İki eksenli diz üstü protez ve GRF sensör tasarımı
Two-axis above-the-knee prosthesis and GRF sensor design
Yazar: ALİ İHSAN BÜLBÜL
Danışman: PROF. DR. SERDAR KÜÇÜK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Anatomi = Anatomy ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Diz üstü protezi = Above knee prosthesis

Özet:
Ampütasyon ve özelde transfemoral ampütasyon insanlar için zor bir dönemin başlangıcıdır. Ampüte bireyler genellikle protezle desteklenir. Bu çalışmada bir diz üstü (transfemoral) aktif portez tasarımı, testleri, kontrolü, proteze özel kontrol amaçlı kuvvet sensörü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Protezde kullanmak amacıyla düşük maliyetli üç serbestlik dereceli yeni bir kuvvet sensörü geliştirilmiştir. Güvenli hareket için, proteze uygulanan kuvvetler ölçülmeli ve kontrol etmek için kullanılmalıdır. Çalışmada önerilen sensör ile zemin reaksiyon kuvvetleri (GRF) ölçülerek protez kontrolünde kullanımı amaçlanmıştır. Sensör yapısal tasarımı, sonlu eleman yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Sensör kontrol kartı imal edilmiştir. Sensör ve protez testleri için uygun bir test platformu da geliştirilmiştir. Protez ihtiyaçlarına uygun ölçüm protokolü test platformunda sensöre uygulanmıştır. Ayrıca test protokolleri ticari bir sensöre uygulanıp sonuçlar karşılaştırılarak doğrulaması yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, sensörün protezde kullanıma uygunluğu tespit edilmiştir. Transfemoral protez donanımı, diz ekleminde ekstansiyon-fleksiyon ve ayak bileği ekleminde plantar ve dorsal fleksiyon hareketlerini destekleyecek şekilde aktif ve ayak bileğinde inversiyon-eversiyon hareketlerini pasif destekleyecek şekilde tasarlanmıştır. Akif eklem hareketleri gerekli torkları verebilecek aktüatör-redüktör setleri ile sağlanmaktadır. Tasarlanan kuvvet sensörü, aktüatörler, güvenlik donanımları ve protokolleri, yürüme görevinin kontrol algoritmaları, güç kontrolleri gömülü sistem ile gerçekleştirilir. Proteze özel kinematik ve dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Protez ile gömülü sistem donanımına uygun olarak yürüme döngüsünü gerçekleştirecek kontrol mimarisi tasarlanmıştır. Protezin dinamik tepkilerinin ölçümü ve güvenlik için ampüte bireylerden önce sağlıklı deneklerle testi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla sağlıklı deneğe bağlantı aparatı geliştirilerek, normal yürüme kadansında ve koşu bandı üzerinde testleri yapılmıştır. Testlerle eklem açıları, torkları ve harcanan güçler ölçülmüştür. Protezin dinamik testleri ile transfemoral protez gereklerini karşıladığı görülmüştür.

Abstract:
Amputation and especially transfemoral amputation is the beginning of a difficult period for a person. Amputee individuals are usually supported with a prosthesis. In this study, the design of an above-knee (transfemoral) active portez, tests, control, and the design of a force sensor for prosthesis-specific control purposes were performed. A new low-cost three-degree-of-freedom force sensor has been developed for use in the prosthesis. For safe movement, the forces applied to the prosthesis must be measured and used to control it. The purpose of the proposed sensor is to measure ground reaction forces (GRF) and use it in prosthesis control. The sensor structural design was made using the finite element method. The sensor control card is manufactured. A test platform suitable for sensor and prosthesis tests has also been developed. The test protocol suitable for the needs of the prosthesis was applied to the sensor on the test platform. In addition, the test protocols were applied to a commercial sensor and verified by comparing the results. According to the results obtained, the suitability of the sensor for use in prosthesis has been determined. The transfemoral prosthesis equipment is designed to support active extension-flexion movements in the knee joint and plantar and dorsal flexion movements in the ankle joint, and passive inversion-eversion movements in the ankle. Active joint movements are provided by actuator-gearbox sets that can provide the necessary torques. The designed force sensor, actuators, safety equipment and protocols, control algorithms of the walking task, power controls are performed with the embedded system. Kinematic and dynamic analyses were performed specific to the prosthesis. A control architecture has been devised to perform the walking cycle in accordance with the embedded system and the prosthesis hardware. The dynamic responses of the prosthesis were measured and tested with healthy subjects before amputees for safety. For this purpose, a connection apparatus was developed for the healthy subject and tests were performed on the treadmill at normal walking cadence. Joint angles, torques and expended forces were measured with the tests. It was found that the prosthesis meets the requirements of transfemoral designed prosthesis with dynamic tests.