Development of a Fingertip Glove Equipped with Magnetic Tracking Sensors

In this paper, we present the development of a data glove system based on fingertip tracking techniques. To track the fingertip position and orientation, a sensor module and two generator coils are attached on the fingertip and metacarpal of the corresponding finger. By tracking the fingertip, object manipulation tasks in a virtual environment or teleoperation system can be carried out more precisely, because fingertips are the foremost areas that reach the surface of an object in most of grasping processes. To calculate the bending angles of a finger, we also propose a method of constructing the shape of the finger. Since the coils are installed on the fingertips and metacarpals, there is no contact point between the sensors and finger joints. Hence, the shape of the sensors does not change as the fingers are bending, and both the quality of measurement and the lifetime of the sensors will not decrease in time. For the convenience of using this glove, a simple and efficient calibration process consisting of only one calibration gesture is also provided, so that all required parameters can be determined automatically. So far, the experimental results of the sensors performing linear movement and bending angle measurements are very satisfactory. It reveals that our data glove is available for a man-machine interface

A reconfigurable, tendon-based haptic interface for research into human-environment interactions

Human reaction to external stimuli can be investigated in a comprehensive way by using a versatile virtual-reality setup involving multiple display technologies. It is apparent that versatility remains a main challenge when human reactions are examined through the use of haptic interfaces as the interfaces must be able to cope with the entire range of diverse movements and forces/torques a human subject produces. To address the versatility challenge, we have developed a large-scale reconfigurable tendon-based haptic interface which can be adapted to a large variety of task dynamics and is integrated into a Cave Automatic Virtual Environment (CAVE). To prove the versatility of the haptic interface, two tasks, incorporating once the force and once the velocity extrema of a human subject's extremities, were implemented: a simulator with 3-DOF highly dynamic force feedback and a 3-DOF setup optimized to perform dynamic movements. In addition, a 6-DOF platform capable of lifting a human subject off the ground was realized. For these three applications, a position controller was implemented, adapted to each task, and tested. In the controller tests with highly different, task-specific trajectories, the three robot configurations fulfilled the demands on the application-specific accuracy which illustrates and confirms the versatility of the developed haptic interfac

High performance control of a multiple-DOF motion platform for driver seat vibration test in laboratory

Dynamic testing plays an important part in the vehicle seat suspension study. However, a large amount of research work on vibration control of vehicle seat suspension to date has been limited to simulations because the use of a full-size vehicle to test the device is an expensive and dangerous task. In order to decrease the product development time and cost as well as to improve the design quality, in this research, a vibration generation platform is developed for simulating the road induced vehicle vibration in laboratory. Different from existing driving simulation platforms, this research focuses on the vehicle chassis vibration simulation and the control of motion platform to make sure the platform can more accurately generate the actual vehicle vibration movement. A seven degree-of-freedom (DOF) full-vehicle model with varying road inputs is used to simulate the real vehicle vibration. Moreover, because the output vibration data of the vehicle model is all about the absolute heave, pitch and roll velocities of the sprung mass, in order to simulate the vibration in all dimensions, a Stewart multiple-DOF motion platform is designed to generate the required vibration. As a result, the whole vibration simulator becomes a hardware-in-the-loop (HIL) system. The hardware consists of a computer used to calculate the required vibration signals, a Stewart platform used to generate the real movement, and a controller used to control the movement of the platform and implemented by a National Instruments (NI) CompactRIO board. The data, which is from the vehicle model, can be converted into the length of the six legs of the Stewart platform. Therefore, the platform can transfer into the same posture as the real vehicle chassis at that moment. The success of the developed platform is demonstrated by HIL experiments of actuators. As there are six actuators installed in the motion platform, the signals from six encoders are used as the feedback signals for the control of the length of the actuators, and advanced control strategies are developed to control the movement of the platform to make sure the platform can accurately generate the required motion even in heavy load situations. Theoretical study is conducted on how to generate the reasonable vibration signals suitable for vehicle seat vibration tests in different situations and how to develop advanced control strategies for accurate control of the motion platform. Both simulation and experimental studies are conducted to validate the proposed approaches

Développement d'un mécanisme parallèle entraîné par câbles utilisé comme interface à retour haptique visant la réadaptation physique en environnement immersif

Les robots parallèles à câbles sont de plus en plus utilisés et étudiés, particulièrement dans le domaine de la recherche. Une des applications d'intérêts est leur usage en tant qu'interface haptique. Leur grand espace de travail et leur faible inertie en font de bons candidats pour en faire des interfaces de taille humaine. Une des applications intéressantes serait d'utiliser ce type d'interfaces dans le domaine de la santé, plus spécifiquement en réadaptation physique. Comme ces interfaces sont capables de reproduire des efforts à l'utilisateur, celles-ci peuvent être utilisées pour faire travailler les muscles. C'est dans cette optique que les recherches rapportées dans cette thèse ont été accomplies. Cette thèse présente donc premièrement des avancées plus générales aux mécanismes parallèles à câbles permettant leur utilisation en tant qu'interface haptique, pour ensuite se spécialiser dans la création d'un prototype d'interface haptique entraîné par câble combiné à un retour visuel immersif comme un casque de réalité virtuelle par exemple. La thèse se termine avec l'évaluation préliminaire du prototype développé qui est installé dans un centre de recherche en réadaptation physique et qui, dans un avenir rapproché, pourra servir à l'avancement de la recherche dans le domaine de la réadaptation physique.Cable driven parallel robots are studied and used more every day, especially in the research community. One interesting application is their use as haptic interfaces. Their big workspace and relatively low inertia makes them great candidates for human scale interfaces. One application of haptic interfaces of this scale is in health and physical readaptation. Since those interfaces are able to render forces, they can be used to train or evaluate physical capabilities. Research presented in this thesis aims at furthering knowledge in this domain. Some more general advances needed to make cable driven parallel mechanisms suitable haptic interfaces are presented first and then more specific developments toward the creation of a prototype haptic interface combined with a visual feedback are presented. The thesis ends with preliminary studies on the developed prototype installed in a research facility on physical readaptation

Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique

Empowering people with ABI to acquire better insight into brain injury: an application of educational principles

In this thesis, Christine Durham investigates the life experiences of 36 people with acquired brain injury (ABI) and further, the perspectives of five family carers and five professionals. Using an innovative method entitled Keys to the ABI Cage, study participants used cards with concepts drawn from previous literature around challenges and positive experiences to explore lives in a non-threatening way. The approach also supported participants to identify and use ‘keys’ to escape the ABI cage and re-engage with everyday life. Based on learning principles, Keys to the ABI Cage, supported participants to enter into a narrative about their lives by choosing concepts and ideas that applied to their own life experiences. By offering additional concepts on cards that were not part of those experiences, the study also prompted participants to think about how other possibilities might be used to improve their lives. The narratives produced from interviews were analysed using interpretive phenomenological analysis (IPA) and this systematic analysis established the struggles and the positives in people’s lives in a way not yet exemplified in the ABI literature. The study approach was also designed to accomplish this in a manner that did no harm to the participants. This study establishes that ABI is not simply about damaged brains and is as much about re-engaging with everyday life. It demonstrates the positive factors people identify which give them hope and establishes through its own method an approach that complements the medicalised approach to mending bodies with one that seeks to mend broken lives and identities. It offers a potentially new practice-based approach for people with ABI and others whose lives and identities have been fractures and those struggling to regain a life of choice and of quality