Eklemeli imalatla üretilmiş pnömatik yapay kas ile el rehabilitasyon ortezi mekatronik sistem tasarımı
Mechatronic system design of a hand rehabilitation orthosis with additive manufactured pneumatic artificial muscle
Yazar: EMRE TUĞBERK GÜLNERGİZ
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Robotik el rehabilitasyonu alanında yapılan çalışmalar incelendiğinde çalışmaların büyük bölümünün el/parmak fleksiyon hareketi üzerinde yoğunlaştığı görülmüş; el/parmak ekstansiyonu üzerine yapılan çalışmalar incelendiğinde ise sistemlerin çoğunlukla aktif egzersiz olanağı sunmayan, tek yönlü fakat komplike tasarımlar olduğu görülmüştür.
Pnömatik el rehabilitasyon ortezlerinde sıklıkla tercih edilen eyleyici türlerinden olan geleneksel McKibben yapay kasları birçok avantaja sahip olsa da yukarıda bahsedilen sebeplerden dolayı bu projede katmanlı imalat yöntemi ile pnömatik yapay kas üretimi ele alınmış, esnek ve özel tasarımların hızlı ve düşük maliyetle üretiminin mümkün olması sağlanmıştır.
Doğrudan tahrikli bir el ortezi olarak kullanılması planlanan yapay kas; el anatomisi/biyomekaniği verileri dikkate alınarak ve uzman terapistlerin görüşleri ile kavramsal tasarım aşamasına getirilmiştir. Katmanlı imalat yöntemi ile yapay kas üretimi konusunda literatürde herhangi bir kılavuz bulunmadığından, hedefe en uygun sonuçları veren tasarımı belirlemek için tasarımlar sonlu elemanlar analizi yöntemi ile analiz edilmiş ve daha sonra üretim aşamasına geçilmiştir.
Üretimi tamamlanan ortez için, ticarileştirme durumunda ürünün alabileceği sistem formunun bir prototipi hazırlanmış ve ortez bu mekatronik sisteme yerleştirilerek hem kullanım hem de test aşamalarında işlevsellik arttırılmıştır.
Sistemin yazılım tarafında PID kontrolcü tercih edilmiş, bu kapsamda gerekli olan kontrolcü katsayıları ampirik yöntemler ile tespit edilerek, ortezin optimum çalışma performansı göstermesi sağlanmıştır. Yine yazılım tarafında yapılan diğer bir önemli çalışma ise kullanıcı arayüzü tasarımı ve entegrasyonu olmuştur. Sistemin çalışma davranışlarını etkileyen tüm parametreler kolaylıkla arayüz üzerinde değiştirilebilir kılınmış ve yine tüm girdi ve çıktı verileri gerek ham grafikler gerek analog kadranlar gerek ise LCD ekran vasıtasıyla kullanıcıya sunulmuştur.
Üretimi tamamlanan ortez nümerik ve ampirik yöntemlerle analiz edilmiş ve fiziksel özellikleri tespit edilmiştir. Yapılan analizlerin sonuçları tablo ve grafikler halinde sunulmuş ve birbirleri ile karşılaştırılarak yorumlanmıştır.
Sonuç olarak katmanlı imalat yöntemi ile üretilmiş pnömatik yapay kasların mekatronik bir sistem içerisine entegre edilerek doğrudan güç aktarım tekniğiyle el rehabilitasyonunda kullanılabileceği hipotezi, nümerik ve ampirik yöntemler ile doğrulanmıştır.

Abstract:
When the studies in the field of robotic hand rehabilitation were examined, it was seen that most of the studies were mainly focused on the hand / finger flexion movement. Hand/finger extension studies however were mainly suggesting a unilateral and complicated system which also do not offer possibility of active exercise.
Although the traditional McKibben pneumatic artificial muscles (PAMs), one of the most preferred types of pneumatic actuators in hand rehabilitation orthoses, offer many advantages; additive manufacturing of PAMs has been handled in this project to ensure quick and low-cost production of flexible and special muscle designs.
The PAM which was planned to be uses as a direct drive hand orthosis was brought to the conceptual design stage by considering the hand anatomy / biomechanics and the opinions of expert therapists. Since there is no guide in the literature on additive manufactured pneumatic artificial muscles, the designs were analyzed by finite element analysis method to determine the design that gave the most suitable results to the target and then continued with the production phase.
For the orthosis, of which the manufacturing is completed, a prototype of the system form that the product can take in case of commercialization has been prepared and by placing the orthosis in this mechatronic system, functionality has been increased both in use and test stages.
On the software side of the system, a PID controller was preferred and the necessary controller coefficients, which provide optimum operating performance were determined by empirical methods. Another important study on the software side was developing and integration of a proper user interface. All parameters affecting the operating behavior of the system are easily changed on the interface and all input and output data are presented to the user both through raw graphics, analog dials and the LCD screen.
After the production stage, the orthosis was analyzed by numerical and empirical methods and its physical properties were determined. The results of the analysis are compared, interpreted and presented with tables and graphs.
As a result, the hypothesis that additive manufactured pneumatic artificial muscles, integrated into a mechatronic system, can be used in hand rehabilitation with direct power transmission, has been confirmed via numerical and empirical methods.