Geri Dön

Textile-based soft robotics for active assistance and rehabilitation

Aktif destek ve rehabilitasyon için tekstil tabanlı yumuşak robotikler

PDF İndir

  1. Tez No: 887703
  2. Yazar: AYŞE FEYZA YILMAZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY, PROF. DR. FATMA KALAOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Biyomühendislik, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Bioengineering, Textile and Textile Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 229

Özet

İnsan vücudundaki iskelet kasları, günlük hayatımızda gerçekleştirdiğimiz çok çeşitli hareketlerin dinamik güç kaynaklarıdır. Bu kaslar, bir bardak tutmak gibi basit işlerden, yürüme ve spor yapma gibi daha karmaşık ve fiziksel olarak zorlayıcı aktivitelere kadar her türlü hareketi mümkün kılmaktadır. İskelet kasları, vücudun hareket mekanizmasında merkezi bir rol oynar ve bu nedenle günlük yaşamımızdaki hemen her faaliyetin temelidir. Ancak, yaralanmalar, travmalar veya belirli nöromüsküler bozukluklar nedeniyle bu kaslar işlevlerini kaybedebilmektedir. Bu tür bir kas kaybı, etkilenen bireylerin günlük yaşamında birçok zorluğa yol açar ve bağımsız hareket yeteneklerini ciddi şekilde kısıtlayabilmektedir. Kas fonksiyonundaki bozulmalar, bireylerin fiziksel aktivitelerini yerine getirme yeteneklerini kaybetmelerine, sosyal etkileşimlerinde kısıtlamalar yaşamasına ve genel yaşam kalitelerinin düşmesine neden olabilmektedir. Bu zorluklarla başa çıkmak için, bireylerin bağımsızlıklarını yeniden kazanmalarına ve yaşam kalitelerini artırmalarına yardımcı olmayı amaçlayan yumuşak robotik sistemler geliştirilmiştir. Yumuşak robotik sistemler, geleneksel sert robotik sistemlerden farklı olarak, daha yumuşak, esnek ve kullanıcı dostu yapıları sayesinde insan vücuduna daha uyumlu bir şekilde entegre olabilmektedir. Bu sistemler, kas benzeri kasılma hareketlerini taklit eden yumuşak torba motor yapıları kullanarak, kas fonksiyonu bozulmuş bireylere önemli ölçüde yardım sağlama potansiyeline sahiptir. Yumuşak torba motorlar, doğal kaslarda gözlemlenen hareketi ve işlevi taklit etme konusundaki yetenekleri sayesinde özel bir aktüatör sınıfı olarak ortaya çıkmıştır. Bu tür sistemler, kasların doğal hareketini taklit ederek, kullanıcılara daha doğal ve rahat bir hareket deneyimi sunmaktadır. Ancak, bu sistemlerin mevcut üretim teknikleri genellikle çok aşamalı süreçler içerir, yumuşak algılama yeteneklerinden yoksundur , kesilme ve hasara karşı hassasiyet gösterir. Bu sorunlar, yumuşak robotik sistemlerin geniş çapta kullanılabilirliğini ve dayanıklılığını sınırlamaktadır. Yumuşak torba motorlarının üretimi genellikle film ve tekstil malzemelere dayanmaktadır. Film malzemeler, esnek olmalarına rağmen, mekanik dayanıklılıkları düşüktür. Bu, uzun süreli veya yoğun kullanımda deformasyon veya yırtılma eğilimlerini artırmaktadır. Ayrıca, polimer film malzemeler esneklik sunsa da, giyilebilir cihazlar için gereken konfor seviyesini karşılamamaktadır. Uzun süreli kullanım için konfor ve esneklik hayati öneme sahiptir ve polimer film aktüatörler bu kriterleri karşılamakta yetersiz kalabilmektedir. Ayrıca, polimer film aktüatörlerinin estetik uyumu ve giyilebilir cihazlarla uyumluluğu sınırlı olabilmektedir. Bu faktörler göz önüne alındığında, polimer film aktüatörler genellikle giyilebilir teknoloji uygulamaları için çok fazla tercih edilmemektedir. Bunun yerine, tekstil gibi alternatif malzemeler; üstün konfor, esneklik ve entegrasyon yetenekleri sunarak giyilebilir cihaz tasarımı için daha uygun hale gelmektedir. Tekstiller; liflerden ipliklere, ipliklerden kumaşlara kadar uzanan hiyerarşik yapılarıyla, aktüatör geliştirme için çok yönlü bir platform sunmaktadır. Kumaş bazlı aktüatör literatürü, ağırlıklı olarak lazer kesim ve termal yapıştırma üretim yöntemleriyle ticari olarak temin edilebilen Termoplastik Poliüretan (TPU) kaplamalı dokuma kumaşlardan üretilen aktüatörlere odaklanmaktadır ve bu aktüatörler genellikle gömülü sensörlerden yoksundur. Dokuma kumaşlar, örme kumaşlara kıyasla daha az esnektir. Bu nedenle, torba motor aktüatörlerinin hareket aralığını kısıtlar ve karmaşık hareketleri gerçekleştirme yeteneklerini engelleyebilmektedir. Ayrıca, dokuma torba motorlarının üretim süreci, kitlesel üretim için daha yavaştır. Dokuma malzemelerin birleştirilmesi, özellikle büyük ölçekte, ek yöntemler veya ekipman gerektirdiğinden, bu durum üretim süresini ve maliyetlerini artırır, ayrıca üretim sürecini karmaşıklaştırabilir. Bu çalışmada, ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen iplik (Spectra®) ve iletken gümüş ipliklerin bilgisayarlı örme teknolojisiyle torba motorlarının tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Spectra ipliği, yumuşak torba motorlarının üretiminde temel malzeme olarak kullanılmış ve böylece kesilmeye karşı dayanıklılık gibi yüksek performans özellikleri torba motoruna aktarılmıştır. Bilgisayarlı örme teknolojisiyle üretilen torba motor aktüatörü, iki eksenli hareket ve kapasitif algılama işlevlerine sahiptir. Bu teknoloji, torba motorlarının hızlı ve ölçeklenebilir kitlesel üretimini sağlamaktadır. Ayak düşüklüğü uygulamasında kullanılması hedeflendiğinden torba motorunun boyutları, ayak genişliği, ayak ve ayak bileği bağlantı noktalarına göre optimize edilmiştir. Algılama özelliği kazandırmak için torba motorunun üretim sürecinde, iletken iplikler torba motorunun yapısına örülmüştür. Bu entegrasyon, elektrotların torba motorunun örülü yapısına sorunsuz bir şekilde gömülmesini sağlayarak, etkili elektrik iletkenliği ve işlevsellik kazandırılmıştır. Gömülü sensör, harici olarak bağlanan sensörlere kıyasla daha kararlıdır, bu da torba motorunun çalışması sırasında tutarlı ve güvenilir veri toplanmasını sağlamıştır. Örme teknolojisi kullanılarak sensörün torba motoruna gömülü halde üretim yaklaşımı, ek yapıştırıcılar veya ısı pres işlemlerine gerek duymadığı için dayanıklılığı ve uzun ömürlülüğü arttırmıştır. 12.85 gram olan torba motoru hafif tasarımıyla, kullanım kolaylığı sağlayarak yumuşak robotik uygulamaların genel ağırlığını etkili bir şekilde azaltmıştır. İzotonik (sabit yük) ve izometrik (sabit uzunluk) olarak adlandırılan aktüasyon testlerine tabi tutulmuştur. Üretilen torba motorları, 10 kilogramlık maksimum kaldırma kapasitesine, y ekseni boyunca %53,3'lük maksimum kasılma oranına ve 50 kPa basınçta x ekseni boyunca %41,18'lik enine uzamaya sahiptir. Sensör basınç duyarlılığı 722 × 10−4 kPa−1 'dır. Sonlu Elemanlar Analizi (FEA), torba motorlarının tasarım ve performansını doğrulayarak deneysel verileri %4 hata payıyla açıklamaktadır. Bu da, tasarımın ve teorik modellerin gerçeğe ne kadar uygun olduğunu göstermiştir. FEA, mühendislik tasarımlarının performansını ve güvenilirliğini değerlendirmek için kullanılan güçlü bir araçtır ve bu çalışmada, torba motorlarının gerçek dünya koşullarında nasıl çalışacağını anlamamıza yardımcı olmuştur. Ayrıca, kasılma hareketi ile ilişkili kapasitans sensörü sinyalleri, hava basıncı seviyelerini algılamak için uygun olup, robotik kontrol gerektiren uygulamalar için umut vaat etmektedir. Bu kese motorlarının potansiyelinin pratik bir gösterimi, ayağın ön kısmını kaldırma yeteneğini bozan bir durum olan ayak düşüklüğü olan bireylere destek sağlamak üzere tasarlanmış yumuşak bir ayak bileği dış kıyafeti (exosuit) geliştirilmesiyle sergilenmiştir. Exosuit, bir ayak bileği eklem simülatörünü 20 derece bir açıya etkili bir şekilde yükseltmiştir. Ayrıca, insan ayağına yaklaşık 35 derece dorsifleksiyon torku uygulanması 50 kPa basınç altında başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir, bu da mobilite zorluklarına yardımcı olma potansiyelini vurgulamaktadır. Bu çalışma, yumuşak robotik sistemlere hem hareket hem de algılama yeteneklerinin dahil edilmesinin önemini vurgulamaktadır, bu da işlevselliği ve kullanıcı deneyimini önemli ölçüde artırabilmektedir. Bu çalışma, yumuşak robotik alanını ilerletmekle kalmayıp, aynı zamanda kas fonksiyonu bozulmuş bireylerin yaşam kalitesini iyileştirmek için bir çözüm sunmaktadır. Sağlam, ölçeklenebilir üretim teknikleri ve ileri malzemelerin entegrasyonu ile bu araştırma, daha fazla bağımsızlık ve hareketlilik vaat eden bir sonraki nesil yardımcı cihazların yolunu açmaktadır. Bu tezin en zorlu yanı, tekstil bazlı bir aktüatör aracılığıyla ayağa dorsifleksiyon hareketinin sağlanmasıydı. Bu nedenle bunu başarmak için çok sayıda ön çalışma ve yöntem denenmiştir. Bu ön çalışmalarda ayağı kaldırmak için yetersiz kuvvet üreten aktüatörler değerlendirilmiş ve el için dış iskelet destekli eldiven uygulamalarında kullanılmıştır. Bu çalışmalar tezin“Önceki Çalışmalar”bölümünde yer almaktadır. Ayrıca, sağlıklı bireyler doğal olarak yürüme sırasında“topuk vuruşu”,“duruş”,“topuk kalkışı”ve“salınım”yürüme evrelerini gerçekleştirmektedirler. Salınım yürüme evresi başladığında, ayak bileği dorsifleksiyon yaparak parmakları yerden kaldırır ve topuk vuruşuyla başlayan yürüme döngüsünün devamlılığını sağlamaktadır. Ön çalışmalar sırasında, insan diz hareketlerinden yürüme analizinin yapılabilmesi için örme teknolojisi kullanılarak yeni bir interdijital kapasitif tekstil sensör geliştirilmiştir. Bu çalışmanın detayları tezin“Önceki Çalışmalar”bölümünde yer almaktadır. Ancak, bu sensörü kullanarak robotik sistemi kontrol etmek karmaşık hale gelmiştir. Bu nedenle, daha basit bir yöntem uygulanmıştır: topuğa yerleştirilen tekstil tabanlı varlık/yokluk sensörü. Bu yaklaşım, kontrol sistemini basitleştirerek daha yönetilebilir hale getirmiştir.

Özet (Çeviri)

Recent advancements in the field of robotics have proven that soft robots can be used as wearable supports for neuromuscular disorders due to their compliance and ability to imitate complex motions. Soft pouch motors, engineered to mimic the natural movements of skeletal muscles, play a crucial role in advancing robotics and exoskeleton development. However, fabrication techniques often involve multi-stage processes; they lack soft sensing capabilities and are sensitive to cutting and damage. Previous research showed that elastomeric, i.e. silicone, soft pneumatic actuators have a great potential to create soft-wearable robotic devices for these applications. Nevertheless, it takes time to manufacture these types of actuators due to long preparation times. Although silicone-based materials have favorable properties, such as heat, chemical resistance, and the capacity to conform to different range motions, they do present challenges in terms of material density, stiffness, and strength. This work introduces a new textile-based pouch motors with the capacity for biaxial actuation and capacitive sensory functions, achieved through the application of computerized knitting technology using ultra-high molecular weight polyethylene yarn (Spectra®) and conductive silver yarns. This method enables the rapid and scalable mass fabrication of robust pouch motors. The resulting pouch motors exhibit maximum lifting capacity of 10 kilograms, maximum contraction of 53.3% along the y-axis, and transverse extension of 41.18% along the x-axis at 50 kPa pressure. Finite Element Analysis (FEA) closely matches the experimental data, validating the design and performance of these pouch motors. The capacitance signals in relation to contraction motion are well-suited for detecting air pressure levels and hold promise for applications requiring robotic control. A practical demonstration of the potential of these pouch motors is showcased through the development of a soft ankle exosuit designed to provide lifting support for individuals with foot drop, a condition that impairs the ability to lift the front part of the foot. The exosuit effectively elevates an ankle joint simulator to a 20-degree angle. Moreover, the application of approximately 35 degrees of dorsiflexion torque to a human foot has been successfully achieved under a pressure of 50 kPa, highlighting its potential in assisting with mobility challenges. This study underscores the importance of incorporating both actuation and sensing capabilities in soft robotic systems, which can significantly enhance functionality and user experience. This work not only advances the field of soft robotics but also offers a solution for improving the quality of life for individuals with impaired muscle function. Through the integration of robust, scalable fabrication techniques and advanced materials, this research paves the way for the next generation of assistive devices, promising greater independence and mobility for users. The most challenging aspect of this work was to provide dorsiflexion movement to the foot through a textile-based actuator. Therefore, numerous preliminary studies and methods were attempted to achieve this goal. These preliminary studies evaluated actuators that generated insufficient force for lifting the foot and were applied in exoskeleton-assisted glove applications for the hand. These studies were included in the“Previous Works”section of the thesis. Moreover, healthy individuals naturally perform the gait phases of“heel strike,”“stance,”“heel off,”and“swing”during walking. When the swing phase begins, the ankle dorsiflexes, lifting the toes off the ground to ensure the continuity of the walking cycle, which starts with the heel strike. During the preliminary studies, a novel interdigital capacitive textile sensor was developed using knitting technology to analyze gait through human knee movements. The details of this study are included in the“Previous Works”section. However, controlling the robotic system using this sensor proved to be complex. Therefore, a simpler method was implemented: a textile-based presence/absence sensor placed on the heel. This approach simplified the control system, making it more manageable.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    909709

    Production of composite structures consist of hydrogels and textile materials and the evaulation of their potential as actuator

    Hidrojel ve tekstil malzemesinden oluşan kompozit yapıların üretilmesi ve aktuatör olarak kullanım olanaklarının araştırılması

    AYLİN SAADET TOKYÜREK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLDEMET BAŞAL BAYRAKTAR

  2. Tez No

    868931

    Design and control of textile based soft robotic systems for therapeutic applications

    Teröpatik uygulamalar için tekstil temelli yumuşak robotik sistem tasarımı ve kontrolü

    MEHMET FATİH ÇELEBİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMarmara Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEYSEL GAZİ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI TUNÇAY ATALAY

  3. Tez No

    683971

    Fabric based soft actuators for wearable applications

    Giyilebilir uygulamalar için kumaş bazlı yumuşak aktüatörler

    FIDAN KHALILBAYLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN İNCE

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY

  4. Tez No

    673080

    Eldeki kas hastalıklarının tedavisi için tekstil tabanlı yumuşak aktüatör geliştirilmesi

    Development of textile-based soft actuator for the treatment of muscle diseases at hand

    ELİF DEDE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE DİLARA KOÇAK

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI TUNÇAY ATALAY

  5. Tez No

    686722

    Development of textile based temperature sensor for wearable electronics

    Giyilebilir elektronikler için tekstil tabanlı sıcaklık sensörü geliştirilmesi

    BURCU ARMAN KUZUBAŞOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR

Geri Dön