Textile based sensing system for leg motion monitoring
Bacak hareketi izleme için tekstil tabanlı algılama sistemi
- Tez No: 540770
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN İNCE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Günümüz teknolojisinde, ufak boyutlu, ucuz ve düşük enerji ihtiyacı olan çiplerin üretilmesi ile elektronik ürünler tekstil ürünleri ile entegre olmaya başlamıştır. Tekstil alanında yapılan çalışmalar ile tekstil ürünlerinin dış ortamlara karşı vermiş olduğu elektriksel tepkilerden e-tekstiller ortaya çıkmıştır. Elektronik, bilgisayar, kontrol ve tekstil alanlarında yapılan multidisipliner çalışmalar ile de artık bu elektronik tekstiller kullanıcıların kullanabileceği sistemlere dönüşmeye başlamıştır. Elektronik tekstilleri spor eğitimi, robotik, sağlık görüntülemesi, vücut hareket analizi gibi farklı alanlardaki uygulamalarda görmek mümkündür. Tekstil yapılı sensörlerin rezistif, kapasitif, optik ve solar olarak dört farklı çeşidi bulunmaktadır. Hareket yakalama sistemlerinde kapasitif ve rezistif sensörler kullanılabilmektedir. rezistif sensörlerin düşük lineerlik, drift problemi ve yüksek tepki süresi gibi dezavantajları bulunmaktadır, buna karşılık kapasitif sensörler ise yüksek lineerlik, düşük tepki süresi ve yüksek çözünürlük gibi iyi özelliklere sahiptir. Kapasitif sensörlerin birçok avantajı bulunmasına rağmen, sensör ve ölçüm cihazı arasındaki mesafeden kaynaklı, ölçümde gürültü oluşmaktadır. Hareket yakalama sistemleri ise optik, manyetik ve mekanik olmak üzere üç farklı tekniğe dayanmaktadır. Optik hareket sistemleri görüntü işleme yöntemleri kullanılarak kişilerin iskelet yapısının çıkartılması prensibine göre çalışmaktadır. Fakat bu sistemin belirli bir alanda ölçümleme yapabilmesi ve hesaplama birimlerinde de yüksek işlem gücü gerektirmesi gibi birçok dezavantajı bulunmaktadır. Manyetik hareket yakalama sistemleri ise vücuda yerleştirilen manyetik sensörler aracılığı ile eklem açılarının bulunması prensibine dayanmaktadır. Bu sistemde optik sistemlerin aksine, belirli bir alanda çalışma ve yüksek işlem gücü gerektirmemektedir. Fakat bu sistemler manyetik sensörler kullandığı için metal, elektronik devreler vb. elektromanyetik etki yaratacak nesnelerden etkilenmektedir. Mekanik sistemlerde ise eklemlerin üzerine yerleştirilen sensörler aracılığı ile eklem açıları belirlenmektedir. Bu sistemler, manyetik alandan etkilenmezler ve belirli bir alanda kullanılma zorunluluğu yoktur. Sensör verileri ise eklem verisine eşit olduğu için hesaplama yükü bulunmamaktadır. Buna rağmen, bu tarz hareket yakalama sistemlerinde sensörleri içeren özel kıyafetler kullanılmalıdır. Bu özel kıyafetlerin maliyeti bu tarz hareket yakalama sistemlerinin en büyük dezavantajıdır. Bu tezde, tekstil tabanlı kapasitif sensörlerin ölçümünde mesafeye bağlı oluşan gürültünün azaltılarak ölçüm kalitesinin arttırılması, tekstile entegrasyonu olan bir prototip oluşturulması, donanım prototipinden verileri alacak, kullanıcıya gösterecek ve depolayacak hareket yakalama sisteminin oluşturulması konularını ele almaktadır. Bu tez kapasitif sensörlerin büyük problemi olan mesafeye bağlı olarak ölçümlerde oluşan gürültü problemine odaklanmaktadır. Bu sayede kapasitif sensörlerin avantajlarından yararlanmak mümkün olmaktadır. Sistemin elektriksel tasarımı mikrodenetleyiciler, verici, iletim yolu, sensör, cep telefonu ve bataryadan oluşmaktadır. Mikrodenetleyiciler sensöre en yakın noktaya yerleştirilmiştir. Böylece mesafeye bağlı olarak oluşan gürültü en aza indirilmiştir. Mikrodenetleyiciler vericiye iletim yolu ile bağlıdır. Verici mikrodenetleyiciye bu yoldan hem isteklerini hem de güç aktarımı yapmaktadır. Mikrodenetleyici de vericiden gelen veri isteği için ölçüm yapar ve aynı hat üzerinden aktarır. Sistemde I2C bağlantısı kullanıldığı için de güç ve veri hattı için toplamda dört kablo iletim hattı oluşturulmuştur. Verici de aldığı verileri Bluetooth bağlantısı üzerinden mobil cihaza aktarmaktadır. Tasarlanan tüm sistem vericiye bağlanan batarya ile beslenmektedir. Mikrodenetleyici ile kapasitans ölçümünde genellikle doldur-boşalt yöntemi kullanılmaktadır. Fakat sensörün kapasitans değeri düşük olduğu için, kapasitans dolma ve boşalma süreleri çok kısadır. Bu sürede zaman sabitini bulabilmek için yüzlerce megahertzlerlik bir mikrodenetleyiciye ihtiyaç duyulmaktaydı. Bu sebeple, kapasitans ölçümünde sistemde gerilim bölücü yöntemi kullanılmıştır. Sensörün kapasitans verisi mikro işlemcinin iç kapasitans değerinden yararlanarak bulunmaktadır. Verici cihazı da bir mikro denetleyici olduğu için veri transferi için mikrodenetleyiciler arası haberleşme yöntemleri kullanılması gerekmektedir. Verici ve mikrodenetleyicilerimizin desteklediği haberleşme protokolleri UART, SPI ve I2C'dir. UART ile birebir iletişim yapıldığı için ve her yeni mikrodenetleyici eklemek için ek iki adet hat gerekli olduğu için bu protokol sistem için çok uygun değildir. SPI birçok iyi özelliği olmasına rağmen, her çip için ayrı çip seçim portuna ihtiyaç duyduğu için bu protokolde sistem için çok uygun değildir. İki adet kablo ile onlarca cihazı konuşturabilmesi ve kolay kurum gibi özellikleri nedeniyle I2C'nin sistemde kullanılması uygun görülmüştür. Mobil cihaz üzerinden veri alınabilmesi için bir Android uygulaması geliştirilmiştir. Uygulama cihazdan aldığı veriyi hem kullanıcıya göstermekte hem de sunucuya aktarmaktadır. Server ise aldığı veriyi hem veritabanına kaydetmekte hem de anlık olarak diğer web istemcilere göndermektedir. Hazırlanan web önyüzü ile de ölçüm sonuçları anlık olarak görüntülenebilmektedir. Ek olarak geçmişe yönelik ölçüm verileri de web önyüzde görüntülenebilmektedir. Veri iletişiminin hızlı ve anlık olması adına web servis, telefon ve web istemcileri arasındaki yazılım soket programlama ile yapılmıştır. Sistemde kullanılan sensör tekstil tabanlı esnek kapasitif sensördür. Bu sensör, iki adet iletken kumaş ve bir adet dielektrik malzemeden oluşmaktadır. Sensör paralel levhalı kapasitör gibi davranmaktadır. Sensörün boyundaki değişim, sensörün elektrod alanını arttırmaktadır. Bu artışda sensörün kapasitansını arttırmaktadır. Tasarımın tekstil entegrasyonunda, sensör dizlik kullanılarak diz üzerine yerleştirilmiştir. Mikrodenetleyiciler de sensöre en yakın noktaya yerleştirilmiş ve sensör bağlantısı yapılmıştır. Verici ve mikrodenetleyiciler arasında kurulacak olan iletim hattı iletken ipliklerden oluşturulmuştur. Bu iletken iplikler, kumaş şerit üzerine dikilmiştir. Bu sayede prototip ile gerçek üründe kullanılacak olan iletken ipliklerin testi de yapılmıştır. Prototip ile yapılan ölçümde test objesi, önce yürümekte, daha sonra durmakta ve son olarak da çömelme hareketi yapmaktadır. Yürüme esnasında, ölçüm verisinden yürüyüş aşamalarının tüm özellikleri çıkartılabilmektedir. Teorik ve pratik sonuçlar karşılaştırıldığında benzerdir. Aynı zamanda her iki dizden toplanan sinyaller karşılaştırıldığında, yürüyüş hareketine paralel olarak, sinyaller arasında faz farkı bulunmaktadır. İkinci aşama olan durma anında da sinyallerde değişim olmamaktır. Son aşama olan çömelme hareketinde, her iki sinyal birbiri ile paralel şekilde hareket etmekte ve aralarında faz farkı olmamaktadır. Tüm aşamalar incelendiğinde sistem başarılı bir şekilde dizdeki hareket yakalama yapabildiği doğrulanmıştır. Bu tez kapasitif sensörlerin büyük problemi olan mesafeye bağlı olarak ölçüm sonuçlarında oluşan gürültü problemini en az seviyeye indirmiştir. Ek olarak, kullanıcılardan veri toplayacak ve uçtan uca veri gönderebilecek bir sistem hazırlanmıştır. Sistem en uygun fiyatlı malzemeler kullanılarak tasarlandığı için ticarileşmeye de uygun olacaktır. Sonraki çalışmalarda bu yapılan çalışmalar kullanılarak, sağlık domaininde hastalar için takip sistemi, fizyoterapi uygulamaları, sporcu uygulamaları vb. geliştirilebilir. Bu tez aynı zamanda yeni çalışma alanları açtığı için bilime de önemli katkısı olacaktır.
Özet (Çeviri)
In recent years, electronic products have become integrated with textile products with the production of chips having small size, being cheap and needing low energy need. Thanks to research in the field of textile, e-textile was born from the electrical response of textile product to the physical environments. With the multidisciplinary studies carried out in the fields of electronics, computers, control, and textiles, these electronic textiles are now being transformed into products used by consumers. It is possible to see electronic textiles in different fields such as sports training, robotics, health imaging, body motion analysis, etc. The textile based sensors have four different types: resistive, capacitive, optical and solar. Capacitive and resistive sensors can be used in motion capture systems. Resistive sensors have disadvantages such as low linearity, drift problem and high response time, whereas capacitive sensors have good features such as high linearity, low response time and high resolution. Although capacitive sensors have many advantages, noise is generated in the measurement due to the distance between the sensor and the measuring device. Motion capture systems, rely on three different techniques: optical, magnetic and mechanical. Optical motion detection systems operate according to the principle of extracting the skeletal structure of humans by using image processing methods. However, this system has many disadvantages such as the ability to measure in a specific area and require high processing cost in the calculation units. Magnetic motion capture systems are based on the principle of finding joint angles by magnetic sensors placed on the body. Unlike optical motion capture systems, these systems do not require a specific area of operation and high processing cost. However, these systems are affected by objects such as metals and circuits that will create an electromagnetic effect since these systems use magnetic sensors. In mechanical systems, joint angles are determined by sensors placed on the joints. These systems are not affected by the magnetic field and are not required to be used in a specific area. Since the sensor data is equal to the joint data, there is no calculation load. However, special clothing equipped with sensors should be used in such motion capture systems. The cost of this special clothing is the biggest drawback of such motion capture systems. This thesis deals with increasing the measurement quality by reducing the noise due to distance in the measurement of textile based capacitive sensors, creating a prototype with integration to textiles, and developing a motion monitoring system that will receive and store data from the prototype. This thesis focuses on the problem of noise in the measurement results due to the distance which is the biggest problem of capacitive sensors. This makes it possible to make use of the advantage of the capacitive sensors. The electrical system consists of textile based capacitive sensors, microcontrollers, bus, a transmitter, a mobile phone, and a battery. Microcontrollers are placed closest to the sensor. Thus, the noise caused by the distance is minimized. The microcontrollers are connected to the transmitter via bus. The transmitter transmits both requests and power to microcontrollers via the bus. The microcontroller measures and transmits them to the transmitter via the same line. Since the I2C connection is used in the system, the four-wire bus is created for the power and data line. The transmitter transmits the received data to the mobile phone via a Bluetooth connection. The entire system is fed with the battery connected to the transmitter. An Android application has been developed to receive data over a mobile device. The application shows the data to the user and sends them to the server. The server saves the data to the database and also sends it to other web clients instantly. With the prepared web front end, the measurement results are displayed instantaneously. In addition, historical measurement data is displayed on the web front end. Data communication between the web service, phone and web clients is made by socket programming to be fast and instantaneous. The sensor used in the system is a textile based flexible capacitive sensor. This sensor consists of two conductive fabrics and the dielectric material. The sensor acts as a parallel plate capacitor. The increase in the length of the sensor increases the electrode area of the sensor. This change also increases the capacitance of the sensor. In the textile integration of the design, the sensor is placed on the knee using the knee bracket. The microcontrollers are also located near the sensor and connected to the sensor. The bus to be established between the transmitters and the microcontrollers is made of conductive yarns. These conductive yarns are sewn on the fabric strip. In this way, the prototype will be tested under similar conditions to the commercial product to be prepared in the future. In the experiments with the prototype, the test object walks first, then stops, and finally makes a squatting motion. During walking, all characteristics of phases of gait can be extracted from the measurement data. The theoretical and practical results are similar when compared. At the same time, when the signals from both knees are compared, there is a phase difference between the signals parallel to the walking. In the motionless phase, there is no change in the signals. During the squatting motion, both signals move simultaneously, and there is no phase difference between them. When all stages are examined, it is verified the system successfully performs the lower limb motion capturing. The contribution of thesis is that we minimized the noise generated in the measurement results due to the distance which is the biggest problem of capacitive sensors. In addition, a system was prepared to collect data from users and send end-to-end data. Since the system is designed with low-priced materials, it will be suitable to be commercialized. In following studies, a follow-up system for patients in the health care domain, physiotherapy applications, and sports applications etc. can be developed. This thesis will also contribute to science as it opens new fields of study.
Benzer Tezler
- Development of textile-based resistive pressure sensing socks in diabetes mellitus for early detection of DFU
Şeker hastalarında diyabetik ayak ülseri erken tespiti için tekstil bazlı rezistif basınç algılayıcı çorapların geliştirilmesi
ABDULLAH ÖMER TOSUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
- Graphene textiles towards soft wearable interfaces for electroocular remote control of objects
Elektrookülar nesne kontrolünde grafen tekstil arayüz kullanımı
ATA JEDARI GOLPARVAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KAYA YAPICI
- Textile-based soft robotics for active assistance and rehabilitation
Aktif destek ve rehabilitasyon için tekstil tabanlı yumuşak robotikler
AYŞE FEYZA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
PROF. DR. FATMA KALAOĞLU
- Graphene conductive inks for an effective textile based respiratory sensor system
Tekstil esaslı solunum sensör sistemi için grafen iletken mürekkepler
KIVANÇ ÖZIŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
- Development of structural health monitoring system for fiber reinforced polymer composites
Elyaf takviyeli polimer kompozit malzemeler için yapısal sağlık izleme sistemi geliştirilmesi
SHAH RUKH SHAHBAZ
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER BERK BERKALP