Dissertação

{en_GB=Control of Saccades with Model of Artificial 3D Biomimetic Eye} {} EVALUATED

{pt=O sistema de controlo do olho humano é mais complexo do que qualquer sistema visual robótico alguma vez construído. Um dos principais desafios com que este tem que lidar é a resolução do problema de excesso de graus de liberdade: os seis músculos extra-oculares permitem ao olho três graus de liberdade para rotações, enquanto apenas dois são necessários para olhar em qualquer direção. Assim sendo, os movimentos são controlados no plano de Listing (PL), onde a torção do olho é zero. Outra característica distintiva do sistema sacádico são as suas propriedades dinâmicas não lineares, conhecidas como main sequence. Nesta tese, desenvolveu-se estratégias de controlo ótimo em malha aberta, encontrando os princípios gerais de otimização que unificam ambas as propriedades. Estes métodos são testados num modelo de um olho robótico biomimético 3D, cuja cinemática foi obtida através de modelação física de um protótipo mecânico construído anteriormente. Foram utilizados procedimentos de identificação de sistemas para obter uma aproximação linear do simulador em torno da orientação relativa a olhar em frente. Primeiro, foram testadas abordagens que usavam apenas termos de minimização recorrentemente usados na literatura. Embora a dinâmica não linear tenha sido observada, o desvio padrão da torção do olho em torno do PL (1.8º) foi maior do que o evidenciado por dados reais (0.6º). De seguida, estudou-se a inclusão de termos extras (penalizações diretas ou minimização da força), levando à redução do desvio padrão para 0.4º. Finalmente, analisou-se a dependência entre a orientação do PL e a geometria do modelo., en=The human gaze control system is more complex than any robotic visual system ever built. One of its main challenges is dealing with the degrees of freedom problem: the six extra-ocular muscles provide the eye three degrees of freedom to rotate, while only two are necessary to gaze at any direction, controlling movements in a plane called Listing's plane (LP). In this plane, the torsion of the eye is zero. Another distinctive trait of the saccadic system are its nonlinear dynamic properties, known as the main sequence. In this thesis we develop open-loop optimal control strategies that satisfy both criteria, finding the general optimization principles that unify them. These policies are tested on a model of a 3D biomimetic robot eye, whose kinematics were obtained using physics modelling of a previously built mechanical prototype. System identification procedures were employed to obtain a linear approximation of the nonlinear simulator within a small ocular range of the straight-ahead orientation. First, simpler approaches were tested, employing only minimization terms commonly used in literature. Even though the nonlinear dynamics were verified, the standard deviation of the torsion of the eye around LP (1.8º) was higher than real data show (0.6º). Then, the addition of extra cost terms (direct penalizations or minimization of the force) was studied, leading to the reduction of the standard deviation to 0.4º. Finally, the dependency of the orientation of LP to the geometry of the model was analysed. }
{pt=olho biomimético, plano de Listing, main sequence, controlo ótimo, modelação física, en=biomimetic eye, Listing's plane, main sequence, optimal control, physics modelling}

dezembro 12, 2019, 10:0

Publicação

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Orientação

ORIENTADOR

Alexandre José Malheiro Bernardino

Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)

Professor Associado