Optimal control simulations of human hand grasping
Optimalsteuerungsimulationen des Greifens der menschlichen Hand
Creators: name: Phutane, Uday
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Year: 2024
Subjects: Optimal Control, Biomechanics, Grasping, Nonlinear Optimisation

description: The core objective of this work is to develop an optimal control setup to perform dynamic grasping simulations with a human hand. This is done primarily with a view to provide existing digital human modelling (DHM) environments such as IMMA (Intelligently Moving Manikin) the functionality to move beyond quasi-static simulations while performing assembly planning and ergonomic studies. The optimal control setup also finds applications beyond DHM, particularly in the areas of medical diagnostics and rehabilitation. The optimal control approach is capable to provide sequences of trajectories and controls that are used to drive biomechanical systems while performing a particular task without the need of motion capture measurements. Such a sequence is obtained via the minimisation of an objective function. The specific optimal control approach in this thesis makes use of structure preserving time-stepping schemes in describing the two distinct forms of dynamics of a mechanical system. The approximated solutions obtained by using aforementioned schemes inherit the characteristics of the continuous system, show angular momentum consistency and good long term energy behaviour. The work begins with examining the kinematic behaviour of the thumb, which is the crucial to the grasping competence of primates. The focus then shifts to the understanding of grasping fundamentals that are mainly an outcome from the view of robotic manipulation tasks. In this part, we lay the foundation of unilateral multi-point contact systems. These are generated through kinematic models and characterize the force and velocity transmission properties between the hand the object through grasp quality measures. The hand and object multibody models along with the contact models become key components in the development of variational time integrators, derived through a discrete variational principle, to describe the dynamics of the hand reaching towards an object and then manipulating it. The discrete equations of motion representing the reaching and manipulation actions constitute a hybrid dynamical system to setup the grasping optimal control problem (OCP), where the switching occurs due to the enforcement of the contact constraints at an unknown time. The OCP is formulated as a finite dimensional non-linear optimisation problem which is minimised with respect to an appropriate physiological or task-based objective to simulate three grasps. In all, four objectives from the perspectives of contact point locations, control torques, contact forces and hand posture are chosen. The numerical solutions obtained by minimizing these objectives exhibit a good level of independence and are assessed using grasp quality measures. The values of uniformity of transformation measure shows good variation across the different objectives and grasps. They can be used helps to formulate policies regarding the hand posture across different objectives. Post optimal control simulations, an approach to coordinate the different joints in the hand by way of a reduced subspace is introduced. The vectors that span this subspace are termed as kinematic synergies or eigen grasps. Their effectiveness to reduce the solution space for generating hand grasp postures through a hybrid kinematic formulation is presented.
description: Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Optimalsteuerungsaufbaus zur Durchführung dynamischer Greifsimulationen mit einer menschlichen Hand. Dies geschieht in erster Linie mit dem Ziel, bestehende digitale Menschmodellierungsumgebungen (Digital Human Modelling, or DHM) wie IMMA (Intelligently Moving Manikin) mit Funktionen auszustatten, die über quasi-statische Simulationen hinausgehen, während sie Montageplanung und ergonomische Studien durchführen. Die Optimalsteuerung findet auch außerhalb der DHM Anwendung, insbesondere in den Bereichen der medizinischen Diagnostik und Rehabilitation. Der Ansatz der Optimalsteuerung ist in der Lage, Sequenzen von Trajektorien und Steuerungen zu liefern, die zur Steuerung biomechanischer Systeme bei der Ausführung einer bestimmten Aufgabe verwendet werden, ohne dass Bewegungserfassungsmessungen erforderlich sind. Eine solche Sequenz wird durch die Minimierung einer Zielfunktion ermittelt. Der spezifische Ansatz zur Optimalsteuerung in dieser Arbeit nutzt strukturerhaltende Zeitschrittverfahren zur Beschreibung der beiden unterschiedlichen Formen der Dynamik eines mechanischen Systems. Die approximierten Lösungen, die mit Hilfe der vorgenannten Schemata erhalten werden, weisen die Eigenschaften des kontinuierlichen Systems auf, zeigen Drehimpulskonsistenz und ein gutes Langzeit-Energieverhalten. Die Arbeit beginnt mit der Untersuchung des kinematischen Verhaltens des Daumens, das für die Greifkompetenz von Primaten entscheidend ist. Der Schwerpunkt verlagert sich dann auf das Verständnis der Greifgrundlagen, die sich vor allem aus der Sicht von Robotermanipulationsaufgaben ergeben. In diesem Teil legen wir die Grundlagen für unilaterale Mehrpunktkontaktsysteme. Diese werden durch kinematische Modelle erzeugt und charakterisieren die Kraft- und Geschwindigkeitsübertragungseigenschaften zwischen der Hand und dem Objekt durch Greifqualitätsmaße. Die Mehrkörpermodelle der Hand und des Objekts werden zusammen mit den Kontaktmodellen zu Schlüsselkomponenten bei der Entwicklung von Variationszeitintegratoren, die durch ein diskretes Variationsprinzip abgeleitet werden, um die Dynamik der Hand zu beschreiben, die nach einem Objekt greift und es dann manipuliert. Die diskreten Bewegungsgleichungen, die die Greif- und Manipulationsaktionen darstellen, bilden ein hybrides dynamisches System, um das Optimalsteurungsproblem (OCP) des Greifens aufzustellen, bei dem die Umschaltung aufgrund der Durchsetzung der Kontaktbeschränkungen zu einem unbekannten Zeitpunkt erfolgt. Das OCP wird als ein endlichdimensionales nichtlineares Optimierungsproblem formuliert, das in Bezug auf ein geeignetes physiologisches oder aufgabenbezogenes Ziel minimiert wird, um drei Griffe zu simulieren. Insgesamt werden vier Ziele aus den Perspektiven der Kontaktpunktpositionen, der Steuermomente, der Kontaktkräfte und der Handhaltung gewählt. Die numerischen Lösungen, die durch die Minimierung dieser Ziele erzielt werden, weisen ein gutes Maß an Unabhängigkeit auf und werden mit Hilfe von Maßzahlen für die Greifqualität bewertet. Die Werte des Maßes für die Uniformity of Transformation zeigen eine gute Variation zwischen den verschiedenen Zielen und Greifvorgängen. Sie können verwendet werden, um Strategien für die Handhaltung über verschiedene Ziele hinweg zu formulieren. Nach Optimalsteuerungsimulationen wird ein Ansatz zur Koordinierung der verschiedenen Gelenke in der Hand mittels eines reduzierten Unterraums eingeführt. Die Vektoren, die diesen Unterraum aufspannen, werden als kinematische Synergien oder Eigengreifer bezeichnet. Deren Effektivität zur Reduzierung des Lösungsraums für die Erzeugung von Handgriffhaltungen durch eine hybride kinematische Formulierung wird vorgestellt.