Bir nörolojik rehabilitasyon robotunun modellenmesi ve kontrolü
Modelling and control of a neurological rehabilitation robot
Yazar: MUHAMMED YUSUF KORKUT
Danışman: DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
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

Özet:
Rehabilitasyon; doğuştan ya da sonradan hastalık, kaza ya da yaralanma nedeniyle bir kısım yeteneklerini kaybetmiş bireyi tıbbi, psikolojik, sosyal ve mesleki yönlerden mümkün olan en iyi düzeye ulaştırarak kendine, ailesine, topluma daha yararlı olmasını sağlamayı amaçlayan, kalıcı sakatlıkların sonuçlarını en aza indirmek için düzenlenen tedavi edici bir çalışma süreci olarak tanımlanmıştır. Rehabilitasyon oldukça geniş bir alandır. Güç, hareket kabiliyeti ve form kazandırma amacıyla uygulanan fizik tedavi, rehabilitasyonun alt dallarından biridir. Fizik tedavi de birçok alt dalda özelleşmiştir. Nörolojik fizik tedavi bu tezin kapsamına girmektedir. Nörolojik fizik tedavi nörolojik bozukluk ve yaralanmaların tedavisiyle ilgilenir. Nörolojik bozukluklar ise temel olarak merkezi sinir sistemi rahatsızlıkları ve çevresel sinir sistemi rahatsızlıkları olarak sınıflandırılabilir. Nörolojik rahatsızlıkların en sık görüleni bir merkezi sinir sistemi rahatsızlığı olan inmedir. İnme, merkezi sinir sistemine giden damarların tıkanıklıkları ya da kanamaları sebebiyle beyin hücrelerinin yeterli beslenemediklerinden dolayı ölümüdür. İnme sonucu bireylerde vücudun bir kısmında hareket ve his kaybı, anlama ve konuşmada problemler ve görü kaybı görülebilir. Sadece Avrupa'da yılda 1 milyondan fazla kişi bu rahatsızlıktan etkilenmektedir. Görülme sıklığı ve herkesin başına gelebilir olması, rahatsızlığın tedavisine verilen önemi arttırmaktadır.

Nörolojik tedavi için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Yeni geliştirilen teknikler nöroplastisite denilen, beynin çevresel değişikliklere ve hasarlanmaya karşı uyum geliştirme yetisini kullanmayı temel alır. Yani hasta, uzuvlarını hareket ettirmeyi tekrar öğrenmektedir. Egzersiz sırasında hastanın egzersizle meşgul olmasının iyileşme sürecini hızlandırdığı gözlemlenmiştir. Hasta egzersiz sırasında kuvvet uygulamaya çalışmalıdır. Eğer hastanın uyguladığı ancak uzvu kaldırmaya yetmeyecek kuvvetler algılanıp aktif yardım yapılarak hareket meydana getirilirse, iyileşmenin daha hızlı olduğu görülmüştür. Ancak geliştirilen bu yöntemler yetkin kişilerin uzun sürelerde tedavi uygulamasını gerektirmektedir. Bu her zaman mümkün olmadığından rehabilitasyonda robotların kullanımı ön plana çıkmaktadır.

Literatürde çeşitli mekanik yapılarda ve kabiliyetlerde nörolojik rehabilitasyon robotları bulunmaktadır. Ancak tez kapsamında geliştirilen kontrolcü, özgün mekanik yapıdaki bir rehabilitasyon robotuna uygulanmıştır. Bu robot hasta uzvuna iki taraftan bağlanan kablolardaki kuvvetlerin zıt yönlü ancak uyumlu şekilde ayarlanmasıyla egzersiz yaptırmaktadır. Robotun kablolu yapıda olması robota esneklik kazandırmış ve farklı uzuvlara egzersiz yaptırılabilmesini mümkün kılmıştır. Ayrıca robot, arasına yatak girecek şekilde tasarlandığından hastalar yatarken egzersiz yaptırabilmektedir. Robotun egzersiz yaptırma şekli üç temel isterle belirlenmiştir. Öncelikle robot, hastanın hiç tepki vermemesi durumunda uzva fizik tedavi uzmanı/doktor tarafından önceden belirlenmiş bir yörüngede pasif egzersiz yaptırmalıdır. Hasta egzersiz sırasında aktif hareket yaparak tedaviye katılım göstermesi durumunda robot bunu algılamalı ve normalde hastanın uzvunu hareket ettirmeye yetmeyecek kadar kuvvet uyguladığında bile hareketin ortaya çıkmasına yardımcı olmalıdır. Hasta ekleminde spastisite oluştuğunda robot hastayı yenmeye çalışmamalı ve eklemi zorlamamalıdır. Aksine, spastisite oluştuğu andaki yönde eklemi hareket ettirmeyi bırakmalı ve fizik tedavi uzmanı/doktorun önceden belirlediği hızla spastisite yönünde eklemi hareket ettirmeye başlamalıdır.

Bu tezde, yukarıda anlatılan robota ve isterlere uygun bir kontrolcü yapısı geliştirilmiş ve gerçek sisteme uyarlanarak performansı test edilmiştir. Kontrolcü geliştirebilmek için deney/gözlem yapmaya ihtiyaç duyulmuştur. Bu amaçla sistemin benzetimlerinin yapılması gerekmiştir. Benzetim yapabilmek için sistemin dinamik modeline ihtiyaç duyulmuştur.

Sistemin kinematik yapısı incelendiğinde kinematik kısıtlara sahip olduğu görülmüştür. Bu kısıtlar zamandan ve hızlardan bağımsız, geometrik kısıtlardır. Bu yüzden bu kısıtlar scleronomic holonomic kısıtlardır. Kısıtları ifade eden bağ denklemleri kullanılarak robotun jakobiyeni bulunmak suretiyle sistemin kısmi kinematik denklemleri elde edilmiştir. Bu süreçte kinematik modeli sadeleştiren varsayımlar yapılmıştır.

Robotun dinamik modelinin elde edilebilmesi için genelleştirilmiş koordinatları belirlenmiştir. Dinamik modelin çıkarılmasında Euler-Lagrange yöntemi kullanılmıştır. Kısıtların etkilerinin dinamik modele dahil edilebilmesi için Lagrange çarpanları yöntemi kullanılmıştır. Bu aşamada da modeli sadeleştiren varsayımlar yapılmıştır.

Dinamik model elde edildikten sonra bilgisayarda MATLAB/Simulink ortamına aktarılmıştır. Geliştirilen kontrol sistemi de aynı ortama aktarılmıştır. Bu ortamda kontrol sisteminin performansını test etmek ve eniyilemek için birçok benzetim yapılmıştır. Modelleme aşamasında bazı kabuller yapıldığı için kontrol sisteminin bazı bileşenleri benzetimlerde kullanılamamıştır. Bu bileşenlerin sadeleştirilmiş veya ideal versiyonları benzetimlerde kullanılmıştır. Yine de kontrol sisteminin robotu kontrol edebildiği ve isterleri karşılayabildiği görülmüştür.

Kontrol sistemi daha sonra nörolojik rehabilitasyon robotuna uygulanmıştır. Robotun performansını test etmek için birçok deney yapılmıştır. Deneyleri olabildiğince tarafsız olarak yürütebilmek için programlanabilir donanımlı ve servo motorlu bir test düzeneği kullanılmıştır. Bu düzenek deneyler sırasında hasta uzvunu taklit etmiştir. Bu testler uygulanan kontrol sisteminin robotu kontrol etmede ve isterleri karşılamada başarılı olduğunu göstermiştir. Ayrıca sağlıklı bir denek kullanılarak da deney yapılmıştır. Deneysel çalışmaların sonuçları ile benzetimlerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Son olarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve performansı arttırmak için yapılabilecek çalışmalar tartışılmıştır.

Abstract:
Rehabilitation is defined as the process of treating patients with disabilities caused by congenital reasons, accidents or injuries in medical, psychological, social and occupational aspects in order to minimize the outcomes of their disabilities and making them more beneficial to themselves, to their families and to society. Rehabilitation has many branches. Physical rehabilitation or physiotherapy is one of the sub-branches which is the process of treatment in order to make the patients regain strength, mobility and form. Physiotherapy is also specialized in many sub-branches. This study is interested in neurological physiotherapy. This sub-branch deals with neurological disorders and injuries. Neurological disorders can be mainly divided to two as central and peripheral nervous system disorders. The most common neurological disorder is stroke, which is a central nervous system disorder. Stroke is the death of brain cells due to insufficient oxygen caused by occlusion of blood vessels that are connected to the central nervous system. Stroke may cause partial or full impairment, problems in cognitive and communicational abilities and loss of sight. In Europe only, more than a million people every year is affected from this disorder. The prevalence of the disorder increases the importance of treatment of the disorder.

Various techniques involving extensive exercises have been developed for neurological rehabilitation. Newly developed techniques are based on utilizing neuroplasticity, which is the ability of brain to adapt environmental changes and damage. In other words, the patients learn to move their limbs once again. It has been observed that the healing process is accelerated if the patients are engaged with the exercises. The patients must have a will to move their impaired limbs and try to apply force during exercises. If the exercises are active assistive, meaning that patients are assisted to move their impaired limbs when they apply insufficient forces to move them, it has been seen that the recovery is faster. However, these methods require intensive treatment by qualified personnel. Since this is not always possible, the use of robots in rehabilitation stands out.

In the literature, there are neurological rehabilitation robots in various mechanical structures and capabilities. These robots can be classified to three considering their mechanical structures. Some robots use their end effectors to control the exercises. The limb of the patient is attached to the end effector of these robots. Some of them are designed as exoskeletons. Patients wear them and the robots control the exercises with their joints that are matched with the joints of the patients. And some of the robots utilize cables. Neurological rehabilitation robots can be classified to four considering the exercises they can control. In passive exercises, the robot moves the limbs of patients in a predetermined trajectory. In active unassisted exercises, the patients move their limbs and the robot does not assist the patient. In active assisted exercises, the patients are willing but unable to move their limbs and the robot assists the patients to generate motion. And lastly, in resistive exercises the robot resists to the patients.

This thesis aims to design and implement a control system to a rehabilitation robot called ROMRES which has a unique, patented mechanical structure that is developed by the company KANORES. This robot uses cables to control the exercises. The cables are attached to the limb of the patient from opposite sides. And the robot controls the exercise by adjusting the tensile forces on the cables with servo motors. The limb is moved by tense but harmoniously controlled cables on the both side of the limb. Cable-driven structure of the robot increased the flexibility of the robot. The robot can control exercises for various joints. In addition, the robot is designed to contain a bed. Therefore the patients can exercise while lying down. This is very important since the recovery is very fast in early stages of disorders. Three main requirements have been identified for the operation of the robot. First of all, if the patient can't apply any force whatsoever, the robot must be in passive exercise mode, and must control the exercise in a trajectory which is predetermined by a physical therapist or a doctor. Secondly, if the patient is involved in exercise, meaning that he/she is willing to move his/her limb actively, the robot must detect this effort and assist the patient to generate a motion. Lastly, if spasticity occurs in the limb of the patient, meaning that strong muscle contractions in opposite direction as a reaction to increase in velocity of the joint, the robot must detect this behavior and must not try to overcome and force the patient. In the contrary, the robot must allow the limb to move in the direction of spasticity.

In this thesis a control system was designed to meet the requirements that are previously mentioned. In order to test and optimize the performance of the control system, many experiments have been required. To reduce the cost of these experiments, simulating the system in a computer environment was a necessity. For this reason a mathematical model of the dynamic system was needed to be obtained. Therefore the kinematics and dynamics of the robot were studied.

When the kinematic structure of the robot is examined, it can be seen that the robot has kinematic constraints. These kinematic constraints are geometric relations between the variables that represent moving axes of the robot. So these relations are independent from time and velocities. Therefore these constraints are classified as scleronomic holonomic constraints. Using these constraints, a partial kinematic model was determined by obtaining the jacobian of the robot. Various simplifications and assumptions have been made during this process.

The generalized coordinates of the robot were determined in order to obtain a dynamic model of the robot. Euler-Lagrange method was used in the process of obtaining dynamic model. In order to include the effects of constraints to the dynamic model, Lagrange multipliers method was used. The resulting equations of motions were so long, a computer program called Maple was used to obtain symbolical dynamical model. Again, various simplifications and assumptions have been made during this process.

After obtaining the mathematical dynamic model of the robot, obtained model was transferred to MATLAB/Simulink program. The control system was also transferred to the same environment and many simulations have been made to test the performance of the overall system. However, because of the assumptions that have been made during modelling process, it was very challenging to implement all the components of the control system to the simulation environment. Therefore simplified and ideal versions of those components were used in simulations. Hence performance of some of the components of control system could not have been evaluated in computer environment. Nevertheless, simulations shown that the control system is capable of controlling the robot and meeting the requirements.

When it was convinced that the control system is capable of meeting the requirements, the control system was implemented to the actual robot. Many experiments have been made to test the performance of the overall system. In order to conduct these tests as objectively as possible, a test apparatus which is developed by KANORES have been used. This apparatus contains a programmable hardware and a servo motor to imitate the limb of the patient. These tests shown that the control system is successful in controlling the robot and meeting the requirements. In addition, a healthy test subject was used in an experiment to test the robot from a patient viewpoint. Later on, the results that had been obtained from simulations and from the experimental system was compared. Finally the results of this study was evaluated and possible methods to be used were discussed in order to improve the performance of the control system.