Development and optimization of a low-cost myoelectric upper limb prosthesis

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lopes, Ema de Matos Castanheira e
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/53642
Resumo: Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
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spelling Development and optimization of a low-cost myoelectric upper limb prosthesisSinais MioelétricosPróteses do Membro SuperiorControlo por Reconhecimento de PadrõesImpressão 3DAlgoritmos de Aprendizagem AutomáticaTeses de mestrado - 2022Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasIn recent years, the increase in the number of accidents, chronic diseases, such as diabetes, and the impoverishment of certain developing countries have contributed to a significant increase in prostheses users. The loss of a particular limb entails numerous changes in the daily life of each user, which are amplified when the user loses their hand. Therefore, replacing the hand is an urgent necessity. Developing upper limb prostheses will allow the re-establishment of the physical and motor functions of the upper limb as well as reduction of the rates of depression. Therefore, the prosthetic industry has been reinventing itself and evolving. It is already possible to control a prosthesis through the user's myoelectric signals, control known as pattern recognition control. In addition, additive manufacturing technologies such as 3D printing have gained strength in prosthetics. The use of this type of technology allows the product to reach the user much faster and reduces the weight of the devices, making them lighter. Despite these advances, the rejection rate of this type of device is still high since most prostheses available on the market are slow, expensive and heavy. Because of that, academia and institutions have been investigating ways to overcome these limitations. Nevertheless, the dependence on the number of acquisition channels is still limiting since most users do not have a large available forearm surface area to acquire the user’s myoelectric signals. This work intends to solve some of these problems and answer the questions imposed by the industry and researchers. The main objective is to test if developing a subject independent, fast and simple microcontroller is possible. Subsequently, we recorded data from forty volunteers through the BIOPAC acquisition system. After that, the signals were filtered through two different processes. The first was digital filtering and the application of wavelet threshold noise reduction. Later, the signal was divided into smaller windows (100 and 250 milliseconds) and thirteen features were extracted in the temporal domain. During all these steps, the MatLab® software was used. After extraction, three feature selection methods were used to optimize the classification process, where machine learning algorithms are implemented. The classification was divided into different parts. First, the classifier had to distinguish whether the volunteer was making some movement or was at rest. In the case of detected movement, the classifier would have to, on a second level, try to understand if they were moving only one finger or performing a movement that involved the flexion of more than one finger (grip). If the volunteer was performing a grip on the third level, the classifier would have to identify whether the volunteer was performing a spherical or triad grip. Finally, to understand the influence of the database on the classification, two methods were used: cross-validation and split validation. After analysing the results, the e-NABLE Unlimbited arm was printed on The Original Prusa i3 MK3, where polylactic acid (PLA) was used. This dissertation showed that the results obtained in the 250-millisecond window were better than the obtained ones in a 100-millisecond window. In general, the best classifier was the K-Nearest Neighbours (KNN) with k=2, except for the first level that was LDA. The best results were obtained for the first classification level, with an accuracy greater than 90%. Although the results obtained for the second and third levels were close to 80%, it was concluded that it was impossible to develop a microcontroller dependent only on one acquisition channel. These results agree with the anatomical characteristics since they are originated from the same muscle group. The cross-validation results were lower than those obtained in the training-test methodology, which allowed us to conclude that the inter variability that exists between the subjects significantly affects the classification performance. Furthermore, both the dominant and non-dominant arms were used in this work, which also increased the discrepancy between signals. Indeed, the results showed that it is impossible to develop a microcontroller adaptable to all users. Therefore, in the future, the best path will be to opt for the customization of the prototype. In order to test the implementation of a microcontroller in the printed model, it was necessary to design a support structure in Solidworks that would support the motors used to flex the fingers and Arduino to control the motors. Consequently, the e-NABLE model was re adapted, making it possible to develop a clinical training prototype. Even though it is a training prototype, it is lighter than those on the market and cheaper. The objectives of this work have been fulfilled and many answers have been given. However, there is always space for improvement. Although, this dissertation has some limitations, it certainly contributed to clarify many of the doubts that still exist in the scientific community. Hopefully, it will help to further develop the prosthetic industry.Nos últimos anos, o aumento do número de acidentes por doenças crónicas, como, por exemplo, a diabetes, e o empobrecimento de determinados países em desenvolvimento têm contribuído para um aumento significativo no número de utilizadores de próteses. A perda de um determinado membro acarreta inúmeras mudanças no dia-a-dia de cada utilizador. Estas são amplificadas quando a perda é referente à mão ou parte do antebraço. A mão é uma ferramenta essencial no dia-a-dia de cada ser humano, uma vez que é através dela que são realizadas as atividades básicas, como, por exemplo, tomar banho, lavar os dentes, comer, preparar refeições, etc. A substituição desta ferramenta é, portanto, uma necessidade, não só porque permitirá restabelecer as funções físicas e motoras do membro superior, como, também, reduzirá o nível de dependência destes utilizadores de outrem e, consequentemente, das taxas de depressão. Para colmatar as necessidades dos utilizadores, a indústria prostética tem-se reinventado e evoluído, desenvolvendo próteses para o membro superior cada vez mais sofisticadas. Com efeito, já é possível controlar uma prótese através da leitura e análise dos sinais mioelétricos do próprio utilizador, o que é denominado por muitos investigadores de controlo por reconhecimento de padrões. Este tipo de controlo é personalizável e permite adaptar a prótese a cada utilizador. Para além do uso de sinais elétricos provenientes do musculo do utilizador, a impressão 3D, uma técnica de manufatura aditiva, têm ganho força no campo da prostética. Por conseguinte, nos últimos anos os investigadores têm impresso inúmeros modelos com diferentes materiais que vão desde o uso de termoplásticos, ao uso de materiais flexíveis. A utilização deste tipo de tecnologia permite, para além de uma rápida entrega do produto ao utilizador, uma diminuição no tempo de construção de uma prótese tornando-a mais leve e barata. Além do mais, a impressão 3D permite criar protótipos mais sustentáveis, uma vez que existe uma redução na quantidade de material desperdiçado. Embora já existam inúmeras soluções, a taxa de rejeição deste tipo de dispositivos é ainda bastante elevada, uma vez que a maioria das próteses disponíveis no mercado, nomeadamente as mioelétricas, são lentas, caras e pesadas. Ainda que existam alguns estudos que se debrucem neste tipo de tecnologias, bem como na sua evolução científica, o número de elétrodos utilizados é ainda significativo. Desta forma, e, tendo em conta que a maioria dos utilizadores não possuí uma área de superfície do antebraço suficiente para ser feita a aquisição dos sinais mioelétricos, o trabalho feito pela academia não se revelou tão contributivo para a indústria prostética como este prometia inicialmente. Este trabalho pretende resolver alguns desses problemas e responder às questões mais impostas pela indústria e investigadores, para que, no futuro, o número de utilizadores possa aumentar, assim como o seu índice de satisfação relativamente ao produto. Para tal, recolheram-se os sinais mioelétricos de quarenta voluntários, através do sistema de aquisição BIOPAC. Após a recolha, filtraram-se os sinais de seis voluntários através de dois processos diferentes. No primeiro, utilizaram-se filtros digitais e no segundo aplicou-se a transformada de onda para a redução do ruído. De seguida, o sinal foi segmentado em janelas mais pequenas de 100 e 250 milissegundos e extraíram-se treze features no domínio temporal. Para que o processo de classificação fosse otimizado, foram aplicados três métodos de seleção de features. A classificação foi dividida em três níveis diferentes nos quais dois algoritmos de aprendizagem automática foram implementados, individualmente. No primeiro nível, o objetivo foi a distinção entre os momentos em que o voluntário fazia movimento ou que estava em repouso. Caso o output do classificador fosse a classe movimento, este teria de, num segundo nível, tentar perceber se o voluntário estaria a mexer apenas um dedo ou a realizar um movimento que envolvesse a flexão de mais de que um dedo (preensão). No caso de uma preensão, passava-se ao terceiro nível onde o classificador teria de identificar se o voluntário estaria a realizar a preensão esférica ou em tríade. Para todos os níveis de classificação, obtiveram-se resultados para o método de validação cruzada e o método de teste e treino, sendo que neste, 70% dos dados foram utilizados como conjunto de treino e 30% como teste. Efetuada a análise dos resultados, escolheu-se um dos modelos da comunidade e-NABLE. O modelo foi impresso na impressora The Original Prusa i3 MK3S e o material escolhido foi o ácido poliláctico (PLA). Para que fosse possível testar a implementação de um microcontrolador num modelo que originalmente depende da flexão do cotovelo realizada pelo utilizador, foi necessário desenhar uma estrutura de suporte que suportasse, não só os motores utilizados para flexionar os dedos, como, também, o Arduíno. O suporte desenhado foi impresso com o mesmo material e com a mesma impressora. Os resultados obtidos mostraram que a janela de 250 milissegundo foi a melhor e que, regra geral, o melhor classificador é o K-Nearest Neighbors (KNN) com k=2, com exceção do primeiro nível, em que o melhor classificador foi o Linear Discriminant Analysis (LDA). Os melhores resultados obtiveram-se no primeiro nível de classificação onde a accuracy foi superior a 90%. Embora os resultados obtidos para o segundo e terceiro nível tenham sido próximos de 80%, concluiu-se que não era possível desenvolver um microcontrolador dependente apenas de um canal de aquisição. Tal era expectável, uma vez que os movimentos estudados são originados pelo mesmo grupo muscular e a intervariabilidade dos sujeitos um fator significativo. Os resultados da validação cruzada foram menos precisos do que os obtidos para a metodologia de treino-teste, o que permitiu concluir que a intervariabilidade existente entre os voluntários afeta significativamente o processo de classificação. Para além disso, os voluntários utilizaram o braço dominante e o braço não dominante, o que acabou por aumentar a discrepância entre os sinais recolhidos. Com efeito, os resultados mostraram que não é possível desenvolver um microcontrolador que seja adaptável a todos os utilizadores e, portanto, no futuro, o melhor caminho será optar pela personalização do protótipo. Tendo o conhecimento prévio desta evidência, o protótipo desenvolvido neste trabalho apenas servirá como protótipo de treino para o utilizador. Ainda assim, este é bem mais leve que os existentes no mercado e muito mais barato. Nele é ainda possível testar e controlar alguns dos componentes que no futuro irão fazer parte da prótese completa, prevenindo acidentes. Não obstante o cumprimento dos objetivos deste trabalho e das muitas respostas que por ele foram dadas, existe sempre espaço para melhorias. Dado à limitação de tempo, não foi possível testar o microcontrolador em tempo-real nem efetuar testes mecânicos de flexibilidade e resistência dos materiais da prótese. Deste modo, seria interessante no futuro fazer testes de performance em tempo real e submeter a prótese a condições extremas, para que a tensão elástica e a tensão dos pins sejam testadas. Para além disso, testar os mecanismos de segurança da prótese quando o utilizador tem de fazer muita força é fundamental. O teste destes parâmetros evitará a ocorrência de falhas que poderão magoar o utilizador, bem como estragar os objetos com os quais a prótese poderá interagir. Por fim, é necessário melhorar o aspeto cosmético das próteses. Para que isso aconteça, poderão ser utilizados polímeros com uma coloração próxima do tom da pele do utilizador. Uma outra forma de melhorar este aspeto, seria fazer o scanning do braço saudável do utilizador e usar materiais flexíveis para as articulações e dedos que, juntamente com uma palma de termoplásticos resistentes e um microcontrolador, permitissem um movimento bastante natural próximo do biológico. Em suma, apesar de algumas limitações, este trabalho contribuiu para o esclarecimento de muitas das dúvidas que ainda existiam na comunidade científica e ajudará a desenvolver a indústria prostética.Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo eSoares, Bruno Alexandre Rodrigues SimõesRepositório da Universidade de LisboaLopes, Ema de Matos Castanheira e2022-07-04T17:33:30Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/53642enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:59:38Zoai:repositorio.ul.pt:10451/53642Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:04:35.775188Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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