Kol dış iskelet tasarımında biyomimetik döküm teknolojileri ve servo motor destekli iteratif öğrenme kontrolü uygulaması
Application of biomimetic casting technologies and servo motor-assisted iterative learning control in arm exoskeleton design
- Tez No: 959392
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE NUR AY GÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Bu tez kapsamında, üst ekstremite rehabilitasyonuna yönelik olarak biyomimetik ilkelere dayalı, hafif yapılı ve tekrarlamalı öğrenme kontrolü (Iterative Learning Control, ILC) ile desteklenmiş bir dış iskelet sistemi geliştirilmiştir. Sistem tasarımında doğadan ilham alınarak bal peteği geometrisi tercih edilmiş ve bu sayede hem mekanik dayanıklılık artırılmış hem de cihazın toplam kütlesi optimize edilmiştir. Geliştirilen sistemin ağırlığı yalnızca 750 gram olup, taşınabilirlik ve kullanıcı konforu açısından avantaj sunmaktadır. Kontrol altyapısında, özellikle tekrarlayan hareketlerin öğrenilerek hatanın zamanla azaltılmasını sağlayan ILC algoritması kullanılmıştır. Bu bağlamda, biyomekanik açıdan insan dirseği hareketine uygun şekilde tasarlanmış ve 0–100 saniyelik sürede dört periyot içeren, 150° tepe ve 45° dip değerlerine sahip sinüzoidal bir referans sinyali oluşturulmuş ve bu sinyal üzerinden sistemin kontrol performansı değerlendirilmiştir. Deneysel bulgular, servo motorun ilk 10 saniyelik süreçte referans sinyale kıyasla düşük tepki verdiğini, özellikle 0–3 saniye aralığında belirgin bir gecikme ve bozulma yaşandığını ortaya koymuştur. Bu durum, sistemin öğrenme sürecinin başlangıcında olduğunu ve ILC algoritmasının hatayı minimize etme sürecine yeni adapte olmaya başladığını göstermektedir. Ancak 10. saniyeden itibaren gerçek sinyalin referans sinyale başarılı şekilde yakınsadığı, genlik ve zamanlama doğruluğunun her döngüde iyileştiği ve sistemin adaptif bir performans sergilediği gözlemlenmiştir. Elde edilen hata sinyali, başlangıçta ±10°'lik bir sapma gösterirken, zamanla bu değerin ±5° altına düşerek kararlı bir düzeye ulaştığını göstermiştir. Kuvvet sensör verileri de hata büyüklüğü ile orantılı olarak azalan tepkiler üretmiş ve zamanla destekleyici kuvvetlerin azalmasıyla birlikte daha doğal bir hareket paternine geçiş sağlanmıştır. Bu durum, hastanın motor becerilerini aktif şekilde kullanabilmesi açısından rehabilitasyon hedefleriyle uyumludur.Sonuç olarak, elde edilen tüm veriler, servo motor destekli ILC algoritmasının tekrarlayıcı referans sinyalini başarıyla öğrenerek kontrol doğruluğunu artırdığını, sistemin zamanla daha az kuvvetle daha hassas hareket gerçekleştirebildiğini ve bu özelliklerin biyomimetik rehabilitasyon uygulamaları açısından yüksek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Geliştirilen platformun, özellikle felç sonrası motor geri kazanım süreçlerinde bireyselleştirilmiş terapi uygulamaları için ev ortamında kullanılabilir, ekonomik ve etkili bir rehabilitasyon çözümü sunduğu değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a lightweight, wearable exoskeleton system was developed for upper limb rehabilitation, inspired by biomimetic principles and enhanced through Iterative Learning Control (ILC). The mechanical structure was designed using a honeycomb geometry to optimize both structural integrity and weight, resulting in a compact system weighing only 750 grams—providing clear advantages in terms of portability and user comfort. The control framework employed an ILC algorithm, which facilitates error reduction over repetitive motion cycles by learning from previous iterations. A sinusoidal reference trajectory was generated to simulate the biomechanical motion of the human elbow, spanning 100 seconds and comprising four periods with peak and trough values of 150° and 45°, respectively. Experimental evaluations demonstrated that during the initial 0–3 seconds, the system exhibited a delayed and unstable response, reflecting the early adaptation phase of the control algorithm. However, from the 10th second onward, the actual trajectory closely converged with the reference signal, with notable improvements in amplitude accuracy and temporal alignment. The error signal, which initially fluctuated around ±10°, progressively attenuated to within ±5°, indicating enhanced stability and control precision through the learning process. Additionally, the force sensor data revealed that assistive torque was proportionally reduced as trajectory error decreased, enabling a more natural movement pattern. This gradual reduction in external assistance aligns with rehabilitation goals by promoting the patient's active motor engagement. In summary, the developed ILC-based exoskeleton system successfully learns and tracks repetitive motion patterns with increasing precision and decreasing effort. Its structural design and adaptive control strategy offer significant potential for use in personalized, cost-effective, and home-based rehabilitation, particularly in the recovery of motor function following neurological impairments such as stroke.
Benzer Tezler
- Optimal exoskeleton design and e ffective human-in-the-loop control frameworks for rehabilitation robotics
Rehabilitasyon robotları için optimal dış-iskelet ve etkin insan etkileşimli kontrol çatıları tasarımı
AHMETCAN ERDOĞAN
Doktora
İngilizce
2014
Fizyoterapi ve RehabilitasyonSabancı ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Giyilebilir dış iskelet el
Exoskeleton hand
YUNUS HAZAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBatman ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER FARUK ERTUĞRUL
- A reliable control algorithm for upper limb arm exoskeleton
Üst uzuv kol dış iskelet için güvenilir kontrol algoritması ve mekanik tasarım
ÖMER ŞEVKİ AKALIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR TURAY KAYMAKÇI
- 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
- Development of a torque-controllable upper limb exoskeleton for industrial applications
Başlık çevirisi yok
SİNAN CORUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ REGAİP BARKAN UĞURLU