Prototype device for vibrotactile feedback in hand prosthesis

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet i samarbeid med den norske bedriften Hy5 AS som utvikler hydrauliske håndproteser. Målet med denne oppgaven er å designe en prototyp av et vibrotaktil tilbakekoblingssystem for håndproteser som bruker proporsjonalstyring, og utføre et psykofysisk eksperiment. Oppgaven bygger på tidligere studentoppgaver og har et teoretisk fundament i arbeidet til Boujmai 2020.

En Arduino Nano er brukt til å styre en vibrasjonsmotor. Først er en matematisk modell av den valgte motoren utledet med noen simplifikasjoner og antakelser. Deretter er en diskret foroverkoblingsmodul implementert i mikrokontrolleren for å redusere tiden det tar for motorfrekvensen å nå den tilhørende asymptotiske verdien. \noindent En proporsjonal kontrollstrategi for den vibrotaktile tilbakekoblingen er designet ved å innhente trykkdata fra protesen. For å hente data fra protesen er en I2C kommunikasjonsprotokoll brukt med Arduinoen.

Testing av det vibrotaktile tilbakekoblede systemet er utført med SHAP-test. Testingen viser ingen signifikant økning i den helhetlige opptreden til det vibrotaktile tilbakekoblingssystemet. Resultatene støtter derimot påstanden om at vibrotaktil tilbakekobling hjelper brukere å lettere tilvende seg protesen. Fra intervjuprosessen med testpersonene, viste resultatene at proporsjonalstyring ikke nødvendigvis var like god som tidligere antatt. Videre testing med en diskret kontrollstrategi er derfor anbefalt.

This Master's thesis is written in cooperation with the Norwegian company Hy5 AS that develops hydraulic hand prostheses. This thesis aims to design a prototype vibrotactile feedback system for hand prostheses using proportional control and perform a psychophysical experiment. The thesis builds on previous student theses, and has a theoretical foundation in the work of Boujmai 2020.

An Arduino Nano is used to control a vibration motor. First, a mathematical model of the chosen motor is derived with some simplifications and assumptions. Then a discretisized feedforward module is implemented in the microcontroller to reduce the time it take for the motor frequency to reach its asymptotic value.

A proportional control strategy for the vibrotactile feedback is designed using acquired pressure levels from the prosthesis. To acquire sensory data from the prosthesis, an I2C communication protocol is used with the Arduino.

Testing of the vibrotactile feedback system is carried out using the SHAP-test. Testing showed no significant increase in overall performance using vibrotactile feedback. However, the results support the claim that vibrotactile feedback helps users adapt to prostheses more easily. From interviewing the test subjects, it was discovered that proportional control might not have been as good as anticipated. Further testing using a discrete control strategy for the vibrotactile feedback system is suggested.