Değişken empedanslı alt uzuv dış iskelet robotun denetim algoritmalarının geliştirilmesi ve uygulanması
Development and implementation of control algorithms of variable impedance lower limb exoskeleton robot
Yazar: HASBİ KIZILHAN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR BAŞER
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez, biyomimetik uyumlu bir alt uzuv dış iskelet robotun (BioComEx) tasarımı, denetim algoritmalarının geliştirilmesi, bu robot ve denetim algoritmalarının kısmi felç rehabilitasyonunda denenmesi çalışmalarını kapsamaktadır.
Bu çalışmada, öncelikle, insan eklemlerinin biyomekanik davranışından esinlenerek eklemlerinde yumuşak eyleyicilerin kullanıldığı bir alt uzuv dış iskelet robotun mekanik tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Robotun kontrol çalışmalarında ise ilk olarak tasarlanan sistemin ayarlanabilir sertliğe sahip diz altı ayak bileği kısmında (VS-AnkleExo), minimum etkileşim ile kullanıcı takibi için kuvvet kontrol çalışmaları gerçekleştirilmiştir. VS-AnkleExo üzerinde gerçekleştirilen kontrol çalışmalarından sonra, eklemlerinde yumuşak eyleyicilere sahip BioComEx'in kullanıcı-baskın ve robot-baskın modlarında bir bütün olarak kontrolü gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, çalışma bir üst noktaya taşınarak BioComEx eklemlerindeki yumuşak eyleyicilerin salınım etkilerini azaltmak için robot eklemlerine sönümleme özelliğine sahip Manyeto-Reolojik (MR) frenler adapte edilmiş; böylece, BioComEx eklemleri için değişken empedanslı karma eyleyiciler (değişken sönümlü yumuşak eyleyiciler) oluşturulmuştur. Değişken empedanslı karma eyleyicilerin pozisyon kontrolü için ise PID+D kontrolcü önerilmiş ve bu kontrolcünün performansını değerlendirmek için BioComEx'in bozucular altında yörünge takip deneyleri yapılmıştır. Son olarak değişken empedanslı karma eyleyiciler ile tahrik edilen BioComEx ve önerilen PID+D kontrol algoritması, fonksiyonu bozulmuş bacak eklemlerinin sağlıklı bacak eklemlerini takip ettiği hemipleji hastası olduğu varsayılan bir kullanıcıyı yürütme uygulamasında denenmiştir.

Abstract:
This thesis includes the design of a biomimetic compliant lower limb exoskeleton robot (BioComEx), development of control algorithms, and testing of the robot and control algorithms in partial paralysis rehabilitation.
In this study, firstly it was performed the mechanical design and manufacturing of a lower limb exoskeleton robot using compliant actuators in its joints by inspiring from the human leg biomechanics. In the control studies of the robot, firstly, force control studies were carried out for the user tracking with minimum interaction on the below-knee ankle robot with adjustable stiffness (VS-AnkleExo) of the designed system. After the control work carried out on VS-AnkleExo, BioComEx, which has compliant actuators in its joints, has been controlled as a whole in human-in-charge and robot-in-charge modes. In later phase, by moving the study to a higher point, Magneto-Rheological (MR) brakes with damping feature to the robot joints were adapted to reduce the oscillating effects of the compliant actuators in the BioComEx joints and thus, variable impedance hybrid actuators (variable damped compliant actuators) have been created for BioComEx joints. The PID+D controller was proposed for position control of these variable impedance hybrid actuators and trajectory tracking experiments with disturbance for BioComEx were performed to evaluate the performance of this controller. Finally, BioComEx, driven by variable impedance hybrid actuators, and the proposed PID+D control algorithm, were tried in a user execution application that is assumed to be hemiplegia patient with impaired leg joints following healthy leg joints.