Üst Uzuv İçin Hareket Destekleyici Dış İskelet Robotunun EMG Temelli Kontrolü
Öğrenci Ahmet YAVUZ
Proje Danışmanı Doç. Dr. Erhan AKDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Beşiktaş, İstanbul, Türkiye
Bu proje çalışmasında üst uzuvlar için hareket destekçisi ve rehabilitasyon amaçlı bir dış iskelet robotunun tasarımı, üretimi ve kontrolü ile ilgilidir. Sistemde biyomekanik parametrelerin yanı sıra biyolojik parametreler de göz önüne alınarak kontrol gerçekleştirilmiştir. Biyomekanik geri besleme elemanı olarak konum ve kuvvet sensörleri, biyolojik geri besleme elemanı olarak kas sinyallerini algılayan EMG sensörleri kullanılmıştır. Bu nedenle sistem hibrid data birleştirme yöntemi kullanan, servo motorlarla tahrik edilen, 2 serbestlik dereceli, seri tip mekanik yapıya sahip olan bir robotik sistemdir.
Problem: Üst uzuv dış iskelet hareket destekçileri ve rehabilitasyon amaçlı sistemlerdeki problemler şunlardır: uygun mekanik yapı, ergonomi, dayanım, uyumlu çalışma, kararlılık, yörünge takibi
Amaç: Üst uzuvlara yönelik hareket destekçi ve rehabilitasyon amaçlı olarak kullanılabilecek, insan robot etkileşimini yeterli seviyede sağlayan, uzuv boyutuna göre ayarlanabilir, her iki kol için kullanıma uygun, hibrid data birleştirme yolu ile geri besleme yaparak kontrol çevrimine hem biyomekanik hem de biyolojik parametreleri alan iki serbestlik dereceli bir dış iskelet robotunun tasarımı, üretimi ve kontrolü amaçlanmıştır.
Sistem özellikleri:
Omuz ve dirsek için fleksiyon-ekstansiyon hareketlerini gerçekleştirir.
2 serbestlik dereceli seri tip mekanizma yapısına sahiptir.
Servo motor tahriklidir.
5 kg yük kaldırma kapasitelidir.
Uzuv boyutuna göre ayarlanabilir.
Her iki kol için kullanılabilir.
EMG sinyalleri ile biyolojik geri besleme yapılır.
Konum, kuvvet sensörleri ile biyomekanik geribesleme yapılır.
Güvenlik, yazılım ve donanım kontrollü olarak çift katlı sağlanır.
Dış iskelet robotu; yapılan tüm statik – dinamik analizler ışığında tasarlanmıştır. Bahsedilen tüm modlar için
tasarlanan arayüzler ile bilgisayar üzerinden takip imkanı sağlanmaktadır. Biyomekanik geri besleme elemanı;
enkoderler ve kuvvet sensörü ve biyolojik geri besleme elemanı; EMG devresinden gerekli veriler alınabilmekte ve bu veriler kontrolcüye yazılmış gömülü algoritma ile değerlendirilmektedir. Sistemin hareketi için PID kontrolü yöntemine başvurulmuştur.
Rehabilitasyon modunda yaptığımız çalışmada; arayüz üzerinden omuz ve dirsek eklemleri için ayrı ayrı belirlenen minimum-maksimum açı sınırları bilgisi kontrolcüye gönderilmiştir. Kontrolcü, belirlenen sınırlarda PID kontrolü ile hareketi etkili bir biçimde sağlamıştır. EMG devresiyle, pasif uzuv üzerinde oluşan hareketliliğin neden olduğu kas sinyalleri gözlemlenmiştir ve biyolojik geribeslemeler başarı ile kayıt altına alınmıştır.
Referanslar
[1] Riener, R., Nef, T., Colombo, G., ―Robot-aided neurorehabilitation of the upper extremities.‖, Med. Bio. Emg. Comp., 2005.
[2] Leifer, L., ―Rehabilitive Robotics‖, Robot Age, pp:4-11, 1981.
[3] Kwee, H., Duimel J., Smit, J., De Moed, A.T., Van Woerden, J., Kolk, L.V.D., ―The Manus Wheelchair-mounted manipülatör: Developments Toward a Production Model‖, Proc. 3rd Int. Conf. Assoc. Aadvancement Rehab. Tech., 1988.
[4] A Myosignal-Based Powered Exoskeleton System, Jacob Rosen, Moshe Brand, Moshe B. Fuchs, and Mircea Arcan
[5] The Cybernetic Rehabilitation Aid: a Novel Concept for Direct Rehabilitation, Erhan AKDOĞAN* , Keisuke Shima**, Hitoshi Kataoka**, Masaki Hasegawa***, Akira Otsuka***, Toshio Tsuji**
Şekil 1: Dış iskelet robot sistemi
EMG Sinyal İşleme Adımları:
İletişim Bilgileri:
Öğrenci:
Ahmet YAVUZ
ahmetyvz3469@gmail.com Proje Danışmanı:
Erhan AKDOĞAN
eakdogan50@gmail.com Şekil 4: EMG elektrot konumlandırılması
Kas kasılma seviyesi (KKS) aşağıda verilen bağıntıya göre hesaplanır.
3. Masaya ait alt ve üst tabla ergonomiktir. Robotun kullanımı sırasında kullanıcının rahatsız olmaması amacı ile vücut hatları dikkate alınarak tasarlanmıştır.
4. Uzuv bağlantı elemanları, uzvu yeterli düzeyde sarmakta ve tutmaktadır. Kullanıcının konforu düşünülerek bağlantı elemanının kol üzerindeki konumu değişebilmektedir. Tutamak, kullanıcının uzuv boyuna bağlı olarak konumlandırılabilmektedir. Ayrıca özel olarak tasarlanan tutamak içine kuvvet sensörü yerleştirilmiştir.
Şekil 2: Sistemin Mekanik Tasarımı
Şekil 3: EMG sinyal işleme adımları
EMG devresi tasarlanırken sinyal işleme adımları uygulanmıştır. Yükseltme ve filtreleme adımları donanımsal, normalizasyon kısmı ise yazılımsal olarak yapılmıştır. EMG sinyallerinin doğruluğu sistemin kontrolü ve kullanıcının kas aktivitesinin takibi için oldukça önemlidir.
Şekil 5: EMG sinyal işleme devresi
Temelde kasların ve robotun aktif-pasif çalışma durumu üzerine kurulmuş üç ayrı mod bulunmaktadır. Bu modlar kullanıcının ya da terapistin tercihi üzerine seçilebilmekte veya değiştirilebilmektedir. Bahsedilen modlar aşağıdaki gibidir:
1) Yük Kaldırma Modu: Hem kaslar hem de robot aktif olarak çalışır. Kas üzerindeki zorlanma robot
tarafından belirlenen sınırlarda minimize edilmek istenir. Yani 5 kg’lık bir ağırlığın 4 kg’ı robot tarafından, 1 kg’ı ise robot tarafından kaldırılır.
2) Rehabilitasyon Modu: Kaslar pasif, robot aktif olarak çalışır. Robotun omuz ve dirsek eklemleri için fleksiyon-ekstensiyon hareketlerini belirlenen açılarda uygulaması ile kaslar pasif olarak çalıştırılır ve kasların ürettiği sinyaller beyne aktarılır. Devamlı olarak yaptırılan hareket beyin tarafından öğrenilir. Bu sayede uzuv için geri kazanım süreci yürütülür.
3) Egzersiz Modu: Kas aktif, robot yarı aktif olarak çalışır. Bu modda kullanıcının kas gelişimi için çalışmalar yürütülür. Robot, daha düşük kas gücü olan bir birey için daha az tersine tork uygularken daha güçlü kaslar üzerinde yapılan geliştirme tedavilerinde daha yüksek tersine tork üretir. Dirsek eklemi için maksimum 15 Nm, omuz eklemi için ise 30 Nm tersine tork üretilebilmektedir.
1. Robot profili ve masa bacağı üzerinden hem oturarak hem de ayakta kullanım boy ayarlama imkanı mevcuttur. Ek olarak konum değişikliği yapılabilmesi için frenli tekerleklere sahiptir.
2. Sistem uzuv boyutuna göre buradaki kızak mekanizmasından ayarlanır. Ayrıca gene bu resimde görülen aparat ile her iki kol için kullanılabilir.
Şekil 7: Rehabilitasyon modunda çalışma
