Analysis of existing sensors and circuits used for surface recognition in prosthetic devices

This paper analyzes the existing sensors and schemes of their placement in the body of the phalanx, which are used to reproduce the natural sensory in bionic prostheses of the upper extremities. The main types of sensors and their combinations which are used for feedback reproduction in bionic devices are identified and the main requirements to be considered in the process of creation of the measured module are highlighted

Угловая фотометрия биологических тканей методом эллипсоидальных рефлекторов

Angular measurements in optics of biological tissues are used for different applied spectroscopic task for roughness surface control, define of refractive index and for research of optical properties. Purpose of the research is investigation of the reflectance of biologic tissues by the ellipsoidal reflector method under the variable angle of the incident radiation.The research investigates functional features of improved photometry method by ellipsoidal reflectors. The photometric setup with mirror ellipsoid of revolution in reflected light was developed. Theoretical foundations of the design of an ellipsoidal reflector with a specific slot to ensure the input of laser radiation into the object area were presented. Analytical solution for calculating the angles range of incident radiation depending on the eccentricity and focal parameter of the ellipsoid are obtained. Also created the scheme of image processing at angular photometry by ellipsoidal reflector.The research represents results of experimental series for samples of muscle tissues at wavelengths 405 nm, 532 nm, 650 nm. During experiment there were received photometric images on the equipment with such parameters: laser beam incident angles range 12.5–62.5°, ellipsoidal reflector eccentricity 0.6, focal parameter 18 mm, slot width 8 mm.The nature of light scattering by muscle tissues at different wavelengths was represented by graphs for the collimated reflection area. The investigated method allows qualitative estimation of influence of internal or surface layers of biologic tissues optical properties on the light scattering under variable angles of incident radiation by the shape of zone of incident light.Угловые измерения в оптике биологических тканей широко применяются для решения различных прикладных спектроскопических задач для контроля шероховатой поверхности, определения показателя преломления, а также для изучения оптических свойств. Целью данной работы являлось исследование отражающей способности биологических тканей методом зеркальных эллипсоидов вращения при переменных углах падения зондирующего изучения.В работе исследуются функциональные возможности усовершенствованного метода фотометрии эллипсоидальными рефлекторами. Разработана и представлена установка для фотометрии зеркальным эллипсоидом вращения в отраженном свете. Для обеспечения работы метода представлены теоретические основы конструирования эллипсоидального рефлектора с характерным пазом для обеспечения ввода лазерного излучения в исследуемую область. Получены аналитические выражения для вычисления диапазона углов падающего излучения в зависимости от эксцентриситета и фокального параметра эллипсоида. Также представлена усовершенствованная схема обработки изображений, получаемых при угловой фотометрии эллипсоидальными рефлекторами.Представлены результаты серии экспериментальных исследований для мышечной ткани на длинах волн 405 нм, 532 нм и 650 нм. В ходе эксперимента были получены фотометрические изображения при использовании фотометра со следующими конструктивными параметрами: диапазон угла падения лазерного излучения 12.5–62.5°, эксцентриситет эллипсоидального рефлектора 0,6, фокальный параметр 18 мм и ширина паза 8 мм.Характер светорассеяния мышечными тканями на различных длинах волн представлен графиками для зоны коллимированного отражения. При этом форма зоны падающего потока позволяет оценить влияние оптических свойств внутреннего или приповерхностного слоя биологической тканине на светорассеяние при различных углах падения

Оптическая обратная связь на основе фотометрии эллипсоидальными рефлекторами в бионических протезах пальцев

Проблематика. Особливості ефективного розпізнавання типів поверхонь при взаємодії пальців протеза з об’єктами маніпуляції та організація системи оптичного зворотного зв’язку в модулі керування біонічної кінцівки. Мета дослідження. Розробка й апробація методу організації оптичного зворотного зв’язку для систем біонічних протезів пальців рук людини. Методика реалізації. Створена система оптичного зворотного зв’язку базується на мікроконтролерному вимірювальному пристрої з інфрачервоним оптичним випромінювачем і сенсором, еліпсоїдальному рефлекторі та штучній нейронній мережі. Результати дослідження. Здійснено порівняння ефективності застосування системи оптичного зворотного зв’язку з використанням еліпсоїдального рефлектора та без нього. Аналіз проведено класифікацією набору із дванадцяти, одинадцяти та десяти видів поверхонь досліджуваних зразків за допомогою штучної нейронної мережі. Отримана точність розпізнавання поверхонь при використанні системи без еліпсоїдального рефлектора становила 77, 82 і 87 % відповідно. Своєю чергою точність розпізнавання зразків поверхонь при застосуванні еліпсоїдального рефлектора становила 94, 98 і 100 % відповідно, що засвідчує можливість подальшого використання системи на основі фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами для організації складових частин або повноцінних модулів зворотного зв’язку біонічних пальців. Висновки. У роботі запропоновано систему організації оптичного зворотного зв’язку на базі оптичного випромінювача і сенсора, еліпсоїдального рефлектора та штучної нейронної мережі для розпізнавання виду окремих поверхонь, з якими можуть взаємодіяти пальці біонічного протеза. Запропонована система показала прийняту достовірність розпізнавання обмеженого набору досліджуваних зразків, а ефективність її застосування може бути підвищена завдяки використанню масиву сенсорів та більш широкої вибірки даних для тренування.Background. The investigation focus is the specificity of effective recognition of surface types during the interaction between finger prosthesis and manipulation objects, and organization of optical feedback system in the control module of bionic limb. Objective. The purpose of the paper is development and testing of method of optical feedback organization in the systems of bionic prostheses of human hand fingers. Methods. The developed system of optical feedback is based on the microcontroller measuring device with infrared (IR) optical emitter and sensor, ellipsoidal reflector, and artificial neural network. Results. During the research the comparison of application effectivity of optical feedback system with ellipsoidal reflector and without one was performed. The analysis was performed by classification of set with twelve, eleven, and ten types of surfaces of investigated specimens with the means of artificial neural network. The obtained accuracy of surface recognition for the system without an ellipsoidal reflector was 77%, 82% and 87%. In turn, the accuracy of surface recognition in the application of the ellipsoidal reflector was 94%, 98%, and 100%, correspondingly. Such results prove the possibility of further use of the photometry system by ellipsoidal reflectors for organization of constructive parts or complete feedback modules of the bionic fingers. Conclusions. The organization system of optical feedback based on optical emitter and sensor, ellipsoidal reflectors and artificial neural network for recognition of kinds of separate surfaces, with which can interact bionic prostheses fingers is proposed. The proposed system proved the certainty in recognition of limited set of investigated specimens. The efficiency of such system can be improved by using sensors array and wider data set for training.Проблематика. Особенности эффективного распознавания типов поверхностей при взаимодействии пальцев протеза с объектами манипуляции и организация системы оптической обратной связи в модуле управления бионической конечности. Цель исследования. Разработка и апробация метода организации оптической обратной связи для систем бионических протезов пальцев рук человека. Методика реализации. Созданная система оптической обратной связи базируется на микроконтроллерном измерительном устройстве с инфракрасным оптическим излучателем и сенсором, эллипсоидальном рефлекторе и искусственной нейронной сети. Результаты исследования. Проведено сравнение эффективности применения системы оптической обратной связи с использованием эллипсоидального рефлектора и без него. Анализ проведен путем классификации набора из двенадцати, одиннадцати и десяти видов поверхностей исследуемых образцов с помощью искусственной нейронной сети. Полученная точность распознавания поверхностей при использовании системы без эллипсоидального рефлектора составила 77, 82 и 87 % соответственно. В свою очередь точность распознавания образцов поверхностей при применении эллипсоидального рефлектора составила 94, 98 и 100 % соответственно, что свидетельствует о возможности дальнейшего использования системы на основе фотометрии эллипсоидальными рефлекторами для организации составных частей или полноценных модулей обратной связи бионических пальцев. Выводы. В работе предложена система организации оптической обратной связи на базе оптического излучателя и сенсора, эллипсоидального рефлектора и искусственной нейронной сети для распознавания типов отдельных поверхностей, с которыми могут взаимодействовать пальцы бионического протеза. Предложенная система показала достаточную достоверность распознавания ограниченного набора исследуемых образцов, а эффективность ее применения может быть повышена путем использования массива сенсоров и более широкой выборки данных для тренировки

Угловая фотометрия биологических тканей методом эллипсоидальных рефлекторов

Angular measurements in optics of biological tissues are used for different applied spectroscopic task for roughness surface control, define of refractive index and for research of optical properties. Purpose of the research is investigation of the reflectance of biologic tissues by the ellipsoidal reflector method under the variable angle of the incident radiation. The research investigates functional features of improved photometry method by ellipsoidal reflectors. The photometric setup with mirror ellipsoid of revolution in reflected light was developed. Theoretical foundations of the design of an ellipsoidal reflector with a specific slot to ensure the input of laser radiation into the object area were presented. Analytical solution for calculating the angles range of incident radiation depending on the eccentricity and focal parameter of the ellipsoid are obtained. Also created the scheme of image processing at angular photometry by ellipsoidal reflector. The research represents results of experimental series for samples of muscle tissues at wavelengths 405 nm, 532 nm, 650 nm. During experiment there were received photometric images on the equipment with such parameters: laser beam incident angles range 12.5–62.5°, ellipsoidal reflector eccentricity 0.6, focal parameter 18 mm, slot width 8 mm. The nature of light scattering by muscle tissues at different wavelengths was represented by graphs for the collimated reflection area. The investigated method allows qualitative estimation of influence of internal or surface layers of biologic tissues optical properties on the light scattering under variable angles of incident radiation by the shape of zone of incident light

Оценивание временных характеристик электромиограммы функциональных движений кисти руки для интуитивного управления бионическим протезом

Проблематика. Особливості оцінки часових характеристик (TDF-характеристик) поверхневої електроміограми при виконанні функціональних рухів кисті руки та можливість їх імплементації в системі інтуїтивного керування біонічним протезом кінцівки. Мета дослідження. Розробка аналітичної моделі оцінки TDF-характеристик міографічних сигналів для базових функціональних рухів кисті та пальців пацієнта, а також дослідження можливостей її впровадження як базису для непараметричного методу класифікації. Методика реалізації. Створено одноканальну мікроконтролерну інформаційно-вимірювальну систему для реєстрації поверхневої електроміограми і розроблено аналітичну модель оцінки її TDF-характеристик на основі використання показників дисперсії та трапецоїдного інтеграла. Результати дослідження. З використанням методу k-NN-класифікації виміряного сигналу перевірено розроблену модель при аналізі нормалізованих і ненормалізованих даних розпізнавання функціональних рухів пальців кисті руки. Гранична отримана точність класифікації рухів становила 86,11 % і є прийнятною для використання при розробці методів автоматичного управління в системах керування біонічними протезами верхніх кінцівок або пальців рук. Висновки. Запропоновано аналітичну модель оцінки TDF-характеристик міографічних сигналів для базових функціональних рухів кисті руки на основі одноканальної вимірювальної системи та простого методу машинної класифікації. Ця модель є ефективною при роботі з невеликим набором характеристик сигналу та обмеженою кількістю вхідних даних, а точність її класифікації може бути підвищена при використанні більш широкої вибірки даних для навчання.Background. Time evaluation features of characteristics (TDF-characteristics) of a surface electromyogram when performing the palm functional movements and the possibility of their implementation in the bionic prosthetic limb intuitive control system. Objective. The aim of the paper is to develop the analytical model for evaluating the TDF-characteristics of myographic signals for basic functional movements of the patient’s wrist and fingers, as well as studying the possibilities of its implementation as a basis for non-parametric method of classification. Methods. A one-channel microcontroller based information measuring system was created for the registration of a surface electromyogram. The analytical model for evaluating its TDF-characteristics based on the use of variance and trapezoidal integral features was developed. Results. The developed model was tested using the method of k-NN classification of the measured signal in the analysis of normalized and non-normalized data of recognition of the fingers’ functional movements. The accuracy of movement classification was 86.11 % and is acceptable for use in the development of methods for automatic control in the control systems of bionic prosthetics of the upper limbs or fingers. Conclusions. The analytical model for evaluating the TDF-characteristics of myographic signals for the wrist basic functional movements based on one-channel measuring system and a simple method of machine learning technique were proposed in the study. The proposed model is effective when working with a small set of signal characteristics and a limited amount of input data, and its classification accuracy can be increased by using a wider sample of data for training.Проблематика. Особенности оценки временных характеристик (TDF-характеристик) поверхностной электромиограммы при выполнении функциональных движений кисти руки и возможность их имплементации в системе интуитивного управления бионическим протезом конечности. Цель исследования. Разработка аналитической модели оценки TDF-характеристик миографических сигналов для базовых функциональных движений кисти и пальцев пациента, а также исследование возможностей ее внедрения в качестве базиса для непараметрического метода классификации. Методика реализации. Создана одноканальная микроконтроллерная информационно-измерительная система для регистрации поверхностной электромиограммы, и разработана аналитическая модель оценки ее TDF-характеристик на основе использования показателей дисперсии и трапецеидального интеграла. Результаты исследования. С использованием метода k-NN-классификации измеренного сигнала проверена разработанная модель при анализе нормализованных и ненормализованных данных распознавания функциональных движений пальцев кисти руки. Предельная полученная точность классификации движений составила 86,11 % и является приемлемой для использования при разработке методов автоматического управления в системах управления бионическими протезами верхних конечностей или пальцев рук. Выводы. В работе предложена аналитическая модель оценки TDF-характеристик миографических сигналов для базовых функциональных движений кисти руки на основе одноканальной измерительной системы и простого метода машинной классификации. Предложенная модель является эффективной при работе с небольшим набором характеристик сигнала и ограниченным количеством входных данных, а точность ее классификации может быть повышена при использовании более широкой выборки данных для обучения