapping. Force shading removes the discontinuities that are present when transitioning from one face to the next, whilst bump mapping provides a mechanism for rendering haptic textures on polygonal surfaces. Both these extensions can be combined whilst still maintaining the friction cone algorithm's intrinsic ability to simulate arbitrarily complex friction models.

Impedance mismatch: some differences between the way humans and robots control interaction forces

In over forty years of research robots have made very little progress still largely confined to industrial manufacture and cute toys, yet in the same period computing has followed Moores Law where the capacity double roughly every two years. So why is there no Moores Law for robots? Two areas stand out as worthy of research to speedup progress. The first is to get a greater understanding of how human and animal brains control movement, the second to build a new generation of robots that have greater haptic sense, that is a better ability to adapt to the environment as it is encountered. A remarkable property of the cognitive-motor system in humans and animals is that it is slow. Recognising an object may take 250 mS, a reaction time of 150 mS is considered fast. Yet despite this slow system we are well designed to allow contact with the world in a variety of ways. We can anticipate an encounter, use the change of force as a means of communication and ignore sensory cues when they are not relevant. A better understanding of these process has allowed us to build haptic interfaces to mimic the interaction. Emerging from this understanding are new ways to control the contact between robots, the user and the environment. Rehabilitation robotics has all the elements in the subject to not only enable and change the lives of people with disabilities, but also to facilitate revolution change in classic robotics.

The effect of the GENTLE/s robot-mediated therapy system on arm function after stroke

Objective: To evaluate the effect of robot-mediated therapy on arm dysfunction post stroke. Design: A series of single-case studies using a randomized multiple baseline design with ABC or ACB order. Subjects (n = 20) had a baseline length of 8, 9 or 10 data points. They continued measurement during the B - robot-mediated therapy and C - sling suspension phases. Setting: Physiotherapy department, teaching hospital. Subjects: Twenty subjects with varying degrees of motor and sensory deficit completed the study. Subjects attended three times a week, with each phase lasting three weeks. Interventions: In the robot-mediated therapy phase they practised three functional exercises with haptic and visual feedback from the system. In the sling suspension phase they practised three single-plane exercises. Each treatment phase was three weeks long. Main measures: The range of active shoulder flexion, the Fugl-Meyer motor assessment and the Motor Assessment Scale were measured at each visit. Results: Each subject had a varied response to the measurement and intervention phases. The rate of recovery was greater during the robot-mediated therapy phase than in the baseline phase for the majority of subjects. The rate of recovery during the robot-mediated therapy phase was also greater than that during the sling suspension phase for most subjects. Conclusion: The positive treatment effect for both groups suggests that robot-mediated therapy can have a treatment effect greater than the same duration of non-functional exercises. Further studies investigating the optimal duration of treatment in the form of a randomized controlled trial are warranted.

Challenges and opportunities for robot-mediated neurorehabilitation

Robot-mediated neurorehabilitation is a rapidly advancing field that seeks to use advances in robotics, virtual realities, and haptic interfaces, coupled with theories in neuroscience and rehabilitation to define new methods for treating neurological injuries such as stroke, spinal cord injury, and traumatic brain injury. The field is nascent and much work is needed to identify efficient hardware, software, and control system designs alongside the most effective methods for delivering treatment in home and hospital settings. This paper identifies the need for robots in neurorehabilitation and identifies important goals that will allow this field to advance.

A Gentle/S approach to robot assisted neuro-rehabilitation

Movement disorders (MD) include a group of neurological disorders that involve neuromotor systems. MD can result in several abnormalities ranging from an inability to move, to severe constant and excessive movements. Strokes are a leading cause of disability affecting largely the older people worldwide. Traditional treatments rely on the use of physiotherapy that is partially based on theories and also heavily reliant on the therapists training and past experience. The lack of evidence to prove that one treatment is more effective than any other makes the rehabilitation of stroke patients a difficult task. UL motor re-learning and recovery levels tend to improve with intensive physiotherapy delivery. The need for conclusive evidence supporting one method over the other and the need to stimulate the stroke patient clearly suggest that traditional methods lack high motivational content, as well as objective standardised analytical methods for evaluating a patient's performance and assessment of therapy effectiveness. Despite all the advances in machine mediated therapies, there is still a need to improve therapy tools. This chapter describes a new approach to robot assisted neuro-rehabilitation for upper limb rehabilitation. Gentle/S introduces a new approach on the integration of appropriate haptic technologies to high quality virtual environments, so as to deliver challenging and meaningful therapies to people with upper limb impairment in consequence of a stroke. The described approach can enhance traditional therapy tools, provide therapy "on demand" and can present accurate objective measurements of a patient's progression. Our recent studies suggest the use of tele-presence and VR-based systems can potentially motivate patients to exercise for longer periods of time. Two identical prototypes have undergone extended clinical trials in the UK and Ireland with a cohort of 30 stroke subjects. From the lessons learnt with the Gentle/S approach, it is clear also that high quality therapy devices of this nature have a role in future delivery of stroke rehabilitation, and machine mediated therapies should be available to patient and his/her clinical team from initial hospital admission, through to long term placement in the patient's home following hospital discharge.

Upper limb robot mediated stroke therapy - GENTLE/s approach

Stroke is a leading cause of disability in particular affecting older people. Although the causes of stroke are well known and it is possible to reduce these risks, there is still a need to improve rehabilitation techniques. Early studies in the literature suggest that early intensive therapies can enhance a patient's recovery. According to physiotherapy literature, attention and motivation are key factors for motor relearning following stroke. Machine mediated therapy offers the potential to improve the outcome of stroke patients engaged on rehabilitation for upper limb motor impairment. Haptic interfaces are a particular group of robots that are attractive due to their ability to safely interact with humans. They can enhance traditional therapy tools, provide therapy "on demand" and can present accurate objective measurements of a patient's progression. Our recent studies suggest the use of tele-presence and VR-based systems can potentially motivate patients to exercise for longer periods of time. The creation of human-like trajectories is essential for retraining upper limb movements of people that have lost manipulation functions following stroke. By coupling models for human arm movement with haptic interfaces and VR technology it is possible to create a new class of robot mediated neuro rehabilitation tools. This paper provides an overview on different approaches to robot mediated therapy and describes a system based on haptics and virtual reality visualisation techniques, where particular emphasis is given to different control strategies for interaction derived from minimum jerk theory and the aid of virtual and mixed reality based exercises.