3D Modelling and Simulation Based on Kinematic Analysis for Hippotherapy

Yıl 2024, Cilt: 5 Sayı: 1, 53 - 64, 30.06.2024

Bilal Adoum Ourada , Ugur Fidan

https://doi.org/10.53608/estudambilisim.1427857

Öz

The engineering perspective on the physiology and anatomy of living things has led to the emergence of the science of biomechanics. Developing computer technologies have made it possible to examine the behaviour of living things in more detail and to develop technologies that enable kinetic and kinematic analysis of movements to imitate real limbs. In this study, the natural gaits of horses (Walk, Canter and Trot) were analysed with image processing techniques, kinematic analyses were made and three-dimensional solid models were created. Giving movement ability to the extracted solid models was carried out with the simulation software prepared on the Matlab-SimMechanic platform. By comparing the findings obtained as a result of image processing and simulation, the success of transferring the movements to a developed system was evaluated. After mathematical equations were created in the MATLAB environment, the equations were tested on the developed system and their performance rates were determined. With the developed system, joint angles, ability to reach the correct position and movement ability were analysed and it was shown how the mathematical equations required to perform the movements could be derived. As a result, a design process model for movement analysis, simulation and control of different living groups is presented with the equations obtained by formulating the information obtained from the developed system.

Anahtar Kelimeler

Biomimetics, Denativ Hartenberg Method, Hippotherapy, Robot Kinematics

Hipoterapi İçin Kinematik Analize Dayali 3 Boyutlu Modelleme Ve Simulasyon

Öz

Canlıların fizyolojisine ve anatomisine olan mühendislik bakış açısı biyomekanik biliminin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Gelişen bilgisayar teknolojileri, canlıların davranışlarını daha detaylı incelemeye, hareketlerin kinetik ve kinematik analizlerini yaparak gerçek uzuvları taklit etmeyi sağlayan teknolojilerin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu çalışmasında atların doğal yürüyüşleri (Normal, Kenter ve Tırıs) görüntü işleme teknikleri ile analiz edilerek kinematik analizleri yapılmış ve üç boyutlu katı modelleri çıkartılmıştır. Çıkarılan katı modellere hareket yeteneğinin kazandırılması Matlab-SimMechanic platformunda hazırlanmış olan simülasyon yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Görüntü işleme ve simülasyon sonucunda elde edilen bulgular kıyaslanarak hareketlerin geliştirilen bir sisteme aktarma başarımı değerlendirilmiştir. Matlab ortamında matematiksel denklemler çıkarıldıktan sonra denklemler geliştirilen sistem üzerinde denenmiş ve başarım oranları tespit edilmiştir. Geliştirilen sistem ile eklem açıları, doğru konuma ulaşma becerileri ve hareket yapabilme yeteneğini analiz edilmiş olup hareketlerin gerçekleştirilmesi için gereken matematiksel denklemlerin nasıl çıkarılabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen sistemden edinen bilgiler formülize edilerek elde edilen denklemler ile farklı canlı gruplarının hareket analizi, simülasyonu ve kontrolü için bir tasarım süreci modeli sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

Biyomimetik, Denativ Hartenberg Yöntemi, Hipoterapi

Etik Beyan

Bu araştırma, planlamadan uygulamaya, veri toplama sürecinden veri analizine kadar tüm aşamalarda "Yükseköğretim Kurumları Bilimsel Araştırma ve Yayın Etiği Yönergesi" çerçevesinde belirlenen kurallara uygunluk göstermiştir. Yönergenin ikinci bölümü olan "Bilimsel Araştırma ve Yayın Etiğine Aykırı Eylemler" başlığı altındaki kurallarda herhangi bir ihlal gerçekleşmemiştir. Çalışmanın yazım sürecinde bilimsel etik ve alıntı kurallarına tam olarak uyulmuş, toplanan veriler üzerinde herhangi bir manipülasyon yapılmamış, ayrıca bu çalışma, başka herhangi bir akademik yayın ortamında değerlendirme için gönderilmemiştir

Kaynakça

• https://www.sci-sport.com/en/theory/chapter-1-history-and-rise-of-biomechanics.php.
• Ayers, J., Witting, J. (2007). Biomimetic approaches to the control of underwater walking machines. Philos Trans A Math Phys Eng Sci., 15; 365 (1850): 273-95. doi: 10.1098/rsta.2006.1910. PMID: 17148060.
• Koca, T. T., Ataseven, H., (2015). What is hippotherapy? The indications and effectiveness of hippotherapy. Northern clinics of Istanbul, 2(3), 247.
• Baniqued, P.D.E., Dungao, J.R., Manguerra, M.V., Manguerra, R.G., Abad, A.C., Bugtai, N.T. (2018). Biomimetics in the Design of a Robotic Exoskeleton for Upper Limb Therapy, AIP Conference Proceedings, 1993, 040006.
• Ziegler, J., Gattringer, H., Reiter, A., Hormandinger, P., Müller, A., Mitterhumer, M. (2018). Generation of realistic saddle trajectories from captured horseback motion, Multibody System Dynamics, 52, 117-133.
• Top, N., Başak, H., Şahin, İ. (2021). Biyomimetik Tabanlı Fonksiyonel Yürüteç Tasarımı ve Dijital İnsan Modelleme ile Ergonomik Analizi, El-Cezeri, 8, 618-634.
• Trusaji, W., Satriawan, A., Rahadini, S. S., Hasanuddin, M.O., Setianingsih, G., Pratomo, N, vd. (2022). Horse Riding Simulator Design to Replicate Human Walking Gait for Hippotherapy in Cerebral Palsy Rehabilitation, Machines, 10, 1060.
• Jones, J.L., Flynn, A.M., Seiger, B.A. (1993). Mobile Robots-Inspiration to Implementation, AK Peters Ltd. Wellesley, Massachusetts.
• Everett, H. R. (1995). Sensors for Mobile Robots, CRC Press, 542p, Ney work.
• Gürgüze, G., Türkoğlu, İ. (2019). Robot sistemlerinde kullanılan algoritmalar, Türk Doğa ve Fen Dergisi, 8, 17-31.
• Çengelci, B., Çimen, H. (2005). Endüstriyel robotlar, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2, 69-78.
• Kyriakopoulos, K.J., Loizou, S. G. (2006). Robotics: Fundamentals and Prospects, Çev.: Demircioğlu P, Böğrekci İ, 15s.
• Kuşcu H. (2007). DersNotları Temel Robotik, https://hilmi.kulubevet.com/ders_notlari/robotik/Temel%20Robotik2.pdf (Erişim Tarihi: 03.06.2023).
• Küçük, S., Bingül, Z. (2004). Robot sistemlerinde kinematik yöntemlerin karşılaştırılması, Politeknik Dergisi, 7, 107-117.
• Ünver, B. (2005). Artık robot kollarının ters kinematik problemlerinin çözümü ve gerçeklenmesi,İnstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İnstanbul.
• Armand, S., Bonnefoy, A., Sagawa, Y., Turcot, K. (2014). Analyse Du Mouvement Dans Un Contexte Clinique, Manuel pratique de chirurgie orthopédique, 3-33.
• Guzmán-Valdivia, C.H., Blanco-Ortega, A., Oliver-Salazar, M.Y., Carrera-Escobedo, J.L. (2013). Therapeutic motion analysis of lower limbs using Kinovea, Int J Soft Comput Eng, 3, 2231-307.
• Vural, A., Çiçekoğlu, B., Tuncer, S. (2020). Bilgisayarda_Kati_Modelleme. http://meslek.eba.gov.tr/upload/dk10/Bilgisayarda_Kati_Modelleme_10_29_30.pdf. (Erişim Tarihi: 03.06.2023).
• Maria, 2023. The 4 basic horse gait. https://www.horsesandus.com/the-4-basic-horse-gaits-explained/ (Erişim Tarihi: 03.06.2023).