Elektronik kontrollü diz üstü protez bacağın tasarlanması ve üretilmesi
Design and manufacturing of electrical controlled above knee prosthetic leg
Yazar: MÜCAHİT EGE
Danışman: PROF. DR. SERDAR KÜÇÜK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu çalışma ile robotik yapıda elektronik kontrollü diz üstü protez bir bacağın tasarımı ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonunda üç eksen hareket kabiliyetine sahip modüler yapıda robotik bir protez bacak elde edilmiştir. Diz üstü ampütasyonu için diz ekleminde fleksiyon-ekstansiyon, ayak bileğinde ise plantar-dorsal fleksiyon ve eversiyon-inversiyon hareketlerini gerçekleştirmektedir. Ayrıca diz altı ampütasyonları için ampütasyon bölgesine göre ayak bileği ekleminin kontrolü sağlanmaktadır. Protezin üç serbestlik derecesine sahip yapısı ve robotik kontrolü ile sağlıklı bir kişinin eklem hareketlerinin ideal şekilde taklit edilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda ilk olarak sistemin kinematik modeli, yörünge planlaması, sertlik analizi ve dinamik modeli matematiksel olarak oluşturulmuştur. Bu veriler kullanılarak Simulink yazılımı ile sistemin kontrolü simule edilmiştir. Protezin sertlik analizi maksimum 120 kg göz önünde bulundurularak hesaplanmıştır. Bu yüke göre hesaplanan x, y ve z eksenlerindeki deformasyon miktarlarının literatüre kıyasla kabul edilebilir olduğu görülmüştür. Ardından protezin üç boyutlu tasarımı yapılmış ve üç boyutlu yazıcı ile tasarlanan parçalar üretilmiştir. Sistem montajı gerçekleştirildikten sonra hazırlanan bir test düzeneğinde protezin eklem hareketleri ve kontrolü test edilmiş; ampüte bir kişi ile protezin uygulaması yapılmıştır. Ayrıca Parçacık Sürü Algoritması kullanarak kütle optimizasyonu yapılmış ve kullanılan batarya ömrünün uzatılması için enerji minimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu çalışmada geliştirilen protez ile literatüre göre %51 daha az enerji harcayan bir sistem geliştirilmiş ve böylece 1,89 saat ilave batarya ömrü kazandırılmıştır. Ayrıca, tez konusu protezin ayak bileği eklem mekanizması özgün bir tasarıma sahip olup bu mekanizma için 2017 23575 tescil numaralı "Protez Bacaklar için Modüler Ayak Bileği Eklem Mekanizması" başlıklı patent alınmıştır.

Abstract:
In this study, the design and manufacturing of a powered above knee prosthetic leg was carried out as robotic, and was obtained a modular robotic prosthetic leg with three-axis mobility. For above-knee amputation, it performs flexion-extension in the knee joint, plantar-dorsal flexion and eversion-inversion movements in the ankle. In addition, for below-knee amputations, control of the ankle joint is provided according to the amputation type. With the three-degree-of-freedom structure and robotic control of the prosthesis, it is aimed to ideally imitate the joint movements of a healthy person. Therefore, first of all, the kinematic model, trajectory planning, stiffness analysis and dynamic model of the system were mathematically created. The control of the system was simulated with Simulink software using these data. The stiffness analysis of the prosthesis was calculated considering a maximum of 120 kg. It has been seen that the deformation amounts in the x, y and z axes calculated according to this load are acceptable according to literature. Then, the prosthesis was designed as three-dimensional and the parts designed with a 3D printer were produced. After the system parts was assembled, the joint movements and control of the prosthesis were tested in a test setup; and the prosthesis was applied with an amputated person. In addition, mass optimization was made using Particle Swarm Algorithm and energy minimization study was carried out to extend the life of the battery used. With the prosthesis developed in this study, a system that consumes 51% less energy compared to the literature has been developed and thus an additional battery life of 1.89 hours has been gained. In addition, the ankle joint mechanism of the prosthesis subject to the thesis has a unique design and a patent titled "Modular Ankle Joint Mechanism for Prosthetic Legs" with registration number 2017 23575 was obtained for this mechanism.