Aktif ayak-ayak bileği ortezin tasarımı ve veri güdümlü öngörülü kontrolü
Design and data-driven predictive control of an active ankle-foot orthosis
- Tez No: 562913
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERKAN KAPLANOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Bu tez çalışmasında, serebral palsi, felç ve multiple skleroz gibi ortopedik veya nörolojik rahatsızlıklardan dolayı yürümekte zorluk çeken insanlar için kullanılacak olan aktif ayak-ayak bileği ortezin tasarımı, prototip üretimi ve istenilen yürüyüş yörüngesini takip etmesini sağlayacak olan bir veri güdümlü öngörülü kontrol algoritmasının sağlanması amaçlanmıştır. Pnömatik yapay kas, pnömatik döner aktüatör ve termoplastik malzemeden meydana gelen bir aktif ayak-ayak bileği ortez prototipi geliştirilmiştir. Bu aktüatör yapısı ile yürüyüş sırasında hem plantar fleksiyon hem de dorsifleksiyon hareketlerinin pozisyon kontrolü ve tork desteği sağlanmıştır. Geliştirilen cihaz“Pnömatik Ayak-Ayak Bileği Ortezi (P-AFO)”olarak isimlendirilmiştir. Prototip cihazın aktüatörleri veri güdümlü öngörülü kontrol algoritmasıyla kontrol edilmiştir. Önerilen kontrol algoritması MATLAB/M-File/Simulink kullanılarak geliştirilmiştir. Bu kontrol algoritmasında kontrol kuralını oluşturmak için, alt uzay temelli bir model kestirim yöntemiyle sistem modeli belirlenen ufuk boyunca sistemin geçmiş verileri ile çıkarılmış ve öngörülü kontrol için kontrol kuralı yazılmıştır. Ayrıca kontrol algoritmasının belirlenen ufuk boyunca geçmiş giriş ve çıkış değerlerine bakarak çalışıyor olması süregelen tedavi sürecinde oluşacak ilerleme veya anormal durumların kontrol kuralına eklenmesini ve tedavi sürecinin eşzamanlı uyumlu bir yapıda ilerlemesini sağlamaktadır. P-AFO, Solid Edge yazılımı kullanılarak üç boyutlu olarak tasarlanmıştır. Destek bölümleri, alt bacağı ve ayağı içerisine alacak biçimde termoplastik malzemeden üretilmiştir. Pnömatik yapay kas ve pnömatik döner aktüatör' ün destek bölümlerine montajı için gerekli olan bağlantı noktaları 3D yazıcı kullanılarak üretilmiştir. P-AFO'nun kontrolü için gerçek zamanlı bir kontrol deney düzeneği oluşturulmuştur. Önerilen kontrolör ile PID kontrolcünün basamak ve yörünge takip performansları karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlara göre prototipin kullanılabilirliği ve önerilen kontrolörün PID kontrolcüden aynı koşullar altında daha iyi performans sergilediği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, it is aimed to design and develop an active ankle-foot orthosis to be used for orthopedic or neurological disorders such as cerebral palsy, paralysis and multiple sclerosis, and to provide a data-driven predictive control algorithm that will enable the orthosis to follow the desired gait trajectory. A prototype was developed, consisting of a pneumatic artificial muscle, a pneumatic rotary actuator, and thermoplastic materials. With this actuator structure, position control and torque support of both plantar flexion and dorsiflexion movements during walking are provided. The developed device is called as“Pneumatic Ankle-Foot Orthosis (P-AFO)”. The actuators of the prototype were controlled by a data-driven predictive control algorithm. The proposed control algorithm was developed using MATLAB/M-File/Simulink. In order to establish the control rule in this control algorithm, a subspace-based model estimation method was used to extract the system model along the horizon with the historical data of the system and the control rule for predictive control was written. In addition, the control algorithm works by looking at the past input and output values along the defined horizon, allowing the progress or abnormal conditions to be added to the control rule and the progress of the treatment process in a synchronous structure. P-AFO was modeled in three dimensions using Solid Edge software. The support sections are made of thermoplastic material, including the lower leg and the foot. The connection points required for the installation of the pneumatic artificial muscle and pneumatic rotary actuator in the support sections are produced by a 3D printer. A real-time control experiment setup was created for the control of P-AFO. Step and trajectory follow-up performances of the proposed controller and PID controller were compared. According to the experimental results, the usability of the prototype and the proposed controller performed better than the PID controller under the same conditions.
Benzer Tezler
- Development and control of lower limb active orthosis for athlete rehabilitation
Sporcu rehabilitasyonuna yönelik alt ekstremite aktif ortez geliştirilmesi ve kontrolü
MOHAMMED I. F. MANSOUR
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ÇAĞRİ KUTLU
- Stability and control of a compass gait model walking with series-elastic ankle actuation
Pergel yürüme modelinin bilekte seri yaylı eyleyici ile denetimi ve kontrolü
DENİZ KERİMOĞLU
Doktora
İngilizce
2017
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
DOÇ. DR. ULUÇ SARANLI
- Amatör futbol oyuncuları ile amatör dövüş sporcularının ayak biyomekanik yapısı ile statik denge becerileri arasındaki ilişki
Relationship between foot-ankle biomechanic structure and static balance ability of amateur football players and combat sports athletes
ERTUĞRUL ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
SporDüzce ÜniversitesiBeden Eğitimi ve Spor Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURPER ÖZBAR
- Esnek pes planuslu bireylerde egzersiz tedavisinin etkinliği
Effectiveness of exercise treatment in flexible pes planus individuals
EMİNE DİLEK KURBALOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Fizyoterapi ve Rehabilitasyonİstanbul Medipol ÜniversitesiFizyoterapi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU POLAT
- Development of neural network based algorithm of active ankle prosthesis using gait analysis data
Yürüme analiz verileri kullanılarak aktif ayak bileği protezinin sinir ağı tabanlı algoritmasının geliştirilmesi
AHMET DOĞUKAN KELEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
BiyoteknolojiBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ALİ YÜCESOY