Simulation based optimal design of exoskeletons to reduce metabolic cost and improve energy efficiency
Dış iskeletlerin metabolik desteğinin ve enerji sarfiyatının benzetim tabanlı optimizasyonu
- Tez No: 680359
- Danışmanlar: PROF. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Giyilebilir robotik yardımcı cihazlar, insan hareketinin metabolik verimliliğini artırma potansiyeline sahiptir. Sistematik bir mekatronik dizayn yaklaşımı olmadığından dolayı, insanın harcadığı metabolik enerjiyi azaltabilecek dış iskeletler geliştirmek zordur. Sistematik bir tasarım yaklaşımı, farklı dış iskelet tasarımları ve yardımcı tork profillerinin insanın yürürken harcadığı enerjiyi adil ve titiz bir şekilde karşılaş- tırmasını zorunlu kılar. Bu tür araştırmaların fiziksel cihazlarla insan denek deneyleri yoluyla yürütülmesi genellikle mümkün değildir, ancak kas-iskelet modellerine dayanan tasarım çalışmaları, cihazların ve çeşitli yardımcı torkların kas alımı ve metabolik maliyet üzerindeki etkisi sistematik olarak çalışılabildiğinden, etkili tasarım kılavuzları sağlamada büyük umut vaat etmektedir. Bu tezde, hareketin metabolik maliyetini azaltan dış iskeletlerin sistematik olarak tasarlanması için simülasyon tabanlı bir tasarım yaklaşımı ele alınmıştır . Bu doğrultuda, farklı dış iskelet tasarımlarının ve yardımcı torkların hareketininsanın harcadığı enerji üzerindeki etkilerinin, aktüatör torkları üzerindeki bazı gerçekçi fiziksel sınırlar altında titiz ve adil bir şekilde karşılaştırılmasını sağlamak için bir Pareto optimizasyon yaklaşımı önerilmektedir. Önerilen sistematik mekatronik sistem tasarım yaklaşımı, aktuatörleri eklemlerde olmayan bir dış iskelet tasarımı sunarak ve etkinliğini yaygın olarak kullanılan aktuatörleri eklemlerde olan dış iskeletlerle karşılaştırarak gösterilmiştir. Özellikle,, aktuatörleri eklemlerde olmayan ve olan dış iskeletlerde, kalça-diz dış iskeletlerinin sağladığı yardım sayesinde güç tüketimi ve metabolizma hızının azalması, yüksüz ve yüklü yürüme koşullarında eşzamanlı olarak optimize edilir ve bu tür cihazlar arasında detaylı bir karşılaştırma sunuldu. Dahası, rejenerasyonun dış iskeletlerin güç tüketimi üzerindeki etkisi ve dış iskeletlerin eylemsizlik özelliklerinin hareketin metabolik maliyeti üzerindeki zararlı etkileri, bu etkiler Pareto-ön eğrilere üst üste getirilerek incelenmiştir. Sonuçlarımız, ağır yüklerin optimum destek profilleri üzerindeki etkisini açıklamakta ve aktüatör tork sınırlaması, cihaz ataleti ve rejenerasyon etkileri altında optimum cihaz konfigürasyonlarını seçme konusunda kılavuzlar sağlamaktadır. Cihazların çok kriterli karşılaştırması, bir yandan, her iki dış iskelet tarafından da benzer destek seviyelerinin elde edilebileceğini göstermektedir; Öte yandan, aktuatörleri eklemlerde olan dış iskeletler, tepe tepkime kuvvetlerini azaltmada daha iyi performans gösterirken, aktuatörleri eklemlerde olmayan dış iskeletlerin güç tüketimleri deneklerin yüklenmesinden daha az etkilenir. Ayrıca, cihaz ataletinin dahil edilmesi, deneklerin metabolik enerji üzerinde önemli ölçüde daha az zararlı etkilere neden olur ve aktuatörleri eklemlerde olmayan dış iskeletler için çözümlerin Pareto-optimalliğini etkilemezken, baskın olmayan konfigürasyonlar ise aktuatörleri eklemlerde olan dış iskeletler için cihaz ataletinden önemli ölçüde etkilenir.
Özet (Çeviri)
Wearable robotic assistive devices have the potential to improve the metabolic efficiency of human locomotion. Developing exoskeletons that can reduce the metabolic cost of human locomotion is challenging, since there is no systematic mechatronic design approach for the design of such exoskeletons. A systematic design approach necessitates a means for a rigorous and fair comparison of effects of different exoskeleton designs and assistance torque profiles on the human metabolic cost of locomotion. Conducting such investigations through human subject experiments with physical devices is generally infeasible, while design studies relying on musculoskeletal models hold high promise in providing effective design guidelines, as the effect of devices and various assistance torques on muscle recruitment and metabolic cost can be studied systematically. In this thesis, a simulation-based design approach is introduced to systematically design exoskeletons that reduce the metabolic cost of locomotion. Along these lines, a Pareto optimization approach is proposed to enable rigorous and fair comparisons of effects of different exoskeletons designs and assistance torques on the metabolic cost of locomotion, under some realistic physical limits on actuator torques. The proposed systematic mechatronics system design approach is demonstrated by introducing a bi-articular exoskeleton design and comparing its efficiency with commonly used mono-articular exoskeletons. In particular, the power consumption of and metabolic rate reduction due to assistance provided by bi-articular and mono-articular hip-knee exoskeletons are optimized simultaneously during unloaded and loaded walking conditions, and rigorous comparison among such devices is presented. Furthermore, the effect of regeneration on the power consumption of exoskeletons and the detrimental effects of inertial properties of exoskeletons on the metabolic cost of locomotion are studied by superposing these effects on the Pareto-front curves. Our results explain the effect of heavy loads on the optimal assistance profiles and provide guidelines on choosing the optimal device configurations under actuator torque limitation, device inertia, and regeneration effects. The multi-criteria comparison of devices indicates that on the one hand, similar assistance levels can be achieved by both exoskeletons; on the other hand, mono-articular exoskeletons demonstrate better performance on reducing the peak reaction forces, while the power consumptions of bi-articular exoskeletons are less affected by the loading of subjects. Furthermore, the inclusion of device inertia results in significantly less detrimental effects on the metabolic cost of subjects and does not affect the Pareto-optimality of solutions for bi-articular exoskeletons, while non-dominated configurations are significantly affected by the device inertia for mono-articular exoskeletons.
Benzer Tezler
- Design optimization and control of a parallel lower-arm exoskeleton
Paralel mekanizma tabanlı alt kol dış iskeletinin kontrolü ve tasarım eniyileştirmesi
RAMAZAN ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Optimal design of the robotic exoskeleton for hand rehabilitation
El rehabilitasyonu için geliştirilen harici iskeletin optimal tasarımı
MOHAMMAD HASSAN GOL MOHAMMADZADEH
Doktora
İngilizce
2019
Mekatronik MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMühendislik Sistemlerinin Modellenmesi ve Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ BÜLENT ERTAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ KUTLUK BİLGE ARIKAN
- Durum bağımlı Riccati denklemi tabanlı optimal kontrolcü tasarımı ve üç serbestlik dereceli helikopter uygulaması
State dependent Riccati equation based optimal controller design and application of three degree of freedom helicopter
AHMET ÇAĞRI ARICAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Havacılık MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCİ
- Asenkron motorun işletme kayıplarının sürücü ve kontrol tabanlı azaltılması
Drive and control based reduction of operational loss in induction motor
BARIŞ CEVHER
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA TURAN
- Oklu kren tasarımı ve sonlu elemanlar metoduyla analizi
Boom crane design and analysis with finite element method
ONUR TAV
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL GERDEMELİ