Pasif bir alt ekstremite yürüyüş desteğinin biyomekanik tasarımı
Biomechanical design of a passive lower extremity gait support
Yazar: SEDA YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN LEKESİZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Alt ekstremite = Lower extremity ; Aşil tendonu = Achilles tendon ; Biyomekanik = Biomechanics

Özet:
Yürüyüş destekleri genel olarak bilinen adıyla dış iskeletler insan uzuvları ile etkileşim halinde çalışan, 1890 yılından günümüze kadar gelişerek, kullanan kişiye yardımcı olmak için tasarlanan giyilebilir cihazlardır. Dış iskeletler insan makine etkileşiminin artmasıyla günümüz teknolojisinde askeriye ve sağlık alanı başta olmak üzere endüstriyel ve sivil hayatta da kullanılmaya başlanmıştır.
Bu tez çalışmasında uzun süre yürüyen kişiler için alt ekstremitede yürüyüş desteğinin biyomekanik tasarımı ve matematiksel modellemesi gerçekleştirilmiştir. Böylece uzun süreli yürüme nedeniyle alt ekstremitede ciddi sağlık problemleri oluşmadan çalışan kişilerin daha konforlu çalışabilmesi ve daha az metabolik enerji harcaması öngörülmektedir.
Tasarımı yapılan model, boyu 1,80 m ve kütlesi 80 kg birinin vücut ölçüleri baz alınarak oluşturulmuştur. Yürüyüş desteği olarak tasarlanan sistem için öncelikli olarak yürüyüşün basma fazı alt evrelerinde yürüyüş desteği bulunmayan modelin tüm vücut serbest cisim diyagramı ve segment olarak elde edilmiş serbest cisim diyagramları oluşturularak denge denklemleriyle bilinmeyen kuvvetlerin ve ayak bileği momentinin bulunması sağlanmıştır. Yürüyüş desteği bulunmayan modeldeki denklemler oluşturulduktan sonra tasarımı yapılmış yürüyüş desteği modeliyle birlikte bulunan sistemdeki kuvvetlerin ve ayak bileği momentinin değişimini bulmak için denklemler oluşturulmuştur. Bulunan denklemler, yürüyüş çevriminin salınım fazında ayağın yerle teması çok az olduğu için basma fazının alt evrelerindeki ayağın konumu kullanılarak hesaplanmıştır. Matematiksel çözüm ile birlikte yürüyüş desteği bulunan ve bulunmayan alt ekstremite için Aşil tendon kuvveti, ayak bileğine etki eden kuvvetler ve ayak bileği momenti bulunmuştur. Oluşturulan modelin bilgisayar programında analizi yapılarak sistemin toplam deformasyonu ve sistemdeki yay kuvvetleri ile yaydaki uzama miktarları elde edilmiştir.
Tasarımı ve hesaplaması yapılan model yardımıyla mekanik olarak çalışan ve yürüyüş sırasında ayağa gelen yükleri azaltarak metabolik enerjinin azalmasına yardımcı olan bir sistem önerilmiştir. Mekanik olarak çalışacak sistemde Aşil tendonuna gelen yükün azaltılması için tendona paralel ve yürüme sırasında harcanan metabolik enerjiyi azaltacak şekilde yaylar eklenerek daha sade bir sistem tasarlanmıştır. Böylece herhangi bir harici güç gereksinimine ihtiyaç duyulmadan bir yürüyüş desteği oluşturulmuştur.

Abstract:
Gait supports, known as exoskeletons, are wearable devices that work in interaction with human limbs and have been developed since 1890 to assist the user. Exoskeletons have begun to be used in industrial and civil life, especially in the military and health fields, with the increase of human machine interaction.
In this thesis, biomechanical design and mathematical modeling of lower extremity gait support for people working standing for a long time has been performed. Thus, it is predicted that people working without serious health problems in the lower extremities due to prolonged standing will be able to work more comfortably and spend less metabolic energy.
The designed model is based on the body measurements of a person with a height of 1.80 m and a mass of 80 kg. By creating static equilibrium equations, unknown forces and ankle moment have been found. After the equations in the model without exoskeleton was created, the equations were created to find the change of forces and ankle moment in the system with the designed walking frame model. The equations found using the position of the foot in the lower phases of the stance phase, as the foot contact with the ground during the swing phase of the gait cycle is very low. With the mathematical solution, the Achilles tendon strength, forces acting on the ankle and ankle moment were found for the lower extremity with and without gait support. The total deformation, the spring forces in the system and the elongation in the spring were obtained by analyzing in the computer program.
With the help of the designed and calculated model, a system that works mechanically and helps to reduce metabolic energy by reducing the loads on the feet during walking has been proposed. In the system that will work mechanically, a simpler system is designed by adding springs parallel to the tendon in order to reduce the load on the Achilles tendon and to reduce the metabolic energy consumed during walking. Thus, an exoskeletons was created without the need for any external power requirement.