Design and implementation of an EMG driven upper limb exoskeleton
EMG tahrikli üst uzuv dış iskelet robot tasarımı ve uygulaması
- Tez No: 893163
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CLAUDIA FERNANDA YAŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Bu tez projesinde, fizyolojik olarak sorunlu bir kolun rehabilitasyonu için bir üst ekstremite dış iskeleti tasarlamaya yönelik tam entegre bir tasarım çalışması sunulmaktadır. Seçilen ve önceden belirlenmiş koşulları teşhis etmek ve sınıflandırmak amaçlanmaktadır. Tasarım, bir Elektromiyografi (EMG) sinyali başlangıcını içerir ve önerilmiş özgün sinyal işleme adımlarını çalıştırarak, bu tür kas sinyallerinin sınıflandırılması ve tanıya odaklanır. Levenberg-Marquardt algoritması eğitim yöntemi tabanlı Yapay Sinir Ağı (YSA) aracılığıyla, tasarım rehabilitasyon süreci için operasyon fazını belirleyerek elde edilir. Hill kas modeline göre, işlenmiş yüzey EMG sinyali tarafından gerekli tork gelişimi önerilir, ardından sistem ayarlanabilir benzersiz bir adaptif denetleyici tarafından iyi bir şekilde çalıştırılır. Sinyal işleme bölümünde, literatürdeki genel yöntemlerin aksine, Teager-Kaiser yöntemi bu adımların merkezine yerleştirilir. Bu yaklaşım, EMG sinyalinde kullanılabilir verilerin minimum kaybını sağlar ve sinyal verilerinin daha kesin bir yapıya dönüştürülmesi için çok daha fazla bilgi sağlar. Bu kesin yapı, veri işleminde önerilen tepe seçimi yöntemi tarafından desteklenir. Daha sonra, bir YSA bu sinyalleri sınıflandırmak ve nöropatik, miyopatik ve sağlıklı kas sinyalleri arasındaki farkı belirlemek için efektif biçimde eğitilir. Bu belirleme, sagital düzlemin anatomik olarak fleksiyon-ekstansiyon hareketi üzerinde gerçekleştirilir. Tasarım sınırlarından biri olarak, koronal düzlem hareketleri, yani abdüksiyon-adüksiyon hareketi pasif olarak elde edilir; ancak, Fourier dönüşümü tabanlı frekans analizine göre, Parkinson hastalığının titremesi, EMG olmadan da önerilen sinyal işleme yöntemi ile teşhis edilebilir. Bu araştırmanın bir diğer katkısı, önerilen Fonksiyon Yaklaşım Tekniği (FAT) tabanlı adaptif denetleyicidir. Ticari üst ekstremite dış iskeletleri ve genellikle endüstriyel robotik kollar, PID denetleyici, PD tabanlı hesaplanmış tork denetleyici vb. gibi geleneksel kontrol tekniklerinin kullanımıyla tasarlanır. Bu çalışmada, PD tabanlı hesaplanmış tork denetleyici ile yeni tasarlanmış adaptif denetleyici arasındaki karşılaştırmalı içgörü tasvir edilmiştir. Rehabilitasyon süreci için kritik öneme sahip olan yol takibindeki hesaplanan tork kontrolcüsünün kusurları nedeniyle, önerilen bir Fourier serisi türetilmiş fonksiyon yaklaşım tekniği ile çalıştırılan adaptif kontrolcü, yörünge planlaması açısından daha iyi performans elde eder. Kontrolcü, literatürdeki adaptif kontrolcü yaklaşımları arasında genellikle görülen regresör matrisinin kullanımı olmadan robotik kolun temel parametrelerini tahmin edebilir. Bu yenilik, tasarımı farklı bireylerin farklı antropometrik verileri için benzersiz ve ayarlanabilir hale getirir. Mekanik tasarım, kolay, hızlı, ucuz ve kullanıcı odaklı olarak üretilebilen 3D yazdırılmış parçalar aracılığıyla hazırlanır. Bu nedenle, sistem herhangi bir sosyokültürel kökenli kas problemi çeken herhangi bir kişi için kullanılabilir. Özetle, bu tez projesi, gelişmiş EMG sinyal işleme ve yenilikçi kontrol stratejileri yoluyla etkili rehabilitasyonu amaçlayan bir üst ekstremite dış iskeletinin tasarımı ve uygulanmasına yönelik kapsamlı bir yaklaşım sunmaktadır. Sinyal işleme, ANN'nin sağlam sınıflandırma yetenekleriyle birleştiğinde, kas rahatsızlıklarının kesin teşhisine olanak tanır. Ayrıca, FAT tabanlı uyarlanabilir kontrolör, yörünge planlama ve bireysel anatomik varyasyonlara uyum sağlamada üstün performans göstermektedir. Bu katkılar, üst ekstremite bozuklukları olan bireyler için kişiselleştirilmiş ve etkili terapi için umut verici bir çözüm sunarak rehabilitasyon teknolojisinde önemli ilerlemeler için potansiyeli vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a fully integrated design study on designing an upper limb exoskeleton for the rehabilitation of a physiologically problematic arm is presented. It is aimed to diagnose and classify the selected and a priori-determined conditions. The design involves an Electromyography (EMG) start and with operating novel signal processing steps, the classification of such muscle signals is focused on the diagnosis. Through the Levenberg–Marquardt algorithm training method-based Artificial Neural Network (ANN), the design is achieved by determining the operation phase for the rehabilitation process. According to Hill's muscle model based required torque development by the processed surface EMG signal is proposed then the system is operated well by an adjustable unique adaptive controller. In the signal processing part, contrary to general methods in the literature, the Teager-Kaiser method is placed at the center of these steps. This approach ensures the minimum loss of usable data on the EMG signal and provides much more information for conversion of the signal data into a more deterministic nature. This more deterministic nature is supported by the proposed method of peak selection on the data process. Then, an ANN is well-trained to classify these signals and specify the difference among neuropathic, myopathic, and healthy muscle signals. This determination is realized in the flexion-extension movement of the sagittal plane anatomically. As one of the design limits, coronal plane movements, namely abduction-adduction movement are obtained passively; however, according to the Fourier transform-based frequency analysis, the tremor of Parkinson's disease can be diagnosed by the proposed signal processing method without EMG. Another contribution of this research is the proposed Function Approximation Technique (FAT) based adaptive controller. Commercial upper limb exoskeletons and generally industrial robotic arms are designed by the usage of traditional control techniques such as PID controller, PD-based computed torque controller, etc. In this study, the comparative insight is depicted between PD based computed torque controller and a novel designed adaptive controller. Due to the defects of the computed torque controller on the path tracking which is crucial for the rehabilitation process, a proposed Fourier series derived function approximation technique operated adaptive controller, better performance in terms of the trajectory planning is obtained. The controller can predict the essential parameters of the robotic arm without the usage of regressor matrix which also generally occurs among the adaptive controller approaches in the literature. This novelty makes the design unique and adjustable for the different anthropometric data of the different individuals. Mechanical design is prepared via 3D printed parts which can be produced easily, quickly, cheaply, and user-oriented. Therefore, the system can be used for any person who suffers the muscle problems of any sociocultural origin. In a nutshell, this thesis project presents a comprehensive approach to the design and implementation of an upper limb exoskeleton aimed at effective rehabilitation through advanced EMG signal processing and innovative control strategies. The signal processing, combined with the robust classification capabilities of the ANN, allows for precise diagnosis of muscle conditions. Furthermore, the FAT-based adaptive controller demonstrates superior performance in trajectory planning and adaptability to individual anatomical variations. These contributions highlight the potential for significant advancements in rehabilitation technology, offering a promising solution for personalized and effective therapy for individuals with upper limb impairments.
Benzer Tezler
- Design and implementation of a device to control a robotic arm by EMG signal
EMG sinyali ile robot kol kullanımı sağlayan cihaz tasarımı ve üretimi
GÖRKEM KANDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEHÇET MURAT EYÜBOĞLU
- Design, implementation and control ofan underactuated hand exoskeleton
Başlık çevirisi yok
MİNE SARAC STROPPA
Doktora
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolScuola Normale Superiore di PisaDR. ANTONİO FRISOLI
- EMG sensör kontrollü beş eksenli robotik kol ve robotik el tasarımı ve gerçeklenmesi
EMG sensor controlled five axis robotic arm and robotic hand design and implementation
SALİH OBUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mekatronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞENGÜL DOĞAN
DR. TÜRKER TUNCER
- EMG kontrollü alt ekstiremite rehabilitasyon denge sistemi
Emg controlled balance system for lower limb rehabilitation
AYHAN ALVEROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mekatronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERKAN KAPLANOĞLU
DOÇ. DR. YAŞAR TATAR
- Askeri havacılık uygulamaları için MIL STD 461E ve MIL STD 704E standartlarına uygun AA/DA çevirgeç koruma ve filtre sistemleri geliştirilmesi
Implementation of AC/DC converter protection and filter systems for military aerospace applications according to MIL STD 461E and MIL STD 704E standards
FATİH CANDAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UMUT SEZEN