Integrated framework for hip joint simulator design and validation under realistic loading conditions
Gerçekçi yükleme koşullarında kalça eklemi simülatörü tasarımı ve doğrulamasına yönelik entegre yaklaşım
- Tez No: 999499
- Danışmanlar: Prof. Dr. İSMAİL LAZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Fizyolojik kalça eklemi yüklemesinin doğru bir şekilde çoğaltılması, total kalça protezi implantlarının güvenilir değerlendirilmesi ve optimizasyonu için kritik öneme sahiptir. Bu tez, sonlu elemanlar modellemesi, topoloji optimizasyonu ve yorulma hassasiyet analizini, ISO 14242 standardına uygun olarak özel tasarlanmış bir kalça eklemi simülatörü üzerinde yapılan deneysel doğrulama ile entegre eden kapsamlı bir metodoloji sunmaktadır. Mekanik sistem; sıfır boşluklu Harmonic Drive ve planet dişli mekanizmaları, yüksek hassasiyetli altı serbestlik dereceli yük algılama platformu ve karmaşık çok eksenli hareket ve kuvvet profillerini hassas şekilde yeniden üreten adaptif kontrol stratejileri ile donatılmıştır. Bu çalışma, geleneksel ISO tabanlı testlerin ötesine geçerek, Rydell, Paul ve Duff-Barclay'den elde edilen in vivo günlük yaşam aktivitesi verilerini ISO 14242 standardı ile birleştirmekte ve yürüyüş döngüleri ile diğer fonksiyonel aktivitelerin doğru bir şekilde simüle edilmesini sağlamaktadır. Bu entegrasyon, standartlaştırılmış koşullar ile fizyolojik koşullar arasındaki kuvvet büyüklükleri ve yükleme desenlerindeki farklılıkları ortaya koymaktadır. Monte Carlo simülasyonları kullanılarak gerçekleştirilen stokastik yürüyüş yük vektörleri, mevcut standartlarda yer almayan nadir yüksek açılı veya yüksek büyüklüklü yükleme senaryoları altında simülatörün yapısal tepkisini değerlendirmiştir. Bu analizler, kuvvet uygulama mekanizmasında küçük takviyelerin yapılmasına ve rijitlik, aktüatör yükü ve hizmet ömrü gibi temel tasarım değişkenlerinin etkilerini inceleyen parametrik çalışmalara yön vermiştir. Elde edilen sonuçlar, optimize edilmiş kol tasarımlarının yapısal bütünlükten veya yorulma direncinden ödün vermeden ağırlıkta %55'e varan bir azalma sağladığını göstermektedir. Yüksek çözünürlüklü geri besleme ve sıfır boşluklu tahrik sistemini bir araya getiren hibrit kontrol mimarisi, hem deterministik hem de rastgele yük koşulları altında yürüyüş döngülerinin yüksek sadakatle çoğaltılmasını sağlamaktadır. Doğrulama deneyleri, sistemin hassas kuvvet takibi sağlama, aktüatör enerji tüketimini azaltma ve uzun dönemli aşınma ve yorulma testlerinde güvenilirlik sağlama yeteneğini doğrulamıştır. Geliştirilen platform, ISO 14242 uyumluluğunu sağlamanın yanı sıra fizyolojik gerçekliği yüksek genişletilmiş test senaryolarına da olanak tanıyarak, implant aşınması, yağlama dinamikleri ve veri odaklı öngörücü modelleme gibi ileri düzey araştırmalar için sağlam bir temel sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Accurately replicating physiological hip joint loading is essential for the reliable evaluation and optimization of total hip replacement implants. This thesis presents a comprehensive methodology integrating finite element modeling, topology optimization, and fatigue sensitivity analysis with experimental validation using a custom-built, ISO 14242-compliant hip joint simulator. The mechanical system features zero-backlash Harmonic Drive® and planetary gear mechanisms, a high-precision six-degree-of-freedom load sensing platform, and adaptive control strategies that precisely reproduce complex multi-axis motion and force profiles. Beyond conventional ISO-based testing, this work incorporates measured in vivo daily-life activity data from Rydell, Paul, and Duff-Barclay alongside the ISO 14242 standard, enabling accurate simulation of gait cycles and other functional tasks. This integration highlights discrepancies in force magnitudes and loading patterns between standardized and physiological conditions. Monte Carlo simulations with stochastic gait load vectors were conducted to evaluate the simulator's structural response under rare high-angle or high-magnitude loading scenarios not captured by existing standards. These analyses informed subtle reinforcements in the force-application mechanism and guided parametric studies assessing the influence of key design variables on stiffness, actuator demand, and service life. Results show that the optimized arm structures achieved a significant weight reduction of 55% without compromising structural integrity or fatigue resistance. The hybrid control architecture, leveraging high-resolution feedback and zero-backlash actuation, ensures high-fidelity reproduction of gait cycles under both deterministic and random load conditions. Validation experiments confirmed the system's ability to maintain accurate force tracking, minimize actuator energy consumption, and sustain long-term wear and fatigue testing reliability. The developed platform satisfies ISO 14242 compliance and enables extended, physiologically realistic testing scenarios, providing a robust foundation for future studies in implant wear mechanisms, lubrication dynamics, and predictive data-driven modeling for next-generation prosthetic designs.
Benzer Tezler
- İki ayaklı yürüyen robot tasarımı ve prototip imalatı
Design and contruction of 12 dof biped robot
ALPER GERÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
YRD. DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
- İnsan hareketinin tökezleme sonrası toparlanma sürecinde öngörücü nöromekanik modellemesi ve benzetimi
Modelling and predictive neuromechanical simulations of human motion in stumble recovery
OĞUZ FAİK SEVEN
Doktora
Türkçe
2025
Mühendislik BilimleriGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARİF ADLI
- Robot kol dinamiğinin ve hareketinin bilgisayarda analizi ve simülasyonu
Analysis and simulation of dynamics and motion of robot arm on computer
HASAN SANCAKTAROĞLU
- Design, analysis and control of a hydraulic-aided stance control knee-ankle-foot orthosis
Hidrolik destekli duruş kontrollü uzun yürüme cihazının dizaynı, analizi ve kontrolü
SERMET DEMİR
Doktora
İngilizce
2018
BiyomühendislikMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTURUL TAÇGIN
- IMU tabanlı ters kinematik model ile yürüme emülatörü
IMU based gait emulator using inverse kinematics model
YAĞIZ TEZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU