Development and electromyographic control of a bionic robotic arm via a neural network for gesture recognition
Ανάπτυξη και ηλεκτρομυογραφικός έλεγχος βιονικού ρομποτικού χεριού μέσω νευρωνικού δικτύου για την αναγνώριση χειρονομιών

Λέξεις-κλειδιά
Electromyography ; Arm anatomy ; Prosthetic limb ; 3D Printing ; Data acquisition ; Digital signal processing ; Feature extraction ; Artificial neural networks ; Gesture classification ; ΗλεκτρομυογράφημαΠερίληψη
This diploma thesis focuses on the development of a bionic robotic arm. Its operation is controlled by an artificial intelligence model designed to classify surface electromyographic (sEMG) signals. The prosthetic limb is primarily composed of 3D printed components and servomotors responsible for actuating individual hand digits. This robotic system mirrors the user’s hand gestures in real-time by acquiring, processing and classifying electromyographic data. These data are gathered from three sensors which are placed on the forearm muscles located near the elbow, using electrodes. The proposed classifier is a multilayer perceptron model, which was trained on feature vectors extracted from data segments. To evaluate the efficacy of this classifier, the segment length and overlap size were altered and each time the prediction accuracy was examined by computing key metrics such as
the F1 score and confusion matrix. This diploma thesis concludes with a series of observations on the system’s behavior, along with methods that could be implemented in the future to further refine and optimize the proposed electromyographic data-driven controller.
Περίληψη
Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός βιονικού ρομποτικού χεριού, η λειτουργία του οποίου ελέγχεται μέσω ενός μοντέλου τεχνητής νοημοσύνης σχεδιασμένου να κατηγοριοποιεί επιφανειακά ηλεκτρομυογραφικά σήματα. Το προσθετικό μέλος αποτελείται κυρίως από πλαστικά εκτυπωμένα εξαρτήματα και σερβοκινητήρες υπεύθυνους για την κίνηση των μεμονωμένων δαχτύλων. Το συγκεκριμένο ρομποτικό σύστημα καθρεπτίζει τις χειρονομίες του χρήστη σε πραγματικό χρόνο αφού επεξεργαστεί και κατηγοριοποιήσει ηλεκτρομυογραφικά δεδομένα, τα οποία συλλέγονται από τρεις αισθητήρες που τοποθετούνται στους μύες του αντιβράχιου που βρίσκονται κοντά στον αγκώνα. Το προτεινόμενο μοντέλο κατηγοριοποίησης είναι
ένα νευρωνικό δίκτυο τύπου multilayer perceptron, το οποίο εκπαιδεύτηκε με ένα σύνολο διανυσμάτων από χαρακτηριστικά που εξήχθησαν από τμήματα δεδομένων. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας αυτού του κατηγοριοποιητή, μεταβλήθηκαν το μήκος των τμημάτων και το μέγεθος της αλληλοεπικάλυψης και κάθε φορά η ακρίβεια πρόβλεψης εξετάστηκε υπολογίζοντας
μετρικές όπως το log loss, F1 score και confusion matrix. Η παρούσα διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με μια σειρά παρατηρήσεων σχετικά με την συμπεριφορά του ολοκληρωμένου συστήματος, καθώς και με διάφορες μεθόδους που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν μελλοντικά, για να βελτιωθεί και βελτιστοποιηθεί περαιτέρω ο προτεινόμενος οδηγούμενος από ηλεκτρομυογραφικά δεδομένα ελεγκτής.