dc.contributor.advisor | Yılmaz, Atila | |
dc.contributor.author | Orhanlı, Tuna | |
dc.date.accessioned | 2020-09-17T10:38:58Z | |
dc.date.issued | 2020-08-17 | |
dc.date.submitted | 2020-07-28 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/22738 | |
dc.description.abstract | In this thesis, an electronically controlled, semi-active, above-knee prosthesis,
which can adapt to environmental conditions, has been designed to restore natural
mobility to people who have lost their legs above the knee. The prosthesis designed in
this study contains magnetorheological damper as an actuator. Due to its short response
time, this damper, which can be controlled by a current, is found suitable for continuous
time control. The damping control of the torque produced during the gait from the user's
hip provides a movement close to the natural knee motion. The first condition for
successful control is to obtain the theoretical models of the gait and damper dynamic
behaviour. Then the performance analysis of measurement phase are carried out by
utilizing the obtained models and control block into the simulation environment.
Kinematic and kinetic behavior were examined separately during the derivation
of theoretical model. For the kinematic analysis of the gait, a leg and foot were regarded
as a robot manipulator with three revolute joints and three prismatic joints. Forward and
inverse kinematics, velocity kinematics and trajectory generation topics were discussed on the manipulator frame. The kinetic behavior is determined by the analysis of dynamic
equations derived from the relationship of the leg and foot with the ground plane during
walking. Differential equations establish a link between the kinematic (displacement,
velocity and acceleration) and dynamic (forces and torques) variables of gait. The
performances of analytical models were examined in a simulation environment by using
kinetic and kinematic measurements obtained from natural gait trials.
The theoretical model obtained from the priori stage was evaluated in the
simulation environment considering the input-output relations and the control of desired
gait scenarious. Theoretical models, validated using real gait measurements, are
examined in the closed loop control structure and the results are observed. This part
provides the analysis giving an idea about which extent the differential equations can
express prosthetic gait and their controllability. Given results presented that stance phase
errors introduced by the double pendulum can be corrected by the inverse double
pendulum model. Therefore, an important improvement has been presented by proposing
inverse pendulum model to the control problems when both swing and stance phases of
the gait were used in the unified model.
In the control stage carried out on the embedded system, control parameters obtained
from the simulation environment via the continuous-time control algorithm that adjusts
the current driving the damper, and a variable torque are generated for the knee joint
according to the measured and estimated kinematic variables. Based on the difference
between the measured knee angle and the reference knee angle, the controller adjusts the
stiffness level of the damper in real time. One of the most important expectations of the
application is to give a proper reference knee angle according to the gait phases. Based
on this purpose, knee angle was estimated by using inertial sensors attached onto the
prostesis. Under the light of the results of experiments and analyzes conducted, the
suitability of the magnetorheological damper for continuous time control has been
verified and the results are reported. | tr_TR |
dc.language.iso | tur | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Manyetoreolojik sönümlendirici | tr_TR |
dc.subject | Yürüyüşün modellenmesi | tr_TR |
dc.subject | Sürekli zamanlı denetim | tr_TR |
dc.subject | Yarı etkin diz eklemi | tr_TR |
dc.subject | Dizüstü protez | tr_TR |
dc.title | Manyetoreolojik (Mr) Sönümlendiricili Diz Eklemi Tasarımı ve Analizi | tr_TR |
dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | 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. | tr_TR |
dc.contributor.department | Elektrik –Elektronik Mühendisliği | tr_TR |
dc.embargo.terms | Acik erisim | tr_TR |
dc.embargo.lift | 2020-09-17T10:38:58Z | |
dc.funding | Yok | tr_TR |