3D Hand Pose Reconstruction Using Specialized Mappings

A system for recovering 3D hand pose from monocular color sequences is proposed. The system employs a non-linear supervised learning framework, the specialized mappings architecture (SMA), to map image features to likely 3D hand poses. The SMA's fundamental components are a set of specialized forward mapping functions, and a single feedback matching function. The forward functions are estimated directly from training data, which in our case are examples of hand joint configurations and their corresponding visual features. The joint angle data in the training set is obtained via a CyberGlove, a glove with 22 sensors that monitor the angular motions of the palm and fingers. In training, the visual features are generated using a computer graphics module that renders the hand from arbitrary viewpoints given the 22 joint angles. We test our system both on synthetic sequences and on sequences taken with a color camera. The system automatically detects and tracks both hands of the user, calculates the appropriate features, and estimates the 3D hand joint angles from those features. Results are encouraging given the complexity of the task.

Equilibria and Dynamics of a Neural Network Model for Opponent Muscle Control

One of the advantages of biological skeleto-motor systems is the opponent muscle design, which in principle makes it possible to achieve facile independent control of joint angle and joint stiffness. Prior analysis of equilibrium states of a biologically-based neural network for opponent muscle control, the FLETE model, revealed that such independent control requires specialized interneuronal circuitry to efficiently coordinate the opponent force generators. In this chapter, we refine the FLETE circuit variables specification and update the equilibrium analysis. We also incorporate additional neuronal circuitry that ensures efficient opponent force generation and velocity regulation during movement.

Modification of biomaterial surface characteristics by body fluids in vitro

In practice, polyvinyl chloride endotracheal tubes and polyurethane urinary catheters are located in areas where they are exposed to the conditioning fluids saliva and urine, respectively. Samples of both biomaterials were incubated in these conditioning fluids and, following treatment, dynamic contact angle measurement and surface roughness assessment by atomic force microscopy were used to analyse surface characteristics. Over a 24 h period of contact with the conditioning fluids, the surface of both materials became significantly more hydrophilic (p

Self-Feedback Motion Control for Cable-Driven Parallel Manipulators

This article proposes a closed-loop control scheme based on joint-angle feedback for cable-driven parallel manipulators (CDPMs), which is able to overcome various difficulties resulting from the flexible nature of the driven cables to achieve higher control accuracy. By introducing a unique structure design that accommodates built-in encoders in passive joints, the seven degrees of freedom (7-DOF) CDPM can obtain joint angle values without external sensing devices, and it is used for feedback control together with a proper closed-loop control algorithm. The control algorithm has been derived from the time differential of the kinematic formulation, which relates the joint angular velocities to the time derivative of cable lengths. In addition, the Lyapunov stability theory and Monte Carlo method have been used to mathematically verify the self-feedback control law that has tolerance for parameter errors. With the aid of co-simulation technique, the self-feedback closed-loop control is applied on a 7-DOF CDPM and it shows higher motion accuracy than the one with an open-loop control. The trajectory tracking experiment on the motion control of the 7-DOF CDPM demonstrated a good performance of the self-feedback control method.

An evolutionary approach for the motion planning of redundant and hyper-redundant manipulators

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. The pseudoinverse control is not repeatable, causing drift in joint space which is undesirable for physical control. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms, leading to an optimization criterion for repeatable control of redundant manipulators, and avoiding the joint angle drift problem. Computer simulations performed based on redundant and hyper-redundant planar manipulators show that, when the end-effector traces a closed path in the workspace, the robot returns to its initial configuration. The solution is repeatable for a workspace with and without obstacles in the sense that, after executing several cycles, the initial and final states of the manipulator are very close.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Développement et validation d'un modèle de simulation numérique personnalisé à une athlète de plongeon

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation.

The Control of Human Arm Movement Models and Mechanical Constraints

A serial-link manipulator may form a mobile closed kinematic chain when interacting with the environment, if it is redundant with respect to the task degrees of freedom (DOFs) at the endpoint. If the mobile closed chain assumes a number of configurations, then loop consistency equations permit the manipulator and task kinematics to be calibrated simultaneously using only the joint angle readings; endpoint sensing is not required. Example tasks include a fixed endpoint (0 DOF task), the opening of a door (1 DOF task), and point contact (3 DOF task). Identifiability conditions are derived for these various tasks.

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.

Video stimuli reduce object-directed imitation accuracy: a novel two-person motion-tracking approach

Imitation is an important form of social behavior, and research has aimed to discover and explain the neural and kinematic aspects of imitation. However, much of this research has featured single participants imitating in response to pre-recorded video stimuli. This is in spite of findings that show reduced neural activation to video vs. real life movement stimuli, particularly in the motor cortex. We investigated the degree to which video stimuli may affect the imitation process using a novel motion tracking paradigm with high spatial and temporal resolution. We recorded 14 positions on the hands, arms, and heads of two individuals in an imitation experiment. One individual freely moved within given parameters (moving balls across a series of pegs) and a second participant imitated. This task was performed with either simple (one ball) or complex (three balls) movement difficulty, and either face-to-face or via a live video projection. After an exploratory analysis, three dependent variables were chosen for examination: 3D grip position, joint angles in the arm, and grip aperture. A cross-correlation and multivariate analysis revealed that object-directed imitation task accuracy (as represented by grip position) was reduced in video compared to face-to-face feedback, and in complex compared to simple difficulty. This was most prevalent in the left-right and forward-back motions, relevant to the imitator sitting face-to-face with the actor or with a live projected video of the same actor. The results suggest that for tasks which require object-directed imitation, video stimuli may not be an ecologically valid way to present task materials. However, no similar effects were found in the joint angle and grip aperture variables, suggesting that there are limits to the influence of video stimuli on imitation. The implications of these results are discussed with regards to previous findings, and with suggestions for future experimentation.

Modification of polyethylene terephthalate by atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) in view of improving the polymer wetting properties

Surface treatment of polymers by discharge plasmas has increasingly found industrial applications due to its capability of modifying uniformly the surface without changing the material bulk properties. This work deals with surface modification of polyethylene terephthalate (PET) by a dielectric barrier discharge (DBD) at atmospheric pressure. The treatments were conducted in air, nitrogen or argon plasma. The polymer surface was characterized by contact angle measurement, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM). The results show that the plasma treatment introduces oxygen-and nitrogen-related polar groups on the polymer surface and promotes the surface roughening. Both plasma-induced surface modifications contribute to the enhancement of the polymer wettability.

Fibroblast functionality on novel Ti-30Ta nanotube array

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)