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

The Anthropomorphic Hand Assessment Protocol (AHAP)

The progress in the development of anthropomorphic hands for robotic and prosthetic applications has not been followed by a parallel development of objective methods to evaluate their performance. The need for benchmarking in grasping research has been recognized by the robotics community as an important topic. In this study we present the Anthropomorphic Hand Assessment Protocol (AHAP) to address this need by providing a measure for quantifying the grasping ability of artificial hands and comparing hand designs. To this end, the AHAP uses 25 objects from the publicly available Yale-CMU-Berkeley Object and Model Set thereby enabling replicability. It is composed of 26 postures/tasks involving grasping with the eight most relevant human grasp types and two non-grasping postures. The AHAP allows to quantify the anthropomorphism and functionality of artificial hands through a numerical Grasping Ability Score (GAS). The AHAP was tested with different hands, the first version of the hand of the humanoid robot ARMAR-6 with three different configurations resulting from attachment of pads to fingertips and palm as well as the two versions of the KIT Prosthetic Hand. The benchmark was used to demonstrate the improvements of these hands in aspects like the grasping surface, the grasp force and the finger kinematics. The reliability, consistency and responsiveness of the benchmark have been statistically analyzed, indicating that the AHAP is a powerful tool for evaluating and comparing different artificial hand designs

Semi-autonomous control of prosthetic hands based on multimodal sensing, human grasp demonstration and user intention

Semi-autonomous control strategies for prosthetic hands provide a promising way to simplify and improve the grasping process for the user by adopting techniques usually applied in robotic grasping. Such strategies endow prosthetic hands with the ability to autonomously select and execute grasps while keeping the user in the loop to intervene at any time for triggering, accepting or rejecting decisions taken by the controller in an intuitive and easy way. In this paper, we present a semi-autonomous control strategy that allows the user to perform fluent grasping of everyday objects based on a single EMG channel and a multi-modal sensor system embedded in the hand for object perception and autonomous grasp execution. We conduct a user study with 20 subjects to assess the effectiveness and intuitiveness of our semi-autonomous control strategy and compare it to a conventional electromyography-based control strategy. The results show that the workload is reduced by 25.9 % compared to conventional electromyographic control, the physical demand is reduced by 60 % and the grasping process is accelerated by 19.4 %

Designing Prosthetic Hands With Embodied Intelligence: The KIT Prosthetic Hands

Hand prostheses should provide functional replacements of lost hands. Yet current prosthetic hands often are not intuitive to control and easy to use by amputees. Commercially available prostheses are usually controlled based on EMG signals triggered by the user to perform grasping tasks. Such EMG-based control requires long training and depends heavily on the robustness of the EMG signals. Our goal is to develop prosthetic hands with semi-autonomous grasping abilities that lead to more intuitive control by the user. In this paper, we present the development of prosthetic hands that enable such abilities as first results toward this goal. The developed prostheses provide intelligent mechatronics including adaptive actuation, multi-modal sensing and on-board computing resources to enable autonomous and intuitive control. The hands are scalable in size and based on an underactuated mechanism which allows the adaptation of grasps to the shape of arbitrary objects. They integrate a multi-modal sensor system including a camera and in the newest version a distance sensor and IMU. A resource-aware embedded system for in-hand processing of sensory data and control is included in the palm of each hand. We describe the design of the new version of the hands, the female hand prosthesis with a weight of 377 g, a grasping force of 40.5 N and closing time of 0.73 s. We evaluate the mechatronics of the hand, its grasping abilities based on the YCB Gripper Assessment Protocol as well as a task-oriented protocol for assessing the hand performance in activities of daily living. Further, we exemplarily show the suitability of the multi-modal sensor system for sensory-based, semi-autonomous grasping in daily life activities. The evaluation demonstrates the merit of the hand concept, its sensor and in-hand computing systems

Kommunaler Investitionsbedarf im Freistaat Sachsen: Befragung 2016

Öffentliche Investitionen sind von großer Bedeutung für die Entwicklung des Wohlstands und des Wachstumspotenzials einer Volkswirtschaft. Ein Großteil der öffentlichen Investitionen wird hierbei traditionell von den Kommunen getragen. Dieser Anteil hat sich jedoch über die vergangenen gut 20 Jahre stark rückläufig entwickelt. Zudem reicht die kommunale Bruttoinvestitionstätigkeit seit 2003 nicht mehr aus, um die fortlaufende Abnutzung der Infrastruktur zu kompensieren. Da davon ausgegangen werden kann, dass ausbleibende Investitionen in die Infrastruktur zu einem späteren Zeitpunkt nachgeholt werden müssen, wird in der wirtschaftspolitischen Diskussion häufig von einem kommunalen Investitions- und Sanierungsstau gesprochen. Dieser geht noch über den Verzehr des vorhandenen Vermögens hinaus und beinhaltet auch weitergehende Investitionsbedarfe zur Begegnung gegenwärtiger Herausforderungen. Auf Grundlage der eigenen Datenerhebung des KIS ist der Investitionsbedarf in den kommunalen Kernhaushalten im Freistaat Sachsen in den nächsten fünf Jahren (2016-2020) auf insgesamt 6,48 Milliarden Euro zu schätzen. Die höchsten Investitionsbedarfe bestehen in den Bereichen Verkehr (23 %) und Schule (15 %). Es folgenSiedlungswasserwirtschaft/Gewässerinfrastruktur (12 %) und Sport-/Freizeiteinrichtungen (9 %). Der Anteil für Kindertagesstätten fällt mit 7 Prozent vergleichsweise gering aus. Im Rahmen der Befragung wurde zusätzlich zwischen Investitions- und Instandhaltungsbedarfen differenziert. Dies ist gerade im Kontext der kommunalen Doppik von besonderer Relevanz. Der Instandhaltungsbedarf in den nächsten fünf Jahren ist auf rund 1,38 Milliarden Euro zu beziffern. Die anteilige Zusammensetzung nach Aufgabenbereichen gestaltet sich dabei überwiegend ähnlich zu der des Investitionsbedarfs. Eine Ausnahme bildet der Bereich Verkehr, auf den gut ein Drittel des geschätzten Instandhaltungsbedarfs entfällt. Die tatsächlichen Investitionen der sächsischen Kommunen entwickeln sich seit einigen Jahren rückläufig. Seit 2013 liegt das kommunale Investitionsniveau im Freistaat Sachsen zudem im Gegensatz zu den Vorjahren nicht mehr über dem Bundesdurchschnitt, obwohl die ostdeutschen Länder und Kommunen als Gesamtheit noch bis einschließlich 2019 durch den Solidarpakt II eine überdurchschnittliche Finanzausstattung erhalten. Insofern ist auch hier ein Substanzverzehr zu vermuten. Um in den nächsten Jahren keinen weiteren Nachholbedarf aufzubauen, sollte das künftige Investitionsverhalten der Kommunen deshalb zumindest verstetigt werden. Die Ergebnisse der Studie zeigen zudem, dass die meisten Kommunen Investitionen erst mit Hilfe von Fördermitteln realisieren können. Darüber hinaus sind insbesondere kleinere Kommunen auf die Einbindung externen Sachverstandes angewiesen. Unterstützungsbedarf besteht dabei in allen Phasen des Lebenszyklus, insbesondere bei bautechnischen, betriebswirtschaftlichen und vergaberechtlichen Fragen

Global urban environmental change drives adaptation in white clover

Urbanization transforms environments in ways that alter biological evolution. We examined whether urban environmental change drives parallel evolution by sampling 110,019 white clover plants from 6169 populations in 160 cities globally. Plants were assayed for a Mendelian antiherbivore defense that also affects tolerance to abiotic stressors. Urban-rural gradients were associated with the evolution of clines in defense in 47% of cities throughout the world. Variation in the strength of clines was explained by environmental changes in drought stress and vegetation cover that varied among cities. Sequencing 2074 genomes from 26 cities revealed that the evolution of urban-rural clines was best explained by adaptive evolution, but the degree of parallel adaptation varied among cities. Our results demonstrate that urbanization leads to adaptation at a global scale