Optimal exoskeleton design and e ffective human-in-the-loop control frameworks for rehabilitation robotics
Rehabilitasyon robotları için optimal dış-iskelet ve etkin insan etkileşimli kontrol çatıları tasarımı
- Tez No: 389477
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizyoterapi ve Rehabilitasyon, Mekatronik Mühendisliği, Physiotherapy and Rehabilitation, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 223
Özet
Fiziksel rehabilitasyon için tasarlanan robotik sistemler, tekrara dayalı hareketlerin maliyetini azaltmaları, hastaların iyileşmelerini nicel ölçütlerle takip edebilmeleri ve daha etkili rehabilitasyon protokollerine olanak sağlamaları açısından büyük ilgi görmektedirler. Bu tez, rehabilitasyon robotlarının optimal tasarımı ve terapi egzersizlerinin etkili uygulanabilmesi için sistematik çatıların tasarımını amaçlamaktadır. Tasarım çatısı dizayn gereksinimlerinin belirlenmesi, sınıflandırılması ve bu gereksinimlerin tüm dizayn aşamalarında sağlanması üzerine kurulmuştur. Bilhassa; güvenlik, ergonomi ve giyilebilirlik gibi mecburi gereksinimleri korumak için uygun kinematik tip seçimi, tekilliksiz çalışma alanı üzerinde tanımlanan bütünsel kinematik ve dinamik performansın eniyileştirilmesi için optimal boyutsal sentez ve Grassman satır geometrisi ile hesaplanan tekilliksiz en yüksek çalışma alanı hacmi için çalışma alanı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, robotun çalışma uzayında düzgün tanımlanmış hata metrikleri üzerine kurulmuş ve insan ve robot sisteminin bağlaşık kararlılığını garanti edebilen insan etkileşimli kontrol tasarımı uygulanmıştır. Ön-kol ve bilek hareketleri, günlük hayat faaliyetlerini yerine getirmek için kritik öneme sahiptirler. Sinirbilimsel sakatlıklardan sonra bu eklemlerin iyileşmesi, hastaların fonksiyonel yeterliliklerini kazanmalarında önem teşkil eder. Bu nedenle, bu tezde öne sürülen optimal tasarım çatısı, vaka incelemesi olarak, bir ön-kol ve bilek dış-iskelet yapısı için uygulanmıştır. Bilhassa sistemin kinematik yapısı olarak bakışımsız 3RPS-R cihazı seçilmiştir ve cihazın çalışma alanı ve çoklu kriterli optimizasyonlarından sonraki performansının çalışma alanı hacminde 27%, pozisyon kontrolü bant-genişliğinde 32% ve kinematik izotropide 17% olduğu deneysel olarak karakterize edilmiştir.Rehabilitasyon terapisinde her etapta kullanılmak üzere ön-kol bilek dış-iskeleti için SO(3) uzayında yerel kontrolörler tasarlanmıştır: Rahatsızlığın erken safhalarında kritik durumdaki hastalar gezinge izleme kontrolörleri ile pasif olarak hareket ettirilirken, empedans kontrol uygulamaları sanal duvarlar benzetimi ve sanal gerçeklik ortamlarıyla haptik etkileşimi sağlayabilir. Pasif kontur izleme kontrolör tasarımı ise yüksek serbestlik dereceli hareketlerin senkronizasyon ve koordinasyonuna olanak sağlarken, istek konturun takibindeki tempoyu hastanın belirlemesine izin verir. Ayrıca, yerel kontrolörler üzerinden hastanın terapist ile beraber çevirim içi bir şekilde sanal dinamik görevleri yapmasını sağlayan çok yönlü bir kontrol mimarisi uygulanmıştır. Bu mimari sayesinde, denetim yetkisinin değiştirilmesi ile kontrol otoritesi hasta ile terapist arasında ayarlanabilir ve terapist hastanın gelişimini değerlendirebilir. Bu sayede uzaktan ve grup terapileri ile mesafeli değerlendirme çalışmaları olanaklı olur. Etkin robotik terapilerin tasarımı için, görev parametrelerinin çevirim içi değişimi ile hastanın aktif olarak egzersizlerde katılım sağlayabildiği ve bunu yaparken hastanın güvenliğini garanti edebilen bir kontrol çatısı sunulmuştur. Bilhassa, pasif hız alanı kontrolün parametrik eğriler üzerinden çevirim içi hız alanı oluşumu ile pekiştirilmesiyle, verilen görevin zamansal, uzaysal ve verilen destek değerleri pürüzsüzce değiştirilebilir ve bunları yaparken dış kuvvetlere karşı sistem pasif kalır. Sağlıklı insan deneyleri ile öne sürülen kontrol çatısının gerektiği kadar destek verebildiği, hastaların kaytarmalarını engellediği ve tekrara dayalı hareketleri tekrara düşmeden iletebildiği delile dayalı olarak gösterilmiştir. Son olarak, uzun süreli iyileşme protokollerinin etkin bir şekilde tasarlanması için, insan motor kontrol sisteminin ritmik dinamik sistemlerle etkileşiminde adaptasyonunu incelemek adına ani değişimli sağlıklı insan deneyleri yürütülmüştür. Eşdeğer transfer fonksiyonlarından da yararlanılarak elde edilen sonuçlar şu istatistik delillere işaret etmektedir: i) kuvvet geri-beslemesi, görsel geri-beslemeye göre ritmik dinamik bir görevde daha baskındır ii) görevi tamamlamak için gereken efor arttıkça, yeni dinamik sisteme adaptasyon yavaşlar ki bu da görev performansı ile sağlanan haptik geri-besleme oranı arasında temel bir ödünleşim olduğunu gösterir. İnsan motor sisteminin öğrenmesinin sinirbilimsel iyileşmeye benzemesi sayesinde, burada bulunan sonuçlar robotik rehabilitasyon protokollerinin tasarımı için kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Robotic devices designed for physical rehabilitation attract much attention, since they decrease the cost of repetitive movement therapies, enable quantitative measurement of the patient progress and promise development of more effective rehabilitation protocols. The goal of this dissertation is to provide systematic frameworks for optimal design of rehabilitation robots and effective delivery of therapeutic exercises. The design framework is built upon identification and categorization of the design requirements, and satisfaction of them through several design stages. In particular, type selection is performed to ensure imperative design requirements of safety, ergonomy and wearability, optimal dimensional synthesis is undertaken to maximize global kinematic and dynamic performance defined over the singularity-free workspace volume, while workspace optimization is performed to utilize maximum singularity-free device workspace computed via Grassmann line theory. Then, humanin-the-loop controllers that ensure coupled stability of the human-robot system are implemented in the robot task space using appropriate error metrics. The design framework is demonstrated on a forearm-wrist exoskeleton, since forearm and wrist rotations are critical in performing activities of daily living and recovery of these joints is essential for achieving functional independence of patients. In particular, a non-symmetric 3RPS-R mechanism is selected as the underlying kinematics type and the performance improvements due to workspace and multi-criteria optimizations are experimentally characterized as 27 % larger workspace volume, 32 % higher position control bandwidth and 17 % increase in kinematic isotropy when compared to a similar device in the literature. The exoskeleton is also shown to feature high passive back-driveability and accurate stiffness rendering capability, even under open-loop impedance control. Local controllers to accommodate for each stage of rehabilitation therapies are designed for the forearm-wrist exoskeleton in SO(3): trajectory tracking controllers are designed for early stages of rehabilitation when severely injured patients are kept passive, impedance controllers are designed to render virtual tunnels implementing forbidden regions in the device workspace and allowing for haptic interactions with virtual environments,and passive contour tracking controllers are implemented to allow for rehabilitation exercises that emphasize coordination and synchronization of multi degrees-of-freedom movements, while leaving the exact timing along the desired contour to the patient. These local controllers are incorporated into a multi-lateral shared controller architecture, which allows for patients to train with online virtual dynamic tasks in collaboration with a therapist. Utilizing this control architecture not only enables the shift of control authority of each agent so that therapists can guide or evaluate movements of patients or share the control with them, but also enables the implementation of remote and group therapies, as well as remote assessments. The proposed control framework to deliver effective robotic therapies can ensure active involvement of patients through online modification of the task parameters, while simultaneously guaranteeing their safety. In particular, utilizing passive velocity field control and extending it with a method for online generation of velocity fields for parametric curves, temporal, spatial and assistive aspects of a desired task can be seamlessly modified online, while ensuring passivity with respect to externally applied forces. Through human subject experiments, this control framework is shown to be effective in delivering evidence-based rehabilitation therapies, providing assistance as-needed, preventing slacking behavior of patients, and delivering repetitive therapies without exact repetition. Lastly, to guide design of effective rehabilitation treatment protocols, a set of healthy human subject experiments are conducted in order to identify underlying principles of adaptation mechanism of human motor control system. In these catch-trial based experiments, equivalent transfer functions are utilized during execution of rhythmic dynamic tasks. Statistical evidence suggests that i) force feedback is the dominant factor that guides human adaptation while performing fast rhythmic dynamic tasks rather than the visual feedback and ii) as the effort required to perform the task increases, the rate of adaptation decreases; indicating a fundamental trade-off between task performance and level of force feedback provided.
Benzer Tezler
- Simulation based optimal design of exoskeletons to reduce metabolic cost and improve energy efficiency
Dış iskeletlerin metabolik desteğinin ve enerji sarfiyatının benzetim tabanlı optimizasyonu
ALI KHALILIAN MOTAMED BONAB
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. VOLKAN PATOĞLU
- Optimal design of the robotic exoskeleton for hand rehabilitation
El rehabilitasyonu için geliştirilen harici iskeletin optimal tasarımı
MOHAMMAD HASSAN GOL MOHAMMADZADEH
Doktora
İngilizce
2019
Mekatronik MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMühendislik Sistemlerinin Modellenmesi ve Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ BÜLENT ERTAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ KUTLUK BİLGE ARIKAN
- Design optimization and control of a parallel lower-arm exoskeleton
Paralel mekanizma tabanlı alt kol dış iskeletinin kontrolü ve tasarım eniyileştirmesi
RAMAZAN ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Diş hekimleri için giyilebilir dış iskelet tasarımı
Designing wearable exoskeleton for dentists
İFFET PALA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN GAZİ TÜRKSOY
- Nanomaterials in macromolecular synthesis
Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı
AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI