İnsan yürüyüşünü destekleyici dış iskelet tasarımı ve kontrolü
Design and control of exoskeleton supporting human walking
Yazar: ÜMİT ÖNEN
Danışman: DOÇ. DR. METE KALYONCU ; PROF. DR. FATİH MEHMET BOTSALI
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bacak = Leg ; Bulanık denetim = Fuzzy control ; Modelleme = Modelling ; PD kontrol = PD control ; Yürüme analizi = Gait analysis ; Yürüyüş = Gait

Özet:
Bu tez çalışmasında ortopedik veya nörolojik rahatsızlıklar, travma, yaşlılık gibi sebeplerle yürüyemeyen veya yürüme zorluğu çeken insanların yürüyüşünü desteklemek amacıyla kullanılacak bir alt-ekstremite dış iskelet tasarımı ve prototip üretimi gerçekleştirilmiş, geliştirilen dış iskelet tasarımının doğrulaması ve geçerli kılınması amacıyla performans testleri yapılmıştır. Geliştirilen dış iskelet, ?Yürüyüş Destekleyici Dış İskelet (YÜDİS)? olarak isimlendirilmiştir. YÜDİS'in kontrolü için ?Önceden Programlanmış Hareket Kontrolü? mimarisi kullanılmıştır. ?Önceden Programlanmış Hareket Kontrolü? mimarisi kullanıldığı için YÜDİS'i kullanan kişilerin bacak kaslarının aktivite düzeyinin cihazı kullanma konusunda her hangi bir etkisi bulunmamaktadır.Tez çalışması; YÜDİS'in kinematik analizi, mekanik tasarımı, dinamik modellemesi, eyleyici sistem tasarımı, prototip imalatı, kontrol sistemi tasarımı ve performans testleri aşamalarından oluşmaktadır.Tez çalışması kapsamında, klinik yürüyüş analizi (CGA) verileri kullanılarak normal insan yürüyüşünün kinematik tanımlaması yapılmış, YÜDİS'e ait serbestlik dereceleri ve her serbestlik derecesine ait hareket aralıkları belirlenmiştir. Solidworks ve Unigraphics yazılımları kullanılarak dış iskeletin mekanik tasarımı gerçekleştirilmiş, YÜDİS'in maksimum yüklemeye maruz kaldığı kritik konumlara ait gerilme tahkikleri ANSYS yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Solidworks ortamında oluşturulan YÜDİS katı modeli, MATLAB Simulink/Simmechanics ortamına aktarılarak yürüyüş benzetimleri (simülasyonları) gerçekleştirilmiştir. Prototip üretimi yapılan YÜDİS'in tasarım doğrulama ve geçerli kılma testleri, tez çalışması kapsamında tasarlanan oransal-türev (PD) ve aralık tip-2 bulanık mantık türünde iki farklı kontrolcü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dış iskelet mafsal açılarının gerçekleşen değerleri klinik yürüyüş analizi verileri ile mukayese edilerek tasarımı yapılan kontrolcülerin ve YÜDİS'in performansı değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, a wearable lower extremity exoskeleton -to be used for assisting walking of disabled individuals subjected to neural or orthopedic illnesses, trauma or aging- is designed and a prototype is constructed. Developed exoskeleton is subjected to performance tests for design verification and validation purposes. Developed exoskeleton is named as ?Walking Supporting Exoskeleton (YÜDİS)?. ?Pre-programmed Motion Control? architecture is selected to be used in control of YÜDİS. Since, Pre-programmed Motion Control architecture is selected, level of muscular activity of the user has no significant effect on control of YÜDİS.The thesis is composed of kinematic analysis, mechanical design, dynamic modeling, actuator system design, prototyping, control system design and performance test phases.As a first step, kinematics of human gait is described by using Clinical Gait Analysis (CGA) data. Afterwards, degrees of freedom and range of motion of joint angles of YÜDİS are determined. Structural design of YÜDİS is accomplished by using Solidworks and Unigraphics software and stress analyses of YÜDİS under critical loading configurations are carried out by using ANSYS software. Solid model of YÜDİS created in Solidworks is transferred to MATLAB Simulink/Simmechanics Toolbox. Computer simulations for walking motion of YÜDİS are carried out by using MATLAB Simulink/Simmechanics Toolbox. A prototype of YÜDİS is constructed and subjected to design verification and validation tests. A proportional-derivative (PD) type and an interval type-2 fuzzy logic based controller are designed to be used in design verification and validation tests of YÜDİS. Measured joint angles of YÜDİS are compared with corresponding Clinical Gait Analysis (CGA) data and performance of YÜDİS and developed controllers are evaluated.