Multi-muscle arm movements without planning: proposing a tunable, scalable and robust biomimetic controller

The goal of this thesis is to explore a novel biomimetic control approach for goal-oriented reaching tasks. Specifically, it will demonstrate that a simple spinal-like regulator can exhibit complex behaviours for a variety of movement paradigms. A unique controller is designed based on interpretations of simplified reflex circuits. In addition, special attention is paid to the relationship between the central and spinal motor centers and how they affect the generation of movement commands. It has been observed during visually guided reaching tasks that tectal maps project gain related stimuli to the periphery which may aid in system modulation. By designing the controller to include sensory-integration, it is hypothesized that gain modulation can facilitate unique modes or policies for various reaching tasks. These theories are examined in several essential paradigms that include control of reaching in robots, multi-muscle regulation and coordination in humans or monkeys, as well as kinematic and dynamic variability within each system.The symmetrical reach controller will demonstrate inherent robust behaviours that contrast to earlier theories in biomimetic control, but maintain those that are reminiscent of the biology. Specifically, the research will illustrate an ability to modulate speed, vary accuracy, tune trajectory paths, and even reject external noise, without any need for pre-computations or kinematic planning. Moreover, the system shows adaptive regulation based on sensory dependent stimuli that include internally perceived state estimates, and visually perceived kinematic changes. The thesis will also illustrate how the novel biomimetic controller supports biologically relevant characteristics such as dynamic muscle co-activation and learning as they apply to the underlying system. The theoretical and experimental work presented herein has implications for the development of several rehabilitative devices in biomedical engineering and for improved autonomy in mobile robots.Le but de cette thèse est d'explorer une nouvelle approche biomimétique de commande pour des tâches d'orientation du bras vers un but. Spécifiquement, il sera démontré qu'un simple régulateur de type moelle épinière peut présenter des comportements complexes pour une variété de paradigmes de mouvement. Un contrôleur unique est conçu se basant sur une interprétation simplifiée des circuits réflexes. En outre, une attention particulière est prêtée à la relation entre les centres moteurs des systèmes nerveux central et périphérique et comment ils affectent la production des commandes de mouvement. Pendant des tâches d'orientation visuellement guidées, il a été observé que les cartes des Colliculi projetaient des stimuli reliés au gain vers la périphérie, pouvant ainsi faciliter la modulation du système moteur. En concevant le contrôleur afin d'inclure l'intégration sensorielle, on présume que la modulation de gain peut faciliter des modes uniques pour diverses tâches d'atteinte. Ces théories sont examinées selon plusieurs paradigmes essentiels qui incluent la commande de l'atteinte chez les robots, la régulation des systèmes multi-musculaires et la coordination du bras chez l'homme ou le singe, ainsi que la variabilité cinématique et dynamique à l'intérieur de chaque mouvement. Le contrôleur symétrique démontrera que des comportements robustes sont inhérents dans la commande biomimétique, ce qui contraste avec des théories antérieures. Cependant, cette théorie demeure compatible avec les observations en biologie. Spécifiquement, la recherche illustrera la capacité de moduler la vitesse, changer l'exactitude, syntoniser des trajectoires et même rejeter le bruit externe, sans aucun pré-calcul ou planification cinématique. D'ailleurs, le système démontre une régulation adaptative basée sur les stimuli sensoriels qui incluent des estimations d'états internes perçus et des changements cinématiques visuellement perçus. La thèse illustrera également comment le contrôleur biomimétique soutient des caractéristiques biologiquement pertinentes telles que la co-activation dynamique de muscles antagonistes et l'apprentissage. Ce travail théorique et expérimental présenté ci-dessous a des implications pour le développement de plusieurs appareils de réadaptation dans le domaine technologie biomédicale ainsi que pour l'amélioration de l'autonomie chez les robots mobiles