Tato bakalářská práce vtahuje do světa robotiky a jejího řízení pomocí biosignálů.
V teoretické části je uvedena nejen fyziologie fungování svalů, ale i jak se chová lidská tkáň z pohledu elektrotechniky. V návaznosti se práce začne posouvat k řešení technických úskalí ve snímání svalových biopotenciálů a rozvede se problematika elektromyografie. Teorie je zakončena problematikou řízení robotických systémů pomocí zmíněných signálů.
Praktická část provází tvorbou laboratorní úlohy, která byla použita v mezinárodním projektu BIP (Blended Intensive Programme) jako výukový materiál. Zahrnuje postupnou proměnu řešení od jednoduchých úloh po komplexnější, jenž jsou již relevantní pro řízení robotických systémů pomocí sEMG senzoru.
Anotace v angličtině
This bachelor thesis draws into the world of robotics and its control using biosignals.
The theoretical part introduces not only the physiology of muscle function, but also how human tissue behaves from an electrical engineering perspective. Following this, the thesis begins to move towards addressing the technical pitfalls in sensing muscle biopotentials and the issue of electromyography is elaborated. The theory concludes with the problem of controlling robotic systems using the aforementioned biopotentials.
The practical part is accompanied by the creation of a laboratory task, which was used in the international project BIP (Blended Intensive Programme) as teaching material for foreign students. It includes a gradual transformation of the solution from simple problems to more complex ones, which are already relevant for the control of robotic systems using the sEMG sensor.
Tato bakalářská práce vtahuje do světa robotiky a jejího řízení pomocí biosignálů.
V teoretické části je uvedena nejen fyziologie fungování svalů, ale i jak se chová lidská tkáň z pohledu elektrotechniky. V návaznosti se práce začne posouvat k řešení technických úskalí ve snímání svalových biopotenciálů a rozvede se problematika elektromyografie. Teorie je zakončena problematikou řízení robotických systémů pomocí zmíněných signálů.
Praktická část provází tvorbou laboratorní úlohy, která byla použita v mezinárodním projektu BIP (Blended Intensive Programme) jako výukový materiál. Zahrnuje postupnou proměnu řešení od jednoduchých úloh po komplexnější, jenž jsou již relevantní pro řízení robotických systémů pomocí sEMG senzoru.
Anotace v angličtině
This bachelor thesis draws into the world of robotics and its control using biosignals.
The theoretical part introduces not only the physiology of muscle function, but also how human tissue behaves from an electrical engineering perspective. Following this, the thesis begins to move towards addressing the technical pitfalls in sensing muscle biopotentials and the issue of electromyography is elaborated. The theory concludes with the problem of controlling robotic systems using the aforementioned biopotentials.
The practical part is accompanied by the creation of a laboratory task, which was used in the international project BIP (Blended Intensive Programme) as teaching material for foreign students. It includes a gradual transformation of the solution from simple problems to more complex ones, which are already relevant for the control of robotic systems using the sEMG sensor.
Sestavte 3D vytištěnou robotickou ruku z projektu InMoov. Pro její ovládání zvolte vhodný systém snímající povrchový elektromyografický signál. Jako řídicí systém použijte otevřenou vývojovou platformu na bázi Arduino.
Navrhněte laboratorní úlohu pro seznámení s problematikou sEMG, robotických rukou a jejich řízením.
Teoretická východiska:
V souvislosti s rozvojem nových technologií, 3D tisku a otevřených platforem řídicích systémů, se nachází jejich uplatnění v různých odvětvích. Jedním z těchto odvětví je také aplikace v robotických systémech použitých v medicíně. Příkladem takového systému může být robotická ruka ovládaná biologickými signály. Robotická ruka může mít mnoho podob, například myolektrická protéza, exoskeleton, telemetricky ovládaná ruka pro vzdáleně prováděné operace atd.
V tomto konkrétním případě, InMoov Hand, se jedná o robotickou ruku využitou pro výukové/vědecké účely. Samotná ruka pokrývá celou problematiku robotických systémů: oblasti hardware, software, zpracování signálu a řízení. K tomu je navíc vyžita moderní technologie 3D tisku a otevřených řídicích platforem.
Aplikace zmíněných nových technologií přispívá k zefektivnění vývoje a výroby zařízení, které není možné vyrábět velkosériově, což je případ protetických náhrad. Výsledkem tohoto zefektivnění je mimo jiné přínos ve snížení výrobních nákladů a tím i výsledné ceny zařízení. V Laboratoři bionických rukou se nachází několik modelů robotických končetin, jejichž vývoj je, díky otevřeným zdrojovým datům, možné dále rozvíjet, a to v mnoha směrech. Mezi nové modely v laboratoři patří právě robotická ruka InMoov Hand.
Osobním přínosem bakalářské práce bude osvojení znalostí z problematiky robotických systémů, 3D tisku, porozumění digitálnímu zpracovaní biologických signálů (povrchové EMG) a schopnost programování algoritmů řídicích systémů těchto robotických soustav.
Praktickým výsledkem bude laboratorní úloha pro výuku robotických systémů ovládaných biologickými signály typu EMG.
Výzkumné předpoklady / výzkumné otázky:
Robotická ruka v InMoov Hand není přímo řízena biologickými signály. Dá se však předpokládat, že řízení pomocí signálů EMG bude možné. Tuto hypotézu ověřila doktorská práce (Králiková, 2023). Úkolem BP bude ověřit tuto možnost i na půdě TUL.
Projekt InMoov je open source navržený původně ve Francii. Tento projekt zpřístupňuje využití moderních technologií a problematiku robotických systémů široké veřejnosti, a nabízí tuto platformu i pro vědecko-výzkumné účely. V rámci BP předpokládáme, že se záměr projektu podaří naplnit tím, že ruka se stane výukovou pomůckou.
Metoda:
Kvalitativní
Technika práce, vyhodnocení dat:
Měření, analýza a zpracování dat, programování, laboratorní činnost.
Místo a čas realizace výzkumu:
Laboratoře TUL a FM TUL, akademický rok 2023/2024.
Vzorek:
Student sestaví a otestuje robotickou ruku a její řízení pomocí EMG zařízení.
Rozsah práce:
Rozsah bakalářské práce činí 50–70 stran (tzn. 1/3 teoretická část, 2/3 výzkumná část)
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
Sestavte 3D vytištěnou robotickou ruku z projektu InMoov. Pro její ovládání zvolte vhodný systém snímající povrchový elektromyografický signál. Jako řídicí systém použijte otevřenou vývojovou platformu na bázi Arduino.
Navrhněte laboratorní úlohu pro seznámení s problematikou sEMG, robotických rukou a jejich řízením.
Teoretická východiska:
V souvislosti s rozvojem nových technologií, 3D tisku a otevřených platforem řídicích systémů, se nachází jejich uplatnění v různých odvětvích. Jedním z těchto odvětví je také aplikace v robotických systémech použitých v medicíně. Příkladem takového systému může být robotická ruka ovládaná biologickými signály. Robotická ruka může mít mnoho podob, například myolektrická protéza, exoskeleton, telemetricky ovládaná ruka pro vzdáleně prováděné operace atd.
V tomto konkrétním případě, InMoov Hand, se jedná o robotickou ruku využitou pro výukové/vědecké účely. Samotná ruka pokrývá celou problematiku robotických systémů: oblasti hardware, software, zpracování signálu a řízení. K tomu je navíc vyžita moderní technologie 3D tisku a otevřených řídicích platforem.
Aplikace zmíněných nových technologií přispívá k zefektivnění vývoje a výroby zařízení, které není možné vyrábět velkosériově, což je případ protetických náhrad. Výsledkem tohoto zefektivnění je mimo jiné přínos ve snížení výrobních nákladů a tím i výsledné ceny zařízení. V Laboratoři bionických rukou se nachází několik modelů robotických končetin, jejichž vývoj je, díky otevřeným zdrojovým datům, možné dále rozvíjet, a to v mnoha směrech. Mezi nové modely v laboratoři patří právě robotická ruka InMoov Hand.
Osobním přínosem bakalářské práce bude osvojení znalostí z problematiky robotických systémů, 3D tisku, porozumění digitálnímu zpracovaní biologických signálů (povrchové EMG) a schopnost programování algoritmů řídicích systémů těchto robotických soustav.
Praktickým výsledkem bude laboratorní úloha pro výuku robotických systémů ovládaných biologickými signály typu EMG.
Výzkumné předpoklady / výzkumné otázky:
Robotická ruka v InMoov Hand není přímo řízena biologickými signály. Dá se však předpokládat, že řízení pomocí signálů EMG bude možné. Tuto hypotézu ověřila doktorská práce (Králiková, 2023). Úkolem BP bude ověřit tuto možnost i na půdě TUL.
Projekt InMoov je open source navržený původně ve Francii. Tento projekt zpřístupňuje využití moderních technologií a problematiku robotických systémů široké veřejnosti, a nabízí tuto platformu i pro vědecko-výzkumné účely. V rámci BP předpokládáme, že se záměr projektu podaří naplnit tím, že ruka se stane výukovou pomůckou.
Metoda:
Kvalitativní
Technika práce, vyhodnocení dat:
Měření, analýza a zpracování dat, programování, laboratorní činnost.
Místo a čas realizace výzkumu:
Laboratoře TUL a FM TUL, akademický rok 2023/2024.
Vzorek:
Student sestaví a otestuje robotickou ruku a její řízení pomocí EMG zařízení.
Rozsah práce:
Rozsah bakalářské práce činí 50–70 stran (tzn. 1/3 teoretická část, 2/3 výzkumná část)
Seznam doporučené literatury
KRÁLIKOVÁ, Ivana, 2023. Vyšetrovanie a analýza elektrického poľa vybraných biologických štruktúr, návrh a realizácia rozhrania človek - počítač. Disertační práce. Žilina: Žilinská univerzita v Žilině.
ČIHÁK, Radomír. Anatomie. 2., upr. a dopl. vyd. Praha: Grada, 2016. ISBN 80-716-9970-5.
MERLETTI, Roberto a FARINA, Dario (ed.), 2016. Surface Electromyography: Physiology, Engineering, and Applications. Hoboken: Wiley IEEE Press. ISBN 978-1-118-98702-5.
HASSAN, Hussein F.; ABOU-LOUKH, Sadiq J. a IBRAHEEM, Ibraheem Kasim, 2019. Teleoperated robotic arm movement using electromyography signal with wearable Myo armband. Journal of King Saud University - Engineering Sciences. ISSN 1018-3639. Dostupné z: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jksues.2019.05.001
KOS, Anton a UMEK, Anton, 2018. Biomechanical biofeedback systems and applications. New York, NY: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-331-9913-483.
GRIAZNOV, Denis, 2020. Electromyography control of robotic systems. Diplomové práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
ZAJAN, Filip, 2021. Řízení robotických systémů pomocí signálů povrchového EMG. Bakalářské práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
SVOBODOVÁ, Jana, 2021. Porovnání zařízení pro měření povrchového EMG a ručních elektronických dynamometrů měřících elektromyografické signály. Bakalářské práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
BUCHTA, Tomáš, 2022. Elektromyografické ovládání robotické ruky. Diplomové práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
SELECKÝ, Matúš, 2016. Arduino: uživatelská příručka. Přeložil Martin HERODEK. Brno: Computer Press. ISBN 978-80-251-4840-2.
Seznam doporučené literatury
KRÁLIKOVÁ, Ivana, 2023. Vyšetrovanie a analýza elektrického poľa vybraných biologických štruktúr, návrh a realizácia rozhrania človek - počítač. Disertační práce. Žilina: Žilinská univerzita v Žilině.
ČIHÁK, Radomír. Anatomie. 2., upr. a dopl. vyd. Praha: Grada, 2016. ISBN 80-716-9970-5.
MERLETTI, Roberto a FARINA, Dario (ed.), 2016. Surface Electromyography: Physiology, Engineering, and Applications. Hoboken: Wiley IEEE Press. ISBN 978-1-118-98702-5.
HASSAN, Hussein F.; ABOU-LOUKH, Sadiq J. a IBRAHEEM, Ibraheem Kasim, 2019. Teleoperated robotic arm movement using electromyography signal with wearable Myo armband. Journal of King Saud University - Engineering Sciences. ISSN 1018-3639. Dostupné z: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jksues.2019.05.001
KOS, Anton a UMEK, Anton, 2018. Biomechanical biofeedback systems and applications. New York, NY: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-331-9913-483.
GRIAZNOV, Denis, 2020. Electromyography control of robotic systems. Diplomové práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
ZAJAN, Filip, 2021. Řízení robotických systémů pomocí signálů povrchového EMG. Bakalářské práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
SVOBODOVÁ, Jana, 2021. Porovnání zařízení pro měření povrchového EMG a ručních elektronických dynamometrů měřících elektromyografické signály. Bakalářské práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
BUCHTA, Tomáš, 2022. Elektromyografické ovládání robotické ruky. Diplomové práce, vedoucí Jan Koprnický. Liberec: Technická univerzita v Liberci.
SELECKÝ, Matúš, 2016. Arduino: uživatelská příručka. Přeložil Martin HERODEK. Brno: Computer Press. ISBN 978-80-251-4840-2.
Přílohy volně vložené
5 MATLAB skriptů
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, schémata
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.