A quantitative taxonomy of human hand grasps

Background: A proper modeling of human grasping and of hand movements is fundamental for robotics, prosthetics, physiology and rehabilitation. The taxonomies of hand grasps that have been proposed in scientific literature so far are based on qualitative analyses of the movements and thus they are usually not quantitatively justified. Methods: This paper presents to the best of our knowledge the first quantitative taxonomy of hand grasps based on biomedical data measurements. The taxonomy is based on electromyography and kinematic data recorded from 40 healthy subjects performing 20 unique hand grasps. For each subject, a set of hierarchical trees are computed for several signal features. Afterwards, the trees are combined, first into modality-specific (i.e. muscular and kinematic) taxonomies of hand grasps and then into a general quantitative taxonomy of hand movements. The modality-specific taxonomies provide similar results despite describing different parameters of hand movements, one being muscular and the other kinematic. Results: The general taxonomy merges the kinematic and muscular description into a comprehensive hierarchical structure. The obtained results clarify what has been proposed in the literature so far and they partially confirm the qualitative parameters used to create previous taxonomies of hand grasps. According to the results, hand movements can be divided into five movement categories defined based on the overall grasp shape, finger positioning and muscular activation. Part of the results appears qualitatively in accordance with previous results describing kinematic hand grasping synergies. Conclusions: The taxonomy of hand grasps proposed in this paper clarifies with quantitative measurements what has been proposed in the field on a qualitative basis, thus having a potential impact on several scientific fields

Enhancing Generalizable 6D Pose Tracking of an In-Hand Object with Tactile Sensing

While holding and manipulating an object, humans track the object states through vision and touch so as to achieve complex tasks. However, nowadays the majority of robot research perceives object states just from visual signals, hugely limiting the robotic manipulation abilities. This work presents a tactile-enhanced generalizable 6D pose tracking design named TEG-Track to track previously unseen in-hand objects. TEG-Track extracts tactile kinematic cues of an in-hand object from consecutive tactile sensing signals. Such cues are incorporated into a geometric-kinematic optimization scheme to enhance existing generalizable visual trackers. To test our method in real scenarios and enable future studies on generalizable visual-tactile tracking, we collect a real visual-tactile in-hand object pose tracking dataset. Experiments show that TEG-Track significantly improves state-of-the-art generalizable 6D pose trackers in both synthetic and real cases

Planning and estimation algorithms for human-like grasping

Mención Internacional en el título de doctorThe use of robots in human-like environments requires them to be able to sense and model unstructured scenarios. Thus, their success will depend on their versatility for interacting with the surroundings. This interaction often includes manipulation of objects for accomplishing common daily tasks. Therefore, robots need to sense, understand, plan and perform; and this has to be a continuous loop. This thesis presents a framework which covers most of the phases encountered in a common manipulation pipeline. First, it is shown how to use the Fast Marching Squared algorithm and a leader-followers strategy to control a formation of robots, simplifying a high dimensional path-planning problem. This approach is evaluated with simulations in complex environments in which the formation control technique is applied. Results are evaluated in terms of distance to obstacles (safety) and the needed deformation. Then, a framework to perform the grasping action is presented. The necessary techniques for environment modelling and grasp synthesis and path planning and control are presented. For the motion planning part, the formation concept from the previous chapter is recycled. This technique is applied to the planning and control of the movement of a complex hand-arm system. Tests using robot Manfred show the possibilities of the framework when performing in real scenarios. Finally, under the assumption that the grasping actions may not always result as it was previously planned, a Bayesian-based state-estimation process is introduced to estimate the final in-hand object pose after a grasping action is done, based on the measurements of proprioceptive and tactile sensors. This approach is evaluated in real experiments with Reex Takktile hand. Results show good performance in general terms, while suggest the need of a vision system for a more precise outcome.La investigación en robótica avanza con la intención de evolucionar hacia el uso de los robots en entornos humanos. A día de hoy, su uso está prácticamente limitado a las fábricas, donde trabajan en entornos controlados realizando tareas repetitivas. Sin embargo, estos robots son incapaces de reaccionar antes los más mínimos cambios en el entorno o en la tarea a realizar. En el grupo de investigación del Roboticslab se ha construido un manipulador móvil, llamado Manfred, en el transcurso de los últimos 15 años. Su objetivo es conseguir realizar tareas de navegación y manipulación en entornos diseñados para seres humanos. Para las tareas de manipulación y agarre, se ha adquirido recientemente una mano robótica diseñada en la universidad de Gifu, Japón. Sin embargo, al comienzo de esta tesis, no se había realzado ningún trabajo destinado a la manipulación o el agarre de objetos. Por lo tanto, existe una motivación clara para investigar en este campo y ampliar las capacidades del robot, aspectos tratados en esta tesis. La primera parte de la tesis muestra la aplicación de un sistema de control de formaciones de robots en 3 dimensiones. El sistema explicado utiliza un esquema de tipo líder-seguidores, y se basa en la utilización del algoritmo Fast Marching Square para el cálculo de la trayectoria del líder. Después, mientras el líder recorre el camino, la formación se va adaptando al entorno para evitar la colisión de los robots con los obstáculos. El esquema de deformación presentado se basa en la información sobre el entorno previamente calculada con Fast Marching Square. El algoritmo es probado a través de distintas simulaciones en escenarios complejos. Los resultados son analizados estudiando principalmente dos características: cantidad de deformación necesaria y seguridad de los caminos de los robots. Aunque los resultados son satisfactorios en ambos aspectos, es deseable que en un futuro se realicen simulaciones más realistas y, finalmente, se implemente el sistema en robots reales. El siguiente capítulo nace de la misma idea, el control de formaciones de robots. Este concepto es usado para modelar el sistema brazo-mano del robot Manfred. Al igual que en el caso de una formación de robots, el sistema al completo incluye un número muy elevado de grados de libertad que dificulta la planificación de trayectorias. Sin embargo, la adaptación del esquema de control de formaciones para el brazo-mano robótico nos permite reducir la complejidad a la hora de hacer la planificación de trayectorias. Al igual que antes, el sistema se basa en el uso de Fast Marching Square. Además, se ha construido un esquema completo que permite modelar el entorno, calcular posibles posiciones para el agarre, y planificar los movimientos para realizarlo. Todo ello ha sido implementado en el robot Manfred, realizando pruebas de agarre con objetos reales. Los resultados muestran el potencial del uso de este esquema de control, dejando lugar para mejoras, fundamentalmente en el apartado de la modelización de objetos y en el cálculo y elección de los posibles agarres. A continuación, se trata de cerrar el lazo de control en el agarre de objetos. Una vez un sistema robótico ha realizado los movimientos necesarios para obtener un agarre estable, la posición final del objeto dentro de la mano resulta, en la mayoría de las ocasiones, distinta de la que se había planificado. Este hecho es debido a la acumulación de fallos en los sistemas de percepción y modelado del entorno, y los de planificación y ejecución de movimientos. Por ello, se propone un sistema Bayesiano basado en un filtro de partículas que, teniendo en cuenta la posición de la palma y los dedos de la mano, los datos de sensores táctiles y la forma del objeto, estima la posición del objeto dentro de la mano. El sistema parte de una posición inicial conocida, y empieza a ejecutarse después del primer contacto entre los dedos y el objeto, de manera que sea capaz de detectar los movimientos que se producen al realizar la fuerza necesaria para estabilizar el agarre. Los resultados muestran la validez del método. Sin embargo, también queda claro que, usando únicamente la información táctil y de posición, hay grados de libertad que no se pueden determinar, por lo que, para el futuro, resultaría aconsejable la combinación de este sistema con otro basado en visión. Finalmente se incluyen 2 anexos que profundizan en la implementación de la solución del algoritmo de Fast Marching y la presentación de los sistemas robóticos reales que se han usado en las distintas pruebas de la tesis.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Carlos Balaguer Bernaldo de Quirós.- Secretario: Raúl Suárez Feijoo.- Vocal: Pedro U. Lim

Reaching Performance in Heathy Individuals and Stroke Survivors Improves after Practice with Vibrotactile State Feedback

Stroke causes deficits of cognition, motor, and/or somatosensory functions. These deficits degrade the capability to perform activities of daily living (ADLs). Many research investigations have focused on mitigating the motor deficits of stroke through motor rehabilitation. However, somatosensory deficits are common and may contribute importantly to impairments in the control of functional arm movement. This dissertation advances the goal of promoting functional motor recovery after stroke by investigating the use of a vibrotactile feedback (VTF) body-machine interface (BMI). The VTF BMI is intended to improve control of the contralesional arm of stroke survivors by delivering supplemental limb-state feedback to the ipsilesional arm, where somatosensory feedback remains intact. To develop and utilize a VTF BMI, we first investigated how vibrotactile stimuli delivered on the arm are perceived and discriminated. We determined that stimuli are better perceived sequentially than those delivered simultaneously. Such stimuli can propagate up to 8 cm from the delivery site, so future applications should consider adequate spacing between stimulation sites. We applied these findings to create a multi-channel VTF interface to guide the arm in the absence of vision. In healthy people, we found that short-term practice, less than 2.5 hrs, allows for small improvements in the accuracy of horizontal planar reaching. Long-term practice, about 10 hrs, engages motor learning such that the accuracy and efficiency of reaching is improved and cognitive loading of VTF-guided reaching is reduced. During practice, participants adopted a movement strategy whereby BMI feedback changed in just one channel at a time. From this observation, we sought to develop a practice paradigm that might improve stroke survivors’ learning of VTF-guided reaching without vision. We investigated the effects of practice methods (whole practice vs part practice) in stroke survivors’ capability to make VTF-guided arm movements. Stroke survivors were able to improve the accuracy of VTF-guided reaching with practice, however there was no inherent differences between practice methods. In conclusion, practice on VTF-guided 2D reaching can be used by healthy people and stroke survivors. Future studies should investigate long-term practice in stroke survivors and their capability to use VTF BMIs to improve performance of unconstrained actions, including ADLs

Synergy-Based Human Grasp Representations and Semi-Autonomous Control of Prosthetic Hands

Das sichere und stabile Greifen mit humanoiden Roboterhänden stellt eine große Herausforderung dar. Diese Dissertation befasst sich daher mit der Ableitung von Greifstrategien für Roboterhände aus der Beobachtung menschlichen Greifens. Dabei liegt der Fokus auf der Betrachtung des gesamten Greifvorgangs. Dieser umfasst zum einen die Hand- und Fingertrajektorien während des Greifprozesses und zum anderen die Kontaktpunkte sowie den Kraftverlauf zwischen Hand und Objekt vom ersten Kontakt bis zum statisch stabilen Griff. Es werden nichtlineare posturale Synergien und Kraftsynergien menschlicher Griffe vorgestellt, die die Generierung menschenähnlicher Griffposen und Griffkräfte erlauben. Weiterhin werden Synergieprimitive als adaptierbare Repräsentation menschlicher Greifbewegungen entwickelt. Die beschriebenen, vom Menschen gelernten Greifstrategien werden für die Steuerung robotischer Prothesenhände angewendet. Im Rahmen einer semi-autonomen Steuerung werden menschenähnliche Greifbewegungen situationsgerecht vorgeschlagen und vom Nutzenden der Prothese überwacht