Manyetoreolojik (MR) sönümlendiricili diz eklemi tasarımı ve analizi
Design and analysis of a knee prosthesis with (MR) magnetorheological damper
Yazar: TUNA ORHANLI
Danışman: PROF. DR. ATİLA YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akım denetimi = Current control ; Diz protezi = Knee prosthesis ; Diz üstü protezi = Above knee prosthesis

Özet:
Bu tez kapsamında, diz üstünden bacağını kaybetmiş kişilere doğal hareket kabiliyetlerini geri kazandırmak amacıyla çevresel koşullara ve kullanıcının isteklerine uyum gösterebilecek elektronik denetimli, yarı etkin, diz üstü protez tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen protez, içerisinde eyleyici olarak manyetoreolojik sönümlendirici içermektedir. Akım ile denetlenebilen bu sönümlendirici, kısa tepki süresi sayesinde sürekli zamanlı denetime uygunluk sağlamaktadır. Kullanıcının kalçasından yürüyüş süresince üretilen torkun uygun değerlere sönümlendirilmesi doğal diz hareketine yakın bir hareketin elde edilmesine imkân vermektedir. Denetimin gerçekleştirilebilmesi için ilk şart yürüyüşün ve sönümlendiricinin davranışının kuramsal modelinin elde edilmesidir. Sonraki aşamada ise elde edilen modeller ve denetim bloğu benzetim ortamına taşınarak, başarım ölçüm çalışmaları yürütülmektedir.
Kuramsal model oluşturulurken kinematik davranış ve kinetik davranış ayrı ayrı incelenmektedir. Yürüyüşün tam kinematik analizi yapılırken bacak ve ayak, üç eklemli ve üç bağlantılı bir yapı olarak alınmış, ileri kinematik, ters kinematik, hız kinematiği ve yörünge üretimi konuları ele alınmıştır. Kinetik davranış ise yürüyüş süresince bacağın ve ayağın yer düzlemi ile olan ilişkisinden türetilen dinamik denklemlerin çözümlenmesi ile belirlenmektedir. Elde edilen diferansiyel denklemler sayesinde hareketin kinematik değişkenleri (yer değiştirme, hız ve ivme) ile dinamik (kuvvetler ve torklar) değişkenleri arasında bağ kurulmaktadır. Hem kinetik hem kinematik davranışlar incelenirken elde edilen analitik modellerin başarımları benzetim ortamında gerçek yürüyüşten elde edilen kinetik ve kinematik ölçümler ile belirlenmiştir.
Sonraki aşamada ise elde edilen kuramsal model benzetim ortamına taşınmıştır ve girdi-çıktı ilişkileri kurularak istenilen hareket türlerinin denetimi model üzerinden gerçekleştirilmiştir. Gerçek yürüyüş verileri kullanılarak doğrulanmış kuramsal modeller, kapalı döngü denetleme yapısında ele alınmıştır ve sonuçları irdelenmiştir. Bulunan diferansiyel eşitliklerin protezli yürüyüşü ne ölçüde ifade edebileceği ve denetlenebilirliği bu bölümde yapılan çözümlemeler sonucu türetilmiştir. Bulunan sonuçlar özellikle sarkaç modeli ile ortaya çıkan duruş fazı hatalarının ters sarkaç modeli ile düzeltilebileceğini göstermektedir. Yürüyüşün salınım ve duruş evresinde ikili sarkaç modelinin ortak olarak kullanılmasıyla ortaya çıkan ve raporlanan denetim problemlerine duruş evresinde ters sarkaç yönteminin önerilmesi ile önemli bir iyileştirme gerçekleştirilmiştir.
Gömülü sistem üzerinde yapılan denetimde ise benzetim ortamından elde edilen denetim parametreleri ile mikrodenetleyici üzerinde koşulan bir sürekli zamanlı denetim algoritması, sönümlendiriciyi süren akım sürücü devreyi yönlendirmekte, ölçülen ve kestirilen hedef harekete göre eklemde değişken bir tork üretilmektedir. Ölçülen diz açısı ile referans diz açısı arasındaki farka göre denetleyici, sönümlendiricinin sertlik seviyesini gerçek zamanlı olarak ayarlamaktadır. Bu uygulamanın en önemli beklentilerinden biri referans diz açısının sisteme uygun bir biçimde verilebilmesidir. Bu amaçla protezde mevcut olan atalet sensörleri üzerinden diz açısı kestirimi yapılmıştır. Yapılan deneyler ve çözümlemeler ışığında, manyetoreolojik sönümlendiricinin sürekli zamanlı denetime uygunluğu tespit edilmiş ve sonuçlar raporlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, an electronically controlled, semi-active, above-knee prosthesis, which can adapt to environmental conditions, has been designed to restore natural mobility to people who have lost their legs above the knee. The prosthesis designed in this study contains magnetorheological damper as an actuator. Due to its short response time, this damper, which can be controlled by a current, is found suitable for continuous time control. The damping control of the torque produced during the gait from the user's hip provides a movement close to the natural knee motion. The first condition for successful control is to obtain the theoretical models of the gait and damper dynamic behaviour. Then the performance analysis of measurement phase are carried out by utilizing the obtained models and control block into the simulation environment.
Kinematic and kinetic behavior were examined separately during the derivation of theoretical model. For the kinematic analysis of the gait, a leg and foot were regarded as a robot manipulator with three revolute joints and three prismatic joints. Forward and inverse kinematics, velocity kinematics and trajectory generation topics were discussed on the manipulator frame. The kinetic behavior is determined by the analysis of dynamic equations derived from the relationship of the leg and foot with the ground plane during walking. Differential equations establish a link between the kinematic (displacement, velocity and acceleration) and dynamic (forces and torques) variables of gait. The performances of analytical models were examined in a simulation environment by using kinetic and kinematic measurements obtained from natural gait trials.
The theoretical model obtained from the priori stage was evaluated in the simulation environment considering the input-output relations and the control of desired gait scenarious. Theoretical models, validated using real gait measurements, are examined in the closed loop control structure and the results are observed. This part provides the analysis giving an idea about which extent the differential equations can express prosthetic gait and their controllability. Given results presented that stance phase errors introduced by the double pendulum can be corrected by the inverse double pendulum model. Therefore, an important improvement has been presented by proposing inverse pendulum model to the control problems when both swing and stance phases of the gait were used in the unified model.
In the control stage carried out on the embedded system, control parameters obtained from the simulation environment via the continuous-time control algorithm that adjusts the current driving the damper, and a variable torque are generated for the knee joint according to the measured and estimated kinematic variables. Based on the difference between the measured knee angle and the reference knee angle, the controller adjusts the stiffness level of the damper in real time. One of the most important expectations of the application is to give a proper reference knee angle according to the gait phases. Based on this purpose, knee angle was estimated by using inertial sensors attached onto the prostesis. Under the light of the results of experiments and analyzes conducted, the suitability of the magnetorheological damper for continuous time control has been verified and the results are reported.