Design, Implementation, Control, and User Evaluations of AssistOn-Arm Self-Aligning Upper-Extremity Exoskeleton
Kendinden Hizalamalı Üst Ekstremite Dış İskeleti AssistOn-Arm'ın Tasarımı, Uygulaması, Kontrolü ve Kullanıcı Değerlendirmeleri
- Tez No: 604748
- Danışmanlar: PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU, PROF. DR. ERHAN BUDAK, DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizyoterapi ve Rehabilitasyon, Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Physiotherapy and Rehabilitation, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Fizik tedavi ve rehabilitasyon, nörolojik sakatlıkların tedavisinde vazgeçilmez bir tedavi yöntemidir. Rehabilitasyon amaçlı kullanılan robotik cihazlar, yoğun tedavi seanslarında terapistlerin fiziksel yükünü hafifletebilmektedirler. Robot destekli rehabilitasyon cihazları her seviyedeki hastalara uygulanabilmeleri, tedavi yoğunluğunun ve süresinin kolay ayarlanabilmesine izin vermeleri, kişileştirilmiş ve interaktif tedavi protokollerini gerçekleştirmeleri nedeniyle avantajlıdırlar. Ayrıca, robotik cihazlar tek bir terapistin aynı anda birden fazla hastayı tedavi etmesine olanak sağlamakta; bundan dolayı her hastaya bir ya da daha fazla terapistin eşlik etmesi gereken manuel tedaviye kıyasla tedavi masraflarının azaltılmasına yardımcı olmaktadırlar. Bunun yanında, uygulanan robotik tedavilerin nitelik ve yoğunluğu, terapistin hünerine ve yorgunluğuna bağlı olmayıp, yüksek yoğunluklu robotik tedaviler her zaman yüksek hassasiyetle verilebilmektedir. Robotik cihazlar, yapılarındaki sensörleri sayesinde, tedavi süresince ölçüm yaparak hastaların gelişimini nicel olarak takip edebilmekte ve kanıta dayalı kişileştirilmiş rehabilitasyon programlarının geliştirilmesine olanak sağlamaktadırlar. Bu çalışmada, robot destekli üst-ekstremite rehabilitasyonu için tahrikli ve kendinden hizalamalı bir dış iskelet olarak geliştirilen AssistOn-Arm'ın tasarımı, kontrolü, karakterizasyonu ve kullanıcı değerlendirmeleri sunulmuştur. Pasif geri-sürülebilir empedans tipi bir robot olarak tasarlanan AssistOn-Arm, hastalar ve terapistler tarafından cihazın dinamiği hissedilmeden kolayca hareket ettirebilmekte ve bu sayede egzersizlerin doğal bir şekilde gerçekleştirilmesine imkan vermektedir. Özgün kinematik yapısı ve mekanik şeffaflığı sayesinde pasif bir şekilde kendinden hizalamayı gerçekleştirebilen AssistOn-Arm, dış-iskelet ile insan eklemleri arasında ideal eşleşmeyi sağlamakta, böylece fiziksel tedavi süresince ergonomiyi ve konforu garanti etmektedir. Kendinden hizalama özelliği sayesinde AssistOn-Arm, hem üst-ekstremite robot destekli egzersizlerinin kullanılabilir hareket alanını artırarak insan çalışma alanını kapsamakta, hem de glenohumeral öteleme hareketleri (skapulaya ait elevasyon/depresyon ve öne doğru uzanma/geri çekme) ile skapular stabilizasyon egzersizlerinin kullanıcılara uygulanmasını sağlayarak, üst-ekstremite dış iskeletleri tarafından uygulanabilen terapi çeşitliliğini arttırabilmektedir. Ayrıca, AssistOn-Arm'ın kendinden hizalama özelliği robotun hastalara bağlanması için gereken süreyi önemli ölçüde azaltmaktadır. Yüksek geri-sürülebilirliğe sahip empedans tipi bir cihaz olarak tasarlanan AssistOn-Arm ile kuvvet sensörlerine gerek duyulmadan kuvvet kontrolü yapılabilmekte, açık-döngü empedans kontrolü ile yüksek fiziksel etkileşim kontrol performansı elde edilebilmektedir. Bu kontrol mimarisi yalnızca uygulamayı kolaylaştırmakla kalmakla kalmayıp, ayrıca açık-döngü kuvvet kontrolcüsünün kuvvet geri beslemesine ait olan temel bant genişliği ve kararlılık kısıtlarına tabi olmamasından dolayı, bağlaşık kararlılık gürbüz bir şekilde garanti edilebilmektedir. Deneysel karakterizasyon ve sağlıklı gönüllüler ile yapılan kullanıcı çalışmaları, AssistOn-Arm'ın kolay kullanımını, çalışma alanı ve kontrol performansını teyit etmiştir.
Özet (Çeviri)
Physical rehabilitation therapy is indispensable for treating neurological disabilities. The use of robotic devices for rehabilitation holds high promise, since these devices can bear the physical burden of rehabilitation exercises during intense therapy sessions, while therapists are employed as decision makers. Robot-assisted rehabilitation devices are advantageous as they can be applied to patients with all levels of impairment, allow for easy tuning of the duration and intensity of therapies and enable customized, interactive treatment protocols. Moreover, since robotic devices are particularly good at repetitive tasks, rehabilitation robots can decrease the physical burden on therapists and enable a single therapist to supervise multiple patients simultaneously; hence, help to lower cost of therapies. While the intensity and quality of manually delivered therapies depend on the skill and fatigue level of therapists, high-intensity robotic therapies can always be delivered with high accuracy. Thanks to their integrated sensors, robotic devices can gather measurements throughout therapies, enable quantitative tracking of patient progress and development of evidence-based personalized rehabilitation programs. In this dissertation, we present the design, control, characterization and user evaluations of AssistOn-Arm, a powered, self-aligning exoskeleton for robot-assisted upper-extremity rehabilitation. AssistOn-Arm is designed as a passive back-driveable impedance-type robot such that patients/therapists can move the device transparently, without much interference of the device dynamics on natural movements. Thanks to its novel kinematics and mechanically transparent design, AssistOn-Arm can passively self-align its joint axes to provide an ideal match between human joint axes and the exoskeleton axes, guaranteeing ergonomic movements and comfort throughout physical therapies. The self-aligning property of AssistOn-Arm not only increases the usable range of motion for robot-assisted upper-extremity exercises to cover almost the whole human arm workspace, but also enables the delivery of glenohumeral mobilization (scapular elevation/depression and protraction/retraction) and scapular stabilization exercises, extending the type of therapies that can be administered using upper-extremity exoskeletons. Furthermore, the self-alignment property of AssistOn-Arm significantly shortens the setup time required to attach a patient to the exoskeleton. As an impedance-type device with high passive back-driveability, AssistOn-Arm can be force controlled without the need of force sensors; hence, high fidelity interaction control performance can be achieved with open-loop impedance control. This control architecture not only simplifies implementation, but also enhances safety (coupled stability robustness), since open-loop force control does not suffer from the fundamental bandwidth and stability limitations of force-feedback. Experimental characterizations and user studies with healthy volunteers confirm the transparency, range of motion, and control performance of AssistOn-Arm.
Benzer Tezler
- Design, implementation and control of a self-aligning full arm exoskeleton for physical rehabilitation
Üst extremite fiziksel rehabilitasyonu için kendinden hizalamalı bir tam kol dıs ıskeletinin tasarımı, uygulanması ve kontrolü
MUSTAFA YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizyoterapi ve RehabilitasyonSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Design, implementation, control and user evaluations of an active hip exoskeleton and a balance trainer
Aktif kalçca eksoskeletonu ve denge rehabilitasyonu robotunun tasarımı, uyguluması, kontrolu ve kullanıcı değgerlendirmeleri
ALİ YAŞAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Madde bağımlılarında dini başa çıkma ve psikolojik iyi oluş etkisinin karma yöntemle incelenmesi (Denetimli serbestlik örneği)
Examination of religious coping and psychological well-being effects by mixed methods in drug addiction (Example of probation)
EMRULLAH AKÇA
Doktora
Türkçe
2023
DinAtatürk ÜniversitesiFelsefe ve Din Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMED KIZILGEÇİT
- Yüksek binaların kavramsal tasarımında modelleme için mobil bir ortam
A mobile environment for modelling in the conceptual design of tall buildings
MEHMET EMİN BAYRAKTAR
- Esnek kullanımlı avuç izi bölgesine dayalı doğrulama sistemlerinin tasarım çalışması
A comprehensive study on flexible palmprint verification system design
MURAT AYKUT
Doktora
Türkçe
2013
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKaradeniz Teknik ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. MURAT EKİNCİ