Construction and characterization of a biomimetic robotic eye model with three degrees of rotational freedom : a testbed for neural control of eye movements

October 25, 2017

Ainda não é inteiramente conhecido como é que o cérebro é capaz de controlar com sucesso os movimentos do corpo humano. Mesmo tarefas que aparentam ser simples, tais como por exemplo, reconhecer e agarrar uma caneta em cima de uma mesa, ainda são bastante complicadas de alcançar com os robôs atuais. Não só pelas diferenças anatómicas entre o robô e o ser humano, mas também porque ainda não conhecemos os mecanismos neuronais que selecionam e ativam os músculos dentro de uma infinidade de soluções. Nesta tese, construímos e analisámos um olho robótico que possui algumas aparências essenciais com a anatomia do olho humano. O objetivo é controlar este modelo ocular de tal forma que os seus movimentos se assemelhem a movimentos reais dos olhos dos humanos e também, estudar quais os princípios de controlo subjacentes a esses movimentos. Desta forma, pretendemos aproximar o controlo robótico ao do sistema nervoso humano e também obter uma melhor compreensão de como o cérebro controla o movimento e por que segue certas regras. As experiências preliminares com o nosso olho robótico fornecem algumas respostas sobre como restrições neuronais relativamente à orientação dos olhos, descritas pelas leis de Donders e Listing, poderão estar relacionadas com a sua mecânica e dinâmica. Com isto, foi possível determinar qual as trajetórias do terceiro grau de liberdade (torsão) de acordo com o plano de Listing. Além disso, caracterizamos a dinâmica do nosso sistema recém-construído quantitativamente, para que possamos prever sinais de controlo que se assemelhem aos comandos cerebrais. How our brain is able to successfully control our movements is not yet fully understood. Even apparently simple tasks like recognizing and grabbing a pen from the table are still very difficult to achieve with current robots. This is not only because the robot’s anatomy differs, but also because we still don’t know the neural mechanisms that select the observed consistent muscle activations from infinitely many alternatives. In this thesis, we build and analyse a robotized eye that has some essential similarities to the real 3D human eye anatomy. The goal is to control this model eye in such a way that its movements resemble real human eye movements, and to get a better understanding of the underlying control principles of these movements. With it, we intend to approximate future robotic control to the human’s nervous system, and also have a better comprehension of how the brain controls movement, and why it follows certain rules. The preliminary experiments with our robotic eye provide some answers on how the neural constraints on eye orientation, described by Donders’ and Listing’s laws, may relate to its mechanics and dynamics. With this, we were able to determine the third degree of freedom (roll) trajectories with respect to Listing’s Plane. Furthermore, we characterized the dynamics of our newly built system quantitatively, so that we may predict control signals that resemble the real brain commands.

Authors in the community:

• 

  M

  Miguel Ruiz Callé Lucas

  ist176781

Supervisors of this institution:

• 

  A

  Alexandre José Malheiro Bernardino

  ist13761

202093050

Mestrado em Engenharia Aeroespacial

mechanical-engineering - Mechanical engineering

Keywords

• anatomia do olho humano
• olho robótico
• lei de Donders
• lei de Listing
• comandos cerebrais
• human eye anatomy
• robotic eye
• Donders’ law
• Listing’s law
• brain commands

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