Human Motor Control Lab
Final Report Abstract
Das Gerät Human Motor Control Lab wurde in zahlreichen Experimenten hauptsächlich zur Messung der menschlichen oberen Extremität eingesetzt. Ziel war die Datenaufnahme, Analyse und Modellierung des neuromechanischen Apparats sowie die Validierung von zugehörigen Motorkontrollstrategien. Alle durchgeführten Experimente wurden von der Ethikkommission der Leibniz Universität Hannover geprüft und genehmigt. Die durchgeführten Experimente können bzgl. dem Forschungsfokus und der aufgenommenen Daten in drei Gruppen unterteilt werden. In Gruppe I wurden typische Alltagsbewegungen, wie beispielsweise Greifbewegungen oder Hand/Arm-Gesten untersucht. Zur Messung wurde das 3D Bewegungstracking System, der Elektromyograph (EMG) und der Elektroenzephalograph (EEG) für jeweils die Schulter-, Arm- und Handkinematik, die Muskelaktivität bzw. die Gehirnaktivität eingesetzt. Gesunde Probanden sowie Schlaganfallpatienten, die in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) akquiriert wurden, haben an diesen Untersuchungen teilgenommen. Die aufgenommenen Daten wurden sowohl zur Kinematik- als auch zur Dynamikmodellierung des menschlichen muskuloskeletalen Systems der oberen Extremität verwendet. Auf Basis der gesammelten Daten konnten beispielsweise 1) die gängigen neuromechanischen Modelle (Stand der Technik) erweitert und validiert werden, 2) kinematische und muskuläre Bewegungssynergien zur Evaluierung der „Muscle-Synergy-Hypothese“ identifiziert werden, und 3) Algorithmen zur automatisierten Unterscheidung zwischen gesunden Menschen und Schlaganfallpatienten generiert werden. Der Fokus in Gruppe II lag auf der Untersuchung von Schutzmechanismen des Menschen, insbesondere auf Reflex- oder Rückzugsbewegungen der oberen Extremität. Diese „Beugereflexe“ wurden durch einen elektrischen Stimulus oder ein konditionierten mechanischen/akustischen Stimulus ausgelöst. Die Reflexbewegungen wurden durch das 3D Bewegungstracking System, die Highspeed-Kamera, und das EMG System gemessen. Die Experimente wurden teilweise in Zusammenarbeit mit einer Expertengruppe des Imperial College London (ICL) entworfen und durchgeführt. Auf Basis der gesammelten Daten konnten beispielsweise 1) Modalitäten die die Reflexreaktion beeinflussen identifiziert werden, und 2) Reflexbewegungen im geschlossenen Regelkreis mathematisch modelliert werden. In Gruppe III wurden Pilotexperimente durchgeführt, in denen kleine mechanische Kollisionen auf die obere Extremität appliziert und Reflexbewegungen gemessen wurden. Dazu wurde das 3D Bewegungstracking System und die Beschleunigungssensoren für die Schulter-/Armbewegungen eingesetzt. Der Kraftsensor wurde zur Messung der Kollisionskräfte verwendet. Auf Basis der gesammelten Daten konnten 1) vom Menschen inspirierte Roboter- bzw. Prothesenreflexe umgesetzt werden und 2) durch Fusion von Tracking-, Kraft- und Beschleunigungsdaten die Messungen der Kinematik präzisiert werden.
Publications
- Dynamics Simulation for an Upper-Limb Human Exokseleton Assistance System in a Latent-Space Control Manipulation Task
J. Kühn, T. Hu, M. Schappler, S. Haddadin
(See online at https://doi.org/10.1109/SIMPAR.2018.8376286) - Identification of Human Shoulder-Arm Kinematic and Muscular Synergies During Daily-Life Manipulation Tasks
T. Hu, J. Kühn, S. Haddadin
(See online at https://doi.org/10.1109/BIOROB.2018.8487190) - Learning and Identification of human upper-limb muscle synergies in daily-life tasks with autoencoders, OTWorld Congress, 2018
T. Hu, J. Kühn, J. Ma‘touq, S. Haddadin
(See online at https://doi.org/10.15488/3679) - Sub-millimetre Accurate Human Hand Kinematics: From Surface to Skeleton, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2018
J. Ma’touq, T. Hu, S. Haddadin
(See online at https://doi.org/10.1080/10255842.2018.1425996)
