Towards natural tactile feedback in artificial limbs

Abstract

Advances in the field of active, EMG-controlled prostheses have created a need for touch feedback that doses the loop from the artificial limb back to its wearer. Beside prosthetics, such feedback can also benefit other areas of human-machine interaction, such as telesurgery or the control of work machines and robots. Highly developed techniques of nerve stimulation, combined with a meaningful mapping, greatly enhance the naturalness of received feedback.

This thesis provides an overview of the current state of tactile feedback technology, its challenges and limitations. It explores the idea of natural touch feedback, which then guides the development of a shoe-integrated feedback device. To facilitate research and device adoption, it is designed to use only readily available, affordable components. The selection and evaluation of different actuators is described, followed by the construction of three different prototypes.

The solenoid-based device serves merely as a proof of concept, while the servo-based and especially the vibrotactile device are actually able to provide useful and differentiable feedback. \With some optimizations to size and power supply, either can be used to make a feedback shoe for upper-limb prosthesis feedback, work machine operation or similar purposes.

Aktiivisten, EMG-mittausten avulla ohjattujen proteesien yleistyminen on lisännyt tarvetta kosketuspalautteelle, joka muodostaa takaisinkytkennän käsiproteesin ohjaukselle. Proteesitekniikan lisäksi sitä voidaan hyödyntää myös muilla ihminen-kone-rajapinnan sovellusalueilla. kuten etäleikkauksissa tai työkoneiden ja robottien ohjauksessa. Kosketuspalautteen luonnollisuutta voidaan parantaa kehittämällä hermostimulaatiomenetelmiä sekä etsimällä mielekkäitä kuvauksia tekoraajaan kohdistuvista voimista iholle.

Tämä diplomityö sisältää katsauksen kosketuspalautteen nykytilasta haasteineen ja rajoituksineen. Työssä pyrittiin kehittämään kenkään integroituva laite, joka mahdollistaa luonnollisen kosketuspalautteen toteuttamisen käytännössä. Tutkimuksen ja käyttöönoton helpottamiseksi käytettiin pääosin helposti saatavia ja edullisia komponentteja. Toimilaitteiden valinnan ja arvioinnin jälkeen selostetaan kolmen eri laiteprototyypin koonti. Solenoidia käyttävä ratkaisu toimii lähinnä periaatetasolla, mutta servoon ja etenkin värinämoottoriin perustuvat laitteet kykenevät jo tuottamaan hyödyllistä kosketuspalautetta. Koon ja virtalahteen optimoinnilla kumpikin voidaan tuotteistaa kenkään integroituvaksi palautelaitteeksi jolle löytyy sovelluksia niin proteesitekniikassa kuin esimerkiksi työkoneiden ohjauksessa.