Development of an Embedded Myokinetic Prosthetic Hand Controller

The quest for an intuitive and physiologically appropriate human machine interface for the control of dexterous prostheses is far from being completed. In the last decade, much effort has been dedicated to explore innovative control strategies based on the electrical signals generated by the muscles during contraction. In contrast, a novel approach, dubbed myokinetic interface, derives the control signals from the localization of multiple magnetic markers (MMs) directly implanted into the residual muscles of the amputee. Building on this idea, here we present an embedded system based on 32 magnetic field sensors and a real time computation platform. We demonstrate that the platform can simultaneously localize in real-time up to five MMs in an anatomically relevant workspace. The system proved highly linear (R2 = 0.99) and precise (1% repeatability), yet exhibiting short computation times (4 ms) and limited cross talk errors (10% the mean stroke of the magnets). Compared to a previous PC implementation, the system exhibited similar precision and accuracy, while being ~75% faster. These results proved for the first time the viability of using an embedded system for magnet localization. They also suggest that, by using an adequate number of sensors, it is possible to increase the number of simultaneously tracked MMs while introducing delays that are not perceivable by the human operator. This could allow to control more degrees of freedom than those controllable with current technologies

RTRLIB : a high-level modeling tool for dynamically partially reconfigurable systems

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2020.Reconfiguração dinâmica parcial é considerada uma interessante técnica a ser aplicada para o aumento da flexibilidade de sistemas implementados em FPGA, em função da implementação dinâmica de módulos de hardware enquanto o restante do circuito permanece em operação. Trata- se de uma técnica utilizada em sistemas com requisitos muito restritos, como adaptabilidade, robustez, consumo de potência, custo e tolerância à falhas. Entretanto, a complexidade de desen- volvimento de sistemas com reconfiguração dinâmica parcial é consideravelmente alta quando comparada à de sistemas com lógica totalmente estática. Nesse sentido, novas metodologias e ferramentas de desenvolvimento são necessárias para reduzir a complexidade de implementação desse tipo de sistema. Nesse contexto, esse trabalho apresenta o RTRLib, uma ferramenta de modelagem em alto nível para o desenvolvimento de sistemas com reconfiguração dinâmica parcial em dispositivos Xilinx Zynq a partir da especificação e parametrização de alguns blocos. Sob condições específi- cas, o RTRLib automaticamante produz os scripts de hardware e software para implementação da solução utilizando o Vivado Design Suite e o SDK. Tais scripts são compostos pelos comandos necessários para a implementação do sistema desde a criação do projeto de hardware até a criação do arquivo de boot. Uma vez que o RTRLib é composto por IP-Cores previamente caracterizados, a ferramenta também pode ser utilizada para a análise, em fase de modelagem, do sistema a ser implementado, por meio da estimação de características importantes do sistema, como o consumo de recursos e latência. O presente trabalho também inclui novas funcionalidades implementadas no RTRLib no con- texto do design de hardware e de software, como: generalização do script de hardware, mapea- mento de IO, floorplanning por meio de uma GUI, criação de um gerador de script de software, gerador de template de aplicação standalone que faz uso do partial reconfiguration controller (PRC) e implementação de uma biblioteca para aplicações FreeRTOS. Por fim, quatro estudos de casos foram implementados para demonstrar as funcionalidades da ferramenta: um sistema de classificação de terrenos baseado em redes neurais, um sistema com regressores lineares utilizado para controle de uma prótese miocinética de mão e, por último, uma aplicação hipotética de um sistema com requisitos de tempo real.Partial dynamic reconfiguration is considered an interesting technique to increase flexibility in FPGA designs due to the dynamic replacement of hardware modules while the remainder of the circuit remains in operation. It is used in systems with hard requirements such as adaptability, robustness, power consumption, cost, and fault-tolerance. However, the complexity to develop dynamically partially reconfigurable systems in considerably higher comparing with static de- signs. Therefore, new design methodologies and tools have been required to reduce the design complexity of such systems. In this context, this work presents the RTRLib, a high-level modeling tool for the development of dynamically reconfigurable systems on Xilinx Zynq devices by a simple system specification and parametrization of some blocks. Under specific conditions, RTRLib automatically generates the hardware and software scripts to implement the solution using Vivado and SDK. These scripts are composed by the sequential design steps from hardware project creation to the boot image elaboration. Since RTRLib is composed of pre-characterized IP-Cores, the tool also can be used to analyze the system behavior during the design process by the early estimation of essential characteristics of the system such as resource consumption and latency. The present work also includes the new functionalities implemented on RTRLib in the context of the hardware and the software design, such as: hardware script generalization, IO mapping, floorplanning by a GUI, software script creation, generator of a standalone template application that uses PRC, and implementation of a FreeRTOS library application. Finally, four case studies were implemented to demonstrate the tool capability: a system for terrain classification based on neuron networks, a linear regressor system used to control a myokinetic-based prosthetic hand, and a hypothetical real-time application