OPTIMAL DESIGN OF THE ROBOTIC EXOSKELETON FOR HAND REHABILITATION
Date
2022-02-15
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
This thesis is a part of the research project which aims to design and implement a
robotic hand rehabilitation system. The disabilities caused by the cerebral vascular
accidents are hemiplegic. Therefore, the system is designed to make the impaired hand
be driven by the exoskeleton. This system consists of a robotic hand exoskeleton which
is synchronized with the visual stimulus software and the monitoring system for the
activity of the mirror neuron system. Focus of this thesis is on optimizing the
exoskeleton mechanism using a multi-objective cost function in terms of the forward
and backward transmission angles and the desired kinematics. Mathematical models
based on the multibody dynamics approach are used for the design and simulation
purposes. In addition, the quasi-static models are utilized.
The passive torques in the joints of the human finger are modeled with the ordinary
and fractional order mathematical terms. In the simulations, both the integer and the
fractional order passive torques are implemented. The fractional order model is mainly
used to represent the anomaly due to the spasticity. Two control strategies, namely the
Proportional-Integral-Derivative (PID) and Feedback Error Learning (FEL) types are
designed and evaluated with simulations to control the exoskeleton system during the
pinching motion. It is shown that the adaptive controller, FEL, copes with the
fractional order passive torques better than the PID controller. It is shown that the
inverse and direct quasi-static models are used to estimate the passive torques.
Description
EL REHABİLİTASYONU İÇİN GELİŞTİRİLEN HARİCİ İSKELETİN OPTİMAL
TASARIMI
ÖZ: Bu tez çalışması, robotik el rehabilitasyon sistemi tasarım ve uygulamasını hedefleyen bir proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Beyin damarlarını etkileyen kazaların yol açtığı sakatlıklar hemiplejik olduğundan, projede işlev kaybı olan elin dış iskelet tarafından yönlendirildiği bir sistem üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada robotik harici iskelet, görsel uyaran yazılımı ve ayna nöron sistemi aktivitesini gözlemleyen ölçüm sistemi ile senkronize bir biçimde çalışmaktadır. Bu tez kapsamında harici iskelet mekanizmasının, ileri ve tersine aktarım açıları ve hedeflenen kinematiği kullanan bir çoklu amaç fonksiyonu ile eniyilenmesi hedeflenmiştir. Çoklu gövde dinamiği modelleri ve sanki-statik yapıdaki kinetik modeller, tasarım ve benzetim amaçlı geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Projemizde insan parmağının eklemlerindeki pasif torklar tam ve kesirli mertebe diferansiyel denklemlerle modellenmiştir. Parmağın dış iskelet ile bütünleşik benzetimlerinde tam ve kesirli mertebeden pasif torklar uygulanmıştır. Kesirli mertebe torklar, parmakta spastisite sonucu oluşan anomalinin modellenmesi için önerilmiştir. İnce kavrama hareketini sağlamak amacıyla PID ve FEL tipi denetimciler tasarlanmış ve model üzerinde sınanmıştır. Uyarlamalı bir kontrolcü olan FEL’in, kesirli mertebe pasif torklar etkin olduğunda PID’den daha başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Direkt ve tersine sanki-statik modellerin, pasif torkların kestirimine yönelik kullanımı da tez kapsamında sunulmuştur.
ÖZ: Bu tez çalışması, robotik el rehabilitasyon sistemi tasarım ve uygulamasını hedefleyen bir proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Beyin damarlarını etkileyen kazaların yol açtığı sakatlıklar hemiplejik olduğundan, projede işlev kaybı olan elin dış iskelet tarafından yönlendirildiği bir sistem üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada robotik harici iskelet, görsel uyaran yazılımı ve ayna nöron sistemi aktivitesini gözlemleyen ölçüm sistemi ile senkronize bir biçimde çalışmaktadır. Bu tez kapsamında harici iskelet mekanizmasının, ileri ve tersine aktarım açıları ve hedeflenen kinematiği kullanan bir çoklu amaç fonksiyonu ile eniyilenmesi hedeflenmiştir. Çoklu gövde dinamiği modelleri ve sanki-statik yapıdaki kinetik modeller, tasarım ve benzetim amaçlı geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Projemizde insan parmağının eklemlerindeki pasif torklar tam ve kesirli mertebe diferansiyel denklemlerle modellenmiştir. Parmağın dış iskelet ile bütünleşik benzetimlerinde tam ve kesirli mertebeden pasif torklar uygulanmıştır. Kesirli mertebe torklar, parmakta spastisite sonucu oluşan anomalinin modellenmesi için önerilmiştir. İnce kavrama hareketini sağlamak amacıyla PID ve FEL tipi denetimciler tasarlanmış ve model üzerinde sınanmıştır. Uyarlamalı bir kontrolcü olan FEL’in, kesirli mertebe pasif torklar etkin olduğunda PID’den daha başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Direkt ve tersine sanki-statik modellerin, pasif torkların kestirimine yönelik kullanımı da tez kapsamında sunulmuştur.
Keywords
engineering systems