Design, implementation and control of an overground gait and balance trainer with an active pelvis-hip exoskeleton
Aktif pelvis-kalça dış iskeletli zemin üzeri yürüyüş ve denge rehabilitasyon cihazının tasarımı, uygulanması ve kontrolü
- Tez No: 478680
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
İnsan lokomosyonu, günlük yaşam aktivitelerini gerçekleştirmek için çok önemlidir ve yürümedeki engellilik, yaşam kalitesinde belirgin bir düşüşe neden olmaktadır.Yürüyüş rehabilitasyon terapisinin uygulanması, bu tür özürlülüklerin neden olduğu olumsuz etkileri gidermek için zorunludur.Yürüme terapisinin; yoğun, çok tekrarlı ve hastaların aktif katılımına izin verdiği zaman daha etkili olduğu bilinmektedir. Robotik cihazlar, terapistin fiziksel yükünü ortadan kaldırıp, artan tekrarda güvenli ve çok çeşili rehabilitasyon hareketlerini mümkün kılarken aynı zamanda hastanın iyileşmesininin nicel ölçümlerine izin verdiği için yürüyüş rehabilitasyon terapilerinin bşarıyla uygulanmasında kolaylık sağlamaktadır. Yürüme terapileri, hastalarda doğal bir yürüyüş modeli oluşturmak için eşgüdümlü ve tekrarlanan bir şekilde hastaların belirli eklemlerine uygulanmalıdır. Yürüyüş hareketininin etkin olarak gerçekleştirilmesi için altı temel hareket etmeninin gerekli olduğu ve bu etmenlerdeki düzensizliklerin yürüyüş modelinde patolojik rahatsızlıklara sebep olduğu belirlenmiştir. Altı temel yürüme etmeninden üçü pelvik eklem hareketleridir. Bu nedenle, etkili bir yürüyüş rehabilitasyon robotunun insan pelvisinin hareketlerini kontrol edebilmesi beklenmektedir. Bu tezde robot destekli bir rehabilitasyon sistemi olan ve hasta alt ekstremitelerinde sakatlık olan hastaların yürüyüş ve denge yetilerini iyileştirmek için geliştirilen AssistOn-Gait'in; tasarım, uygulama, kontrol ve deneysel doğrulamasını sunuyoruz. Zemin üzeri yürüme ve denge eğitimine ek olarak, AssistOn-Gait, alt ekstremite dış iskeletlerini kullanarak uygulanabilecek terapilerin türünü genişletip, anormal yürüyüş şekillerinden kaynaklanan telafi hareketlerini düzeltmeyi amaçlayan pelvis-kalça egzersizleri sunabilir. Zemin üzeri yürüme ve denge eğitimine ek olarak, AssistOn-Gait, alt ekstremite dış iskeletlerini kullanarak uygulanabilecek terapilerin türünü genişletip, anormal yürüyüş şekillerinden kaynaklanan telafi hareketlerini düzeltmeyi amaçlayan pelvis-kalça egzersizleri sunabilir. Pelvis kalça dış iskelet sistemi, her kalçanın bağımsız olarak kontrolü için sagital düzlemdeki rotasyonu, pelvik rotasyon, pelvik eğilme, lateral pelvik yer değiştirme ve sagital düzlemdeki pelvik yer değiştirmeler ile 7 aktif serbestlik derecesine sahiptir. Seri elastik vücut ağırlığı destek sistemi, vücudun düşey hareketlerinden kaynaklanan atalet kuvvetlerini telafi ederken, aynı zamanda hastanın kilosunun bir yüzdesini desteklemek için dinamik boşaltma sağlayabilir. Holonomik mobil taban, hastaların zemin üzerinde hareketlerini izleyebilir. Böylece hastalar doğal şekilde yürüyebilir, hareketlerini başlatıp durdurabilir, hızlarını değiştirebilir, dengelerini korumak için yana adım atabilir ve yürüme yönlerini değiştirmek için vücutlarını döndürebilirler. Dinamik vücut ağırlığı desteği olsun veya olmasın, zemin üzeri ve koşu bandı tabanlı eğitim için farklı konfigürasyonlar sağlamak amacıyla bu modüllerin her biri bağımsız olarak veya birbiriyle birlikte kullanılabilir. AssistOn-Gait'in pelvis kalça dış iskelet sistemi, pelvis-kalça kompleksinin hem pasif hareketlerini hem de bağımsız aktif empedans kontrolünü sağlamak için hastaya özel bir koşum takımı ile bağlanan iki pasif geri döndürülebilir düzlemsel paralel mekanizma kullanılarak inşa edilmiştir. Dahası, ekstoskelet kendini hizalama özelliğine sahiptir. Yani hastanın kalça dönüş eksenleri ile sajital düzlemdeki cihaz eksenleri arasında ideal bir eşleşme olanağı sağlayarak, eklem eksenlerinin dönüş merkezini otomatik olarak ayarlayabilir. Bu özellik, sadece terapi boyunca ergonomiyi ve rahatlığı garanti etmekle kalmaz aynı zamanda kalça eklemi için kullanılabilir hareket alanını da genişletir. Dahası, bu özellik, hastayı ekskkeletere bağlamak için gereken kurulum süresini de önemli ölçüde kısaltır. Harici iskelet, ayrıca, pelvis-kalça kompleksinin çeşitli serbestlik dereceleri arasındaki koordinasyon ve senkronizasyonu garanti etmek için gerekli sanal kısıtlamaları uygulamak ve doğal yürüyüş döngüleri sırasında hastalara yardımcı olmak için kullanılabilir. Dış iskelet modülü, mobil platformun kapsadığı tüm özgürlük derecelerini kapsadığı için AssistOn-Gait'in genel kinematiği artık özgürlük derecelerine sahiptir. Ayrıca, mobil tabanın hareket kontrolü, hastanın ağırlığını ve dış iskeletini taşımak için tasarlandığından, cihaz, iki katmanlı harekete geçirme özelliğine sahiptir, çünkü dış iskelet modülü iyi bir şeffaflıkla kuvvet kontrolü için tasarlanmıştır. Artık kinematikli, iki katmanlı eyleme sistemin hareketli tabanının herhangi bir ilave sensöre gerek kalmadan çalışma alanı merkezleme kontrol stratejisi kullanılarak kontrol edilmesine olanak tanır, çünkü hasta hareketi, dış iskelet modülü tarafından kolaylıkla ölçülebilir. Çalışma alanı merkezleme denetleyicisi, hareketli tabanın dinamiklerini dış iskelet dinamiklerinden ayıracak şekilde, dış iskelet modülünün çalışma alanı sınırlarına erişilmemesini sağlar. Sonuç olarak, AssistOn-Gait dış iskelet modülü ile aynı çıktı empedansı ve kuvvet oluşturma performansına sahipken, aynı zamanda neredeyse sınırsız çalışma alanına sahiptir. Mobil platform, hasta hareketlerini yönlendirmek için sanal demirbaşlar üretmek için de kullanılabilir. AssistOn-Gait'in ergonomisi ve kullanışlılığı birçok insan deneyiyle test edilmiştir. Deneysel sonuçlar, AssistOn-Gait'in istenen düzeydeki ergonomiyi ve pasif geri sürülebilirliği sağlayabileceğini doğrulamaktadır; zira sıfır empedans modundaki cihaz ile yürüyüş modelleri, deneklerin doğal yürüyüşünden büyük oranda sapmadığını göstermektedir. Ayrıca, AssistOn-Gait tarafından sağlanan sanal kısıtlamalar ve kuvvet-geri besleme yardımının, arzu edilen düzeltici yürüyüş modellerinin tekrarlanabilirliğini sağlamak için yeterli olduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Human locomotion is crucial for performing activities of daily living and any disability in gait causes a significant decrease in the quality of life. Gait rehabilitation therapy is imperative to improve adverse effects caused by such disabilities. Gait therapies are known to be more effective when they are intense, repetitive, and allow for active involvement of patients. Robotic devices excel in performing repetitive gait rehabilitation therapies as they can eliminate the physical burden of the therapist, enable safe and versatile training with increased intensity, while allowing quantitative measurements of patient progress. Gait therapies need to be applied to specific joints of patients such that the joints work in a coordinated and repetitious sequence to generate a natural gait pattern. Six determinants of gait pattern have been identified that lead to efficient locomotion and any irregularities in these determinants result in pathological gaits. Three of these six basic gait determinants include movements of the pelvic joint; therefore, an effective gait rehabilitation robot is expected to be capable of controlling the movements of the human pelvis. We present the design, implementation, control, and experimental verification of AssistOn-Gait, a robot-assisted trainer, for restoration and improvement of gait and balance of patients with disabilities affecting their lower extremities. In addition to overground gait and balance training, AssistOn-Gait can deliver pelvis-hip exercises aimed to correct compensatory movements arising from abnormal gait patterns, extending the type of therapies that can be administered using lower extremity exoskeletons. AssistOn-Gait features a modular design, consisting of an impedance controlled, self-aligning pelvis-hip exoskeleton, supported by a motion controlled holonomic mobile platform and a series-elastic body weight support system. The pelvis-hip exoskeleton possesses 7 active degrees of freedom to independently control the rotation of the each hip in the sagittal plane along with the pelvic rotation, the pelvic tilt, lateral pelvic displacement, and the pelvic displacements in the sagittal plane. The series elastic body weight support system can provide dynamic unloading to support a percentage of a patient's weight, while also compensating for the inertial forces caused by the vertical movements of the body. The holonomic mobile base can track the movements of patients on flat surfaces, allowing patients to walk naturally, start/stop motion, vary their speed, sidestep to maintain balance, and turn to change their walking direction. Each of these modules can be used independently or in combination with each other, to provide different configurations for overground and treadmill based training with and without dynamic body weight support. The pelvis-hip exoskeleton of AssistOn-Gait is constructed using two passively backdrivable planar parallel mechanisms connected to the patient with a custom harness, to enable both passive movements and independent active impedance control of the pelvis-hip complex. Furthermore, the exoskeleton is self-aligning; it can automatically adjust the center of rotation of its joint axes, enabling an ideal match between patient's hip rotation axes and the device axes in the sagittal plane. This feature not only guarantees ergonomy and comfort throughout the therapy, but also extends the usable range of motion for the hip joint. Moreover, this feature significantly shortens the setup time required to attach the patient to the exoskeleton. The exoskeleton can also be used to implement virtual constraints to ensure coordination and synchronization between various degrees of freedom of the pelvis-hip complex and to assist patients as-needed for natural gait cycles. The overall kinematics of AssistOn-Gait is redundant, as the exoskeleton module spans all the degrees of freedom covered by the mobile platform. Furthermore, the device features dual layer actuation, since the exoskeleton module is designed for force control with good transparency, while the mobile base is designed for motion control to carry the weight of the patient and the exoskeleton. The kinematically redundant dual layer actuation enables the mobile base of the system to be controlled using workspace centering control strategy without the need for any additional sensors, since the patient movements are readily measured by the exoskeleton module. The workspace centering controller ensures that the workspace limits of the exoskeleton module are not reached, decoupling the dynamics of the mobile base from the dynamics of the exoskeleton. Consequently, AssistOn-Gait possesses virtually unlimited workspace, while featuring the same output impedance and force rendering performance as its exoskeleton module. The mobile platform can also be used to generate virtual fixtures to guide patient movements. The ergonomy and useability of AssistOn-Gait have been tested with several human subject experiments. The experimental results verify that AssistOn-Gait can achieve the desired level of ergonomy and passive backdrivability, as the gait patterns with the device in zero impedance mode are shown not to significantly deviate from the natural gait of the subjects. Furthermore, virtual constraints and force-feedback assistance provided by AssistOn-Gait have been shown to be adequate to ensure repeatability of desired corrective gait patterns.
Benzer Tezler
- Lojistik sistemlerin yapay sinir ağları ile modellenmesi, gerçeklenmesi ve kontrolü
Modeling, implementation and control of logistics systems using artificial neural networks
MURAT ERMİŞ
Doktora
Türkçe
2005
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. FÜSUN ÜLENGİL
- Bulanık tabanlı kazanç düzenlemeli model referans uyarlamalı denetleyici ile demir üretim süreçleri yüksek fırın gaz temizleme tank sistemi denetimi
Control of blast furnace gas cleaning tank system in iron making process using fuzzy based gain regulated model reference adaptive controller
ÖZGÜR ASLAN
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RIFAT HACIOĞLU
- Toplam kalite yönetimi ve Türkiye'de uygulanması üzerine bir araştırma
Total quality management and a research about its implementation in Turkey
DİLEK ERERTEM
- Bulanık mantık kullanılarak trafik kontrolünün tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of an intelligent traffic control system by using fuzzy logic
MUSTAFA S. MAHMOOD
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAnkara ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İMAN ASKERBEYLİ
- Design and implementation of an autonomous vehicle enhanced by advanced driver assistance systems (ADAS) using ML
ML kullanarak gelişmiş sürücü destek sistemleri (ADAS) ile geliştirilmiş otonom bir aracın tasarımı ve uygulanması
MUSTAFA OUDAH HANI ALSAEDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇAĞDAŞ A TİLLA