Modeling verticality estimation during locomotion

par Ildar Farkhatdinov

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Vincent Hayward et de Hannah Michalska.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

  • Titre traduit

    Modélisation de l’estimation de la verticalité au cours de la locomotion


  • Résumé

    Nous proposons un modèle du système vestibulaire. Le développement du modèle est basé sur les principes de la dynamique de Newton-Euler, régissant le mouvement des corps contraints à osciller en trois dimensions dans un référentiel non-Galiléen. Les otolithes du système vestibulaire constituent un exemple de tel système et ont été modélisés comme des pendules sphériques amortis. Deux modèles ont été proposés. Le modèle medial est constitué d’une seule oreille interne se trouvant au centre de la tête. Le modèle latéral est constitué de deux oreilles internes situées latéralement par rapport au centre de la tête. Un test d’observabilité a permis de montrer que pour que l’orientation de la tête soit une quantité observable, la tête doit être stabilisée. Nous montrons que le problème de l’ambiguïté gravito-inertielle peut être résolu si la tête est stabilisée horizontalement. Ces résultats ont été appliqués pour estimer la verticalité gravitationnelle lors de la locomotion dans le cas linéarisé et dans le cas non-linéaire. Les résultats des simulations ont montré que les erreurs d'estimation sont significativement plus faibles et que les observateurs convergent plus rapidement et de façon plus robuste quand la tête est stabilisée. Cela conduit à un système non-linéaire où observation et la commande sont combinés, pouvant être stabilisé par rapport à la verticale gravitationnelle. Les résultats sont testés avec un système expérimental spécialement conçu pour représenter le système tête-cou et les organes vestibulaires. Les résultats sont utiles à l'analyse de la perception spatiale chez les humains et pour l’amélioration des capacités sensorielles des systèmes robotiques.


  • Résumé

    A nonlinear model of the vestibular system is proposed. The model was constructed from general considerations regarding the Newton-Euler dynamics governing the three-dimensional movements of bodies constrained to oscillate in non-inertial frames, such as the otoliths, which were modeled as spherical damped pendula. Two configurations were considered. The medial model considered only one inner ear located in the center of a head. The lateral model considered two inner ears located laterally with respect to the center of rotation of the head. An observability test was used to verify whether the reconstruction of the head orientation with respect to the gravitational vertical was possible from otoliths measurements only. It could be shown that in order for the head vertical orientation to be observable, the head had to be stabilized during locomotion. It was shown that the gravitoinertial ambiguity could be resolved if the head was horizontally stabilized. The results were applied to solve the head vertical orientation estimation problem. The simulations indicated that the estimation errors were smaller and the observers converged faster when head was stabilized during locomotion, leading to a nonlinear, combined observation-control system that could be stabilized with respect to the gravitational vertical. The results were tested with an experimental setup that comprised an actuated gimbal mechanism to represent the head-neck system and a liquid-based inclinometer that represented the otoliths organs. The findings derived from this research would be helpful for analyzing spatial perception in humans, and for improving the perceptual capabilities of robotic systems.

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  • Détails : 1 vol. (113 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.91-105. Index

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