Yük taşıyan insan yürüyüşünü destekleyici alt ekstremite dış iskelet geliştirilmesi
Design of lower extremity exoskeleton assisting walking of load carrying human
Yazar: YUSUF ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. FATİH MEHMET BOTSALI ; DOÇ. DR. METE KALYONCU
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, yük taşıyan insan yürüyüşünü destekleyen alt ekstremite bir dış iskelet sisteminin tasarımı, imalatı ve kontrolü gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen alt ekstremite dış iskelette kullanıcının sırtındaki yükün kullanıcı tarafından hissedilen/taşınan kısmının en aza indirgenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, insan anatomisi göz önüne alınarak, ergonomik bir tasarım için mafsal serbestlik derecesi bakımından insan ile uyumlu bir dış iskeletin kinematik tasarımı yapılmıştır. Kinematik tasarımı yapılan dış iskeletin üç boyutlu katı modelini elde etmek üzere yapısal tasarımı CAD yazılımları kullanılarak yapılmıştır. Tasarlanan dış iskelet sisteminin kinematik ve dinamik analizini, kontrol sistemi tasarımı ve simülasyonunu yapmak üzere CAD yazılımı ile elde edilen katı model, malzeme özellikleri, mafsal serbestlik dereceleri ve uzuv atalet momentleri ile birlikte Matlab/SimMechanics ortamına aktarılmıştır. Tez kapsamında, yük taşıyan insan yürüyüşünü destekleyici dış iskelet için gerekli kontrolcüler tasarlanmış olup Matlab/SimMechanics ortamında simülasyonlar yapılarak tasarımı yapılan kontrolcülerin performansı dış iskeletin değişik sırt yükleri ve giriş fonksiyonları altındaki performansı incelenerek değerlendirilmiştir. Matlab/Simmechanics ortamında yapılan simülasyonlar ile dış iskelet sisteminde kullanılacak sensörlerin tipi ve sayısı ile eklemlere yerleştirilen eyleyicilerin tipi ve karekteristik özellikleri belirlenmiştir. Dış iskelet sisteminde servovalf ile kontrol edilen iki adet hidrolik silindir bulunmaktadır. Sırtta taşınan yükün kullanıcıya aktarılan kısmı kullanıcının ayağının altına yerleştirilen kuvvet sensörleri ile algılanmaktadır. Tez kapsamında tasarımı yapılan dış iskelet sisteminin prototipi üretilmiştir. Dış iskelet sisteminin kontrolü XpcTarget ile uyumlu PC104 tabanlı bir bilgisayar ile gerçekleştirilmiştir. Dış iskelet sisteminin kontrol mimarisi oluşturulurken daha az işlem yükü gerektiren basit bir kontrol algoritması kullanımı öngörülmüş, bu amaçla, PI kontrolcü içeren iki aşamalı bir kontrol mimarisi ve ağ tabanlı bulanık önerme sistemi (ANFLC) kullanılan ikinci bir kontrol mimarisi kullanılmıştır. Prototip dış iskelet sistemi ile yapılan yürüyüş denemelerinden elde edilen veriler kullanılarak dış iskelet sisteminin performansı değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, design and control of a lower extremity exoskeleton that supports walking of load carrying human is realized and a prototype of developed system is constructed. Transmission of minimum amount of the back load to the user is targeted in the exoskeleton system. In this context, kinematic design of the exoskeleton system is accomplished taking into account human anatomy in order to attain an ergonomic design. 3D solid model of the exoskeleton system is obtained by using CAD software. Matlab / SimMechanics is used in kinematic and dynamic analysis and simulation of control system of the exoskeleton. For this purpose, 3D solid model obtained by CAD software together with material properties and moment of inertia of members, degrees of freedom at the joints are transferred to Matlab/Simmechanics environment. Controllers to be used in control of the exoskeleton system are designed by simulations carried out in Matlab / SimMechanics environment.  Simulations are carried out under various back loads and input functions in order to determine the performance of designed contollers. Type and number of sensors and types and characteristic properties of actuators are determined by using results of Matlab / SimMechanics simulations.  Two servovalve controlled hydraulic cylinders are used in actuation of the exoskeleton system. Amount of the load transmitted to the user's feet is measured by force sensors placed under user's feet. A prototype of the developed lower extremity exoskeleton is constructed. Control of the exoskeleton system is accomplished by using an Xpctarget compatible single board computer PC104. Developed exoskeleton system is contolled by using a two-stage control architecture containing a PI controller. A second control architecture containing a neural based fuzzy inference system is also used in control of the exoskeleton system. A controller using a simple algorithm that requires low operation time is aimed in controller design. Data obtained from walking experiments carried out with the prototype exoskeleton system are used in order to evaluate performance of developed exoskeleton system.