Manyetoreolojik (MR) sönümlendiricili diz eklemi tasarımı ve analizi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: TUNA ORHANLI
Danışman: ATİLA YILMAZ
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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.