Pnömatik ve manyetoreolojik silindirli elektronik diz üstü protezlerin tasarımı ve geliştirilen hareket inceleme sistemleri ile karşılaştırılması
Design and comparison of electronic above knee prostheses employing pneumatic and magnetorheological cylinders with developed motion analysis systems
Yazar: KURTULUŞ ERİNÇ AKDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. ATİLA YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada diz üstünden bacağını kaybetmiş kişilerin değişen yürüyüş hızlarında yürüyebilmesini sağlayan pnömatik (havalı) ve manyetoreolojik (MR) silindirli iki elektronik diz üstü protezi üretilmiştir. Silindirlerin sertliği, bir mikrodenetleyici düzeneği tarafından eylemsizlik duyargaları kullanılarak kestirilen kullanıcı hareketine bağlı gerçek zamanlı olarak ayarlanmaktadır. Eylemsizlik duyargalarından oluşan çeşitli hareket inceleme sistemleri (HİS) ve yöntemleri incelenmiş ve yöntemlerin doğruluğu, özel tasarlanan bir görüntü tabanlı HİS kullanılarak karşılaştırılmıştır. Radyal tabanlı fonksiyonlar ağının (RTFA) açı kestirimlerinin doğruluğunun, sadece ivmeölçer, ivmeölçer-jiroskop birleşimi ve sanal duyarga yöntemlerinden oluşan analitik yöntemlerinkine kıyasla daha iyi olduğu ölçülmüştür. İkinci bir kinematik değişken olarak yürüyüş hızları protez üzerine yerleştirilmiş ivmeölçer ya da jiroskop verilerden kestirilmiştir. Jiroskopun kullanıldığı yöntem, ivmeölçer kullanılana göre daha iyi hız kestirim sonuçları vermiştir. Çeşitli birimleri bir araya getirilerek oluşturulan protezlerin yürüyüş hareketi esnasında başarımını sınamak için sağlıklı bir insanın protezleri kullanabilmesini sağlayan özel tasarım bir soket geliştirilmiştir. Protezsiz ve bu soketi giyerek tasarlanan protezlerle belirli hızda yürüyen sağlıklı kişinin yürüyüşlerinden görüntü tabanlı HİS ile yapılan ölçüm sonuçlarına göre, MR silindirli protezle yapılan yürüyüşün periyodunun doğal yürüyüşün periyoduna daha yakın, pnömatik silindirli protezle yapılan yürüyüşün ise en çok diz açısının doğal verilere daha yakın olduğu ölçülmüştür. Kullanıcı, MR silindirli protezle yürüyüşün duruş evresinde, pnömatik silindirli protezle ise salınım evresinde daha rahat ve etkindir.

Abstract:
In this study, two electronic above knee prostheses having pneumatic and magnetorheological (MR) cylinder respectively are developed to enable above knee amputees walk at varying speed. The stiffness of cylinders is adjusted in real time by a microcontroller depending on the user motion estimated from readings of inertial sensors. Various motion analysis systems (MAS) and methods comprised of accelerometer and gyroscope are analyzed and accuracy of these methods are compared by using custom designed image based MAS. It is measured that the angle estimation accuracy of radial basis function networks (RBFN) is better compared to other methods using single accelerometer, accelerometer-gyroscope combination and virtual sensor method. As a second kinematic variable, gait speed is estimated from readings of accelerometer or gyroscope attached on prosthesis. Method using gyroscope resulted better speed estimation results than the one using accelerometer. A custom designed socket that enables healthy person wear prosthesis is developed to test the assembled prostheses during walking. On the basis of measurements obtained by image based MAS from the gaits of an healthy subject walking with designed prostheses by wearing socket and without prosthesis, it is measured that the period of gait with prosthesis employing MR cylinder is closer to the period of natural gait while the maximum knee flexion angle of the gait with prosthesis employing pneumatic cylinder is closer to natural data measured. User is safer with prosthesis employing MR cylinder at stance phase of walking and more active with prosthesis employing pneumatic cylinder at the swing phase.