Design and tele-impedance control of a variable stiffness transradial hand prosthesis
Değişken esnekliğe sahip dirsek altı el protezinin tasarımı ve uzaktan empedans kontrolü
- Tez No: 389501
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Mekatronik Mühendisliği, Biotechnology, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Dünya Sağlık Örgütünce yapılan araştırmalara göre, dünya üzerinde üst ekstremite ampüte bireylerinin yarısı kadarı protez hizmeti alırken, bu grubun da sadece yarısı kadarı istikrarlı olarak protez kullanımını sürdürebilmektedir. Kullanım seviyesindeki düşüşün önde gelen sebepleri arasında, protezlerin günlük aktivitelerin gerçekleştirilmesi sırasında kullanımlarının kolay ve elverişli olmayışları, ve piyasada yüksek fiyatlarla satışa sunulmaları yer almaktadır. Belirtilen problemlerin çözümüne yönelik olarak bu doktora tez çalışmasında, düşük maliyetli, kişiye özel ölçülerde ayarlanabilen, doğal kontrol arayüzü ile kontrol edilebilen değişken esnekliğe sahip transradial el protezinin dizaynı, üretimi, deneysel değerlendirmesinden bahsedilmiştir. Transradial el protezi, tendon ile sürülebilen, eksik eyleyicili ve çevreye uyumlu parmaklara sahip olması sayesinde düşük maliyetli, gürbüz, adaptif ve hafiflik özellikleri ile ön plana çıkmaktadır. Özellikle, parmaklar tendon ile sürülen, eksik eyleyicili mekanizmalar olarak tasarlanmış olduğundan değişik geometrideki objelere adapte olabilir, antagonistik olarak yerleştirilen ve Bowden-kablo ile tahriklenen değişken esnekliğe sahip eyleyicinin (DESE) sağladığı empedans değişimini herbir falanksa kolaylıkla aktarabilmektedirler. Kuvvet aktarımının Bowden-kablo yöntemi ile gerçekleştirilmesi eyleyicilerin, redüktör ve güç ünitesinin el protezinden ayrı olarak daha uzak bir bölgede yerleştirilmesine imkan sağladığından, protezin ağırlığını büyük ölçüde azaltmaya yardımcı olur. Bununla birlikte, transradial el protezi, 3D yazıcı gibi üretim prosesleri sayesinde kolay ve düşük maliyet ile ampüte bireyin ihtiyaçlarına yönelik olarak ölçülendirilerek üretilebilir. Değişken esnekliğe sahip transradial el protezinin uzaktan empedans kontrolü, yEMG sinyallerinden faydalanılarak tasarlamış olduğumuz doğal insan-makine ara yüzü ile gerçekleştirilir. Bu arayüz ile DESE mekanizması, ampüte bir bireyin protezin empedansını günlük aktivitenin ihtiyacına yönelik olarak kontrol edebilmesine imkan sağlamaktadır. Protezin empedans değişimi ampüte bireyin canlı kas grubundan algılanan yEMG sinyalleri tarafından doğal ve otomatik olarak kontrol edilirken, pozisyon değişimi ise göğüs ve omuz altında yer alan kas gruplarından algılanan yEMG sinyalleri aracılığı ile ampütenin istemine bağlı olarak kontrol edilir. Böylelikle, önerilen arayüz sayesinde empedans kontrolü için vücudun sağlam kısımlarına müdahale edilmemiş ve ampüte için kullanım kolaylığı sağlanmış olur. Mekanik tasarım ve kontrol arayüzünün birbiri ile uyumu, ampütenin günlük aktivitelerin ihtiyaçlarına kolaylıkla adapte olmasını sağlar ve böylelikle protezin kullanımının öğrenilmesi için uzun rehabilitasyon süreçleri gerektirmez. Transradial el protezinin uzaktan empedans kontrolü deneysel olarak test edilmiştir. Sonuçlar, pozisyon ve empedans kontrol referanslarının yEMG sinyalleri aracılığı ile başarılı bir şekilde hesaplandığını ve DESE ile transradial el protezinin başarılı bir şekilde kontrol edildiğini göstermektedir. Aktiviteye dayalı empedans değişiminin ampütelerin yeteneklerindeki artışa olan etkisi bir seri insanlı deneyler gerçekleştirilerek incelenmiştir. Deneyler sırasında, transradial el protezi sağlıklı bireylerin ön koluna fiziksel olarak bağlanır ve bağlanan bu protez ile belirlenen görevleri yerine getirmeleri beklenir. Protezin deneğin koluna bağlanması, ampüte bir bireyin yaşadığı koşullara yakın bir durumun sağlanmasına, çevre ile etkileşim sırasında doğan kuvvetlerin protez aracılığı ile bireye aktarılmasına, ve deney sırasında sağlıklı bir el-göz koordinasyonunun sağlanmasına olanak tanır. Deneyde farklı seviyelerde insan kolunun empedans değişimine ihtiyaç duyan üç görev talep edilmiştir: i) temas kuvvetini küçültme görevi (yüksek esneklik seviyesi durumu) ii) gidişizi takibi görevi (düşük esneklik seviyesi durumu), ve iii) değişken esnekliğe sahip çevre ile etkileşim görevi (ayarlanabilir kol esnekliği durumu). Deneysel sonuçlar göreve dayalı empedans değişiminin kullanıcının performansını iyileştirdiğine işaret etmektedir. Önerilen değişken esnekliğe sahip transradial el protezi, ampütenin günlük aktivitelerini daha yüksek bir kabiliyet ile gerçekleştirmesi ve yaşam standartını iyileştirmesi yönünden umut vaadedici bir tasarım niteliği taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
According to the World Health Organization, only about the half of upper extremity amputees receive prosthetic limbs and only the half of this group consistently use their prosthetic limbs. The prominent reasons that hinder widespread adaptation of prosthetic devices are their high cost, non-intuitive control interface and insufficient dexterity for performing activities of daily living. This dissertation aims to address these challenges and presents the design, implementation, experimental characterization and human subject studies of a low cost, customizable, variable stiffness transradial hand prosthesis controlled through a natural human-machine interface. The transradial hand prosthesis features a low cost, robust, adaptive and lightweight design, thanks to its tendon-driven, under-actuated, compliant fingers and variable stiffness actuation. In particular, the under-actuated compliant fingers feature high dexterity by naturally adapting to different object geometries and provide impact resistance. Antagonistically arranged Bowden-cable based variable stiffness actuation enables independent modulation of the impedance and position of the main tendon of prosthesis. Moreover, Bowden-cable based transmission allows for the actuator/reduction/power module to be opportunistically placed remotely, away from the transradial hand prosthesis, helping significantly decrease the weight of the device. Furthermore, the transradial hand prosthesis, including the compliant fingers, can be implemented through simple and low-cost manufacturing processes, such as 3D printing, and each prosthesis can be customized to ensure an ideal fit to match the needs of the transradial amputee. The tele-impedance control of the variable stiffness transradial hand prosthesis is performed through a natural human-machine interface based on surface electromyography (sEMG) signals. This interface, together with variable stiffness actuation, enables the amputee to modulate the impedance of the prosthetic limb to properly match the requirements of the task at hand, while performing activities of daily living. In particular, the regulation of the impedance is managed through the impedance estimations extracted from sEMG of intact muscle groups of the amputated arm; this control takes place naturally and automatically as the amputee interacts with the environment, while position of the prosthesis is regulated intentionally by the amputee through sEMG signals collected from the muscles placed under shoulder and chest. The proposed approach is advantageous, since the impedance regulation takes place naturally from task to task or during execution of a single task without requiring amputees' attention and diminishing their functional capability. Consequently, the proposed interface does not require long training periods or interfere with control of intact body segments, and provides amputee with ease of use. The performance of the transradial hand prosthesis under tele-impedance control is experimentally evaluated. Experimental results indicate that both position and stiffness can be adequately estimated using sEMG signals and rendered through variable stiffness actuator of the transradial hand prosthesis. The effectiveness of task-dependent impedance modulation in increasing amputees' dexterity while interacting with a variety of environments is investigated through a set of human subject experiments. In particular, healthy volunteers are physically attached to the transradial hand prosthesis and are asked to perform several tasks using the prosthesis. The attachment of the prosthesis to the volunteer is designed to ensure realistic scenarios, by allowing interaction forces between the prosthesis and the environment to be appropriately transmitted through the physical couplings, while also ensuring consistent placement of the prosthesis for good hand-eye coordination. Three tasks that demand different levels of human arm impedance are administered: i) a contact force minimization task (low arm stiffness case), ii) a trajectory tracking task (high arm stiffness case), and iii) interaction with a variable impedance environment (modulated arm stiffness case). Experimental results provide evidence that enabling task-dependent impedance modulation significantly improves user performance; hence, the proposed variable stiffness transradial hand prosthesis holds high promise in increasing the dexterity of an amputees while executing activities of daily living, improving their quality of life.
Benzer Tezler
- Biyolojik işaretlerin elde edilip işlenmesi
Biomedical signal acquisition and processing
OSMAN OKTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. MEHMET KORÜREK
- Initial modeling and simulation of subscriber loops for ISDN
Başlık çevirisi yok
AGAH TAZEGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
1988
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiPROF. DR. MEHMET BÜLENT SANKUR
- Virtual design studios organizational aspects and their role in design collaboration
Sanal tasarım stüdyoları, organizasyon boyutu ve kollektif tasarımdaki yeri
CEM KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
MimarlıkOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CAN BAYKAN
- Design and control of a pneumatically driven MRI-compatible tele operated haptic interface
Başlık çevirisi yok
MELİH TÜRKSEVEN
- Design and realization of a microassembly workstation
Mikromontaj iş istasyonu tasarımı ve üretümi
EMRAH DENİZ KUNT
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASİF SABANOVİC