Üst uzuv rahatsızlıkları için rehabilitasyon robotu tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of exoskeleton robot for upper limb rehabilitation
Yazar: FERHAD KALELİ
Danışman: PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Fiziksel Tıp ve Rehabilitasyon = Physical Medicine and Rehabilitation ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Makine tasarımı = Machine design

Özet:
Yaşam standartlarının artmasına bağlı olarak uzayan insan ömrü ile beraber inme vakalarının sayısı artmaktadır. İnme, beyne olan kan akışındaki çeşitli problemler sebebiyle beynin zarar görmesi sonucu, vücutta meydana gelen fiziksel engellere, verilen addır. İnme, vücutta kısmi felç, bazı organlarda his kaybı veya hastanın günlük aktivitelerini yerine getirememesi problemlerine sebep olmaktadır. Rehabilitasyon, felç durumunun oluşturduğu fiziksel engellerin ana tedavi yöntemi olup, hastaların günlük hayatlarına dönmeleri için gerekli olan tıbbi tedaviye yardımcı olur.
Rehabilitasyon, yoğun emek gerektiren ve masraflı bir tedavi sürecidir. Terapinin, inme sonrasında erken dönemde yapıldığında çok etkili olduğu bilinmektedir, ancak bütün hastalar bu dönemde terapi imkanına sahip olamamaktadır. Ayrıca, yoğunlaştırılmış tedavi seansları ve görev merkezli rehabilitasyon, motor gelişimini önemli ölçüde artırmaktadır. Fiziksel rehabilitasyon, inmeden yıllar sonra bile hastaların tedavisinde etkili olabilmektedir. İnme hastalarının sayısı arttıkça, rehabilitasyon gereksinimlerinin karşılanması zorlaşmaktadır. Rehabilitasyon robotları, konvansiyonel tedavi yöntemleri ile karşılaştırıldığında, artan rehabilitasyon gereksinimleri için bir alternatif haline gelecektir.
Fizyoterapistler tarafından yapılan manuel terapi ile karşılaştırıldığında, robotik rehabilitasyonun, yoğunlaştırılmış ve daha uzun süreli tedavi seansları, egzersiz hareketlerinin daha iyi tekrarlanabilirlik ile yapılması gibi önemli avantajları vardır. Rehabilitasyon robotları, terapistin iş yükünü azaltarak, aynı anda birkaç hastaya tedavi hizmeti verebilmesine yardımcı olur. Bu durum, tedavi maliyetlerinin düşmesine sebep olur. Robotik rehabilitasyon, hastaya ait performans/iyileşme bilgilerini kaydetme, analiz etme gibi ekstra özellikler barındırır. Ayrıca, robotik rehabilitasyonda sanal gerçeklik, bilgisayar oyunları vb. gibi uygulamalar ile hastanın rehabilitasyon sürecine aktif katılımı artırılabilmektedir. Rehabilitasyon amaçlı geliştirilen robotik sistemler; terapatik egzersiz robotları, hareket destekçi dış iskelet robotları, protezler ve yürüme rehabilitasyonu robotları gibi birkaç gruba ayrılabilir. Robotik rehabilitasyon için geliştirilen dış iskelet robotları, hastanın uzuvlarını anatomik yapısına uygun bir biçimde saracak şekilde tasarlanmalıdır.
Bu tezde, üst uzuv rehabilitasyonuna yönelik, dış iskelet yapıdaki bir robotun prototip imalatının yapılması hedeflenmiştir. Fiziksel rehabilitasyon sürecinde robotik sistemlerin kullanılması önemli bir mühendislik problemidir. Bu projenin, üst uzuv rehabilitasyonunda kullanılması ve geliştirilerek klinik testlerde yer alması amaçlanmıştır.
Bu tez, beş ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde dış iskelet rehabilitasyon robotları hakkında bilgiler verilmiştir. Dış iskelet yapıdaki rehabilitasyon robotlarının geleceği ve mevcut robotlar hakkında teknik detaylar bu bölümde yer almaktadır.
İkinci bölümde tasarım, imalat ve montaj faaliyetleri hakkında bilgi verilmiştir. Üst uzuvlar için rehabilitasyon robotu geliştirilmesi için mekanik tasarım gereksinimleri açıklanmıştır. İnsan omzunun anatomik yapısına uygun bir mekanik tasarımın, robotik bir cihazda uygulanması sırasında yaşanan zorluklara değinilerek, geliştirilen prototip sistemin çözümleri sunulmuştur. Robotun farklı hastalara uygulanabilmesi için taşıması gereken ergonomik özellikler anlatılmıştır. Elektrik tasarım kısmında, kullanılan elektrik-elektronik ekipmanlar hakkında detaylı bilgiler yer almaktadır. Hastadan kuvvet geri beslemesi için kullanılan kuvvet sensörleri ve bu sensörlerin kullanımı için geliştirilen elektronik kart tasarımları bu bölümde yer almaktadır. Ayrıca motor kontrol için kullanılan motor sürücü bilgileri, genel elektrik tasarımı, elektrik ekipmanları arasında haberleşme bilgileri verilmektedir. Mekanik imalat, mekanik ve elektrik montaj faaliyetleri, Robsen Robot ve Mühendislik firması tarafından yapılmıştır.
Üçüncü bölümde robot ileri ve ters kinematik hesaplamaları hakkında bilgiler verilmektedir. İleri ve ters kinematik denklemleri türetilmiştir.
Dördüncü bölümde robot yörünge planlaması ve kontrolü ile ilgili yapılan çalışmalar yer almaktadır. Robot kontrolü için adaptif admitans kontrolör uygulaması yapılmıştır. Motor kontrolü kısmında PID kontrolör kullanılmıştır. PID katsayılarının hassas bir şekilde ayarlanması Maxon EPOS Studio yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Robot yörünge planlaması için üçüncü derece polinom kullanılmaktadır. Robot, yörünge üzerindeki noktalara Beckhoff PLC'de geliştirilen program blokları sayesinde interpolasyon yöntemi uygulanarak gitmektedir.
Son bölümde yapılan çalışmaların özeti ve gerçekleştirilen prototip sistemle yapılabilecek yeni çalışmalar hakkında bilgi verilmektedir.

Abstract:
Number of individuals exposed to stroke are increasing with prolonged life and improved life standards. Stroke is a loss of brain function due to a disturbance in blood supply. Stroke damages directly to brain and create impairments on balance, arm movement, hand movement, leg movement and walking. Stroke survivors lose their indepence, mobility, activity and participation. Rehabilitation which comprise of repeated activity and training is the main treatment of stroke. Rehabilitation triggers neuroplasticity that creates new signal pathways to decrease motor impairments.
Rehabilitation is a costly treatment and direct access is limited in many countries. As the number of stroke survivors increases, it becomes more difficult to meet rehabilitation needs. Several new technologies exist to meet rehabilitation needs, and there has been a burst of research on robotic devices. Rehabilitation robotics means the application of robotics systems to enhance and intensify therapy.
One of the main advantages of rehabilitation robotics is consistency of systems. Training tasks becomes well defined and less dependent to therapist with usage of robotics systems. Manual therapy is very tiring for therapists and herewith theraapy duration is limited. Futhermore, therapist can manage more than one training at the same time, therefore the costs of therapy decreases. Therapist has a chance to concentrate on the patient instead of making tiring movements. Task oriented training is possible with rehabilitation robotics. Trainings can be supported by virtual reality applications. These features makes rehabilitation robotics therapy more effective than manual rehabilitation therapy. Another advantage of rehabilitation robotics is recording patients performance and providing objective assessments.
Rehabilitation robotics consists of some groups, therapeutic robots, non-actuator devices, exoskeletons and gait systems. Exosekeletons are robotic devices worn by the patient, which have joints and links replicating the human skeleton. It is possible for exoskeletons to train specific muscles or to train combination of muscles. During the training, orientation of the arm can be controlled by exoskeleton. Exoskeletons provide controlled torques to be applied to joints.
This thesis presents design and development of a upper limp robotic exoskeleton. The usage of robotic systems in the physical rehabilitation process is an important engginering problem. This project is intended to be used in upper limb rehabilitation and to be tested in rehabilitation clinics.
The thesis is composed of five sections. At the first chapter, it is given introduction, purpose of thesis, brief review on rehabilitation robotics and contributions. There is a comparison table for exoskeletons in first chapter.
At the second chapter, mechanical design, electrical design, manufacturing and assembly activities are given. Mechanical design requirements are described for the development of a rehabilitation robot for upper limbs. The proposed solution is explained by referring to the difficulties experienced during the application of the human shoulder in a robotic device. The ergonomic features that the robot needs to carry in order to implement different patients are described. The electrical design section contains detailed information on the electrical and electronic equipment used. Force sensors are used for measuring the inteaction forces between patient and robot and electronic card are designed for using these sensors are included in this section. In addition, motor driver information used for motor control, general electrical design, communication information between electrical equipment are given. Mechanical manufacturing, mechanical assembly and electrical assembly activities were carried out by Robsen Robot and Engineering Company.
In the third section, information about forward and inverse kinematics calculations are given. Forward and inverse kinematic equations are derived.
In the fourth section, studies about robot path planning and control are included. Adaptive admittance controller application is used for robot control. PID controller is used for motor control. Regulation tuning of the PID coefficients are calculated with Maxon EPOS Studio software. Third degree polynomial is used for robot path planning. The points that robot goes are interpolated by the program blocks developed in Beckhoff PLC.
A summary of the work done in the last section is given. Possible improvements are discussed for the studies can be done in the future with the prototype system.