Manyetoreolojik (MR) silindirli yarı etkin diz eklemi ortezi tasarımı
Design of semi active knee joint orthosis with magnetorheological (MR) damper
Yazar: ÇAĞRI AKALIN
Danışman: PROF. DR. ATİLA YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde MR silindirin sönümlendirici olarak kullanıldığı bir ortezin elektromekanik tasarımı yapılmıştır ve gömülü sistem aracılığı ile kestirim ve denetim yordamları geliştirilmiştir. Daha ayrıntılı biçimi ile bu yapı duyargalardan veri toplayarak, evre kestirimini yapan ve buna göre diz ortezinin denetimini gerçekleştiren mikrodenetleyicinin bulunduğu elektronik bir kart tasarımını içermektedir. Manyetoreolojik (MR) silindire denetim sırasında istenilen akımı uygulayabilecek bir akım kaynağı tasarlanmış, doğrulanmış ve endüstriyel bir ürün ile performans karşılaştırması yapılmıştır. Çalışmanın ilk safhasında MR silindir denetimsiz olarak incelenmiş ve serbest olarak hareket etmesine izin verilmiştir. Diz ortezi için mikrodenetleyici üzerinde gerçek zamanlı olarak çalışan evre kestirim algoritmalarının doğru olarak çalıştığı tespit edilmiştir. Tezin son bölümünde mikrodenetleyici üzerinde üretilen yürüyüş evreleri ile MR silindirin ve diz ortezinin denetimi yapılmış, elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Bu tez çalışmasının bir parçası olarak diz eklemi ortezi tasarımı aşamasında kullanılacak hareket ölçüm sistemleri üzerine de inceleme yapılmış ve uygun bir sistem seçilmiştir. Bu hareket ölçüm sistemi hem toplanan verilerin doğruluğunu denetleyen bir mekanizma hem de evre kestirim çalışmalarının referansı olarak kullanılmıştır. Tasarlanan pasif iskelet ile yürüyen sağlıklı insan üzerinden veriler toplanmış ve evre kestirim çalışmaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara bakıldığında pasif iskelet üzerinde filtrelenmiş diz açısı kullanılarak yapılan evre kestirim çalışmasının başarım oranı bazı evreler için %95 değerlerine çıkmasına rağmen genel başarım oranı %68 olarak hesaplanmıştır. Filtrelenmiş alt bacak açısı ile yapılan evre kestirim çalışmalarında ise genel başarım oranı %76 olarak bulunmuştur. Diz eklemi ortezi ile yapılan evre kestirim çalışmalarında elde edilen genel başarım oranı %93 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma yapılırken MR silindir serbest bırakılmış, denetimi yapılmamıştır. MR silindirin denetlendiği evre kestirim çalışmasında ise genel başarım oranı %88 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this thesis, an electromechanical design of a knee orthosis in which a custom designed magnetorheological (MR) cylinder is used as a damper is presented. Subsequently, gait phase detection algorithm and related control procedures were also developed for an embedded system. In details, the design includes an electronic card with a microcontroller that collects data from the sensors, performs the phase detection and controls the knee orthosis accordingly. A current source is designed and verified for the desired current levels to activate MR damper during control stages. Its performance is compared with an industrial product available in the market. In the first phase of this study, the MR damper specially designed for this study is allowed to move freely and the operation examined without control appliance. It is verified that the phase detection algorithms operating in real time on the microcontroller of the knee orthosis perform as expected. In the final stage of the thesis, the MR damper and knee orthosis are used under control algorithm along with gait phases estimated real time by the microcontroller, and the obtained results are discussed. As a part of the thesis, motion analysis systems which are aimed to be used during the knee joint orthosis design are also investigated and an appropriate system is arranged in the laboratory. This motion analysis system is used as a verification mechanism for the collected data, and as a reference platform in the gait phase detection studies. The system collects data from healthy subjects through the passive skeleton system over which gait phase detection studies are also performed. As the obtained results are examined, it is seen that even though the success rate of phase detection evaluations are measured just on the passive skeleton system using filtered knee joint angle, the correctness of some phase detections may reach up to 95% and the average success rate is around 68%. On the other hand, the studies resulted in 76% of success rate for the phase detection evaluations which are performed only for filtered shin angle. The average success rate of the phase detection evaluations performed using knee joint orthosis is recorded as 93% when the MR damper is in relaxed mode and left uncontrolled. However, when the MR damper is controlled through proper current levels, the average success rate went up to 88%.