Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı ve kontrolü

Yıl 2021, Cilt: 36 Sayı: 4, 1831 - 1846, 02.09.2021

Merve Teke Budaklı , Cüneyt Yılmaz

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.846641

Öz

Günümüzde robotların sanayi ve günlük yaşamda kullanım alanları artmakta ve bununla birlikte uygulamaların robotlar tarafından yerine getirilmesi için farklı robot tasarımları geliştirilmektedir. Paralel robotlar, kapalı zincir kinematik yapısından dolayı kısıtlanmış çalışma uzayına sahiptir. Bunun yanı sıra bu kinematik yapı robota yüksek konum hassasiyeti ve rijitlik kazandırmaktadır. Rehabilitasyon robotlarında; rijit yapı ve hassas pozisyonlama en önemli unsurlardır bu nedenle paralel robotlar rehabilitasyon uygulamalarına uygundur. Bununla birlikte, paralel robotların sınırlı çalışma uzayı eklem hareket açıklığında kısıt oluşturmaktadır. Bu çalışmada; Stewart Platform yapısına, 7’inci lineer aktüatör ve buna bağlı bir mekanizma ilave edilerek, çalışma uzayı genişletilerek daha fazla alt uzuv eklemine rehabilitasyon yapılmasını sağlayan yeni bir robot tasarlanmıştır. Mekanik tasarım, elektronik donanım, Newton-Raphson sayısal yöntemiyle ileri kinematik ve vektörel ters kinematik hesaplamalarıyla oluşturulan matematiksel alt yapısı ve PID pozisyon kontrolü birleştirilerek rehabilitasyon robotu tasarlanmıştır. İnsan bacağı üzerinde yapılan deneylerle robotun, ayak bileği ve diz eklem hareket açıklıklarını gerçekleştirebilme ve pozisyonlama sonuçları değerlendirilmiş ve literatürle karşılaştırılmıştır. Deneysel ölçümlere göre yörünge takibinde zaman gecikmesi 0,5 saniyenin altında ve azami açı sapması 1,2° elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Alt ekstremite rehabilitasyon robotu, Stewart Platform, paralel robot, Newton-Raphson yöntemi, konum kontrolü

Destekleyen Kurum

Türk - Alman Üniversitesi

Proje Numarası

2018BM0040

Teşekkür

Bu çalışma Türk - Alman Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu’nca kabul edilen 2018BM0040 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.

Kaynakça

• 1. Jezernik S., Schärer R., Colombo G., Morari M., Adaptive robotic rehabilitation of locomotion: A clinical study in spinally injured individuals, Spinal Cord, 41(12), 657–666, 2003.
• 2. Chen K., Wu Y. N., Ren Y., Liu L., Home-based versus laboratory-based robotic ankle training for children with cerebral palsy: A pilot randomized comparative trial, Archives of physical medicine and rehabilitation, 97(8), 1237-1243, 2016.
• 3. English B., Phases of rehabilitation, Foot and ankle clinics, 18(2), 357-367, 2013.
• 4. İnal S., Akdoğan E., Alt Ekstremite Rehabilitasyon Robotları, Türkiye Klinikleri Fizyoterapi ve Rehabilitasyon-Özel Konular, 1(1), 6-13, 2015.
• 5. Díaz I., Gil J. J., Sánchez E., Lower-Limb Robotic Rehabilitation: Literature Review and Challenges, J. Rob., 2011, 1–11, 2011.
• 6. Girone M., Burdea G., Bouzit M., Popescu V., Deutsch J. E., A Stewart platform-based system for ankle telerehabilitation, Autonomous robots, 10(2), 203-212, 2001.
• 7. Boian R. F., Bouzit M., Burdea G. C., Lewis J., Deutsch, J. E., Dual Stewart platform mobility simulator, In 9th International Conference on Rehabilitation Robotics, Chicago-USA, 550-555, 28 June-1 July, 2005.
• 8. Xie S. Q., Jamwal P. K., An iterative fuzzy controller for pneumatic muscle driven rehabilitation robot, Expert Syst. Appl., 38(7), 8128-8137, 2011.
• 9. Rastegarpanah A., Saadat M., Rakhodaei H., Analysis and simulation of various Stewart Platform configurations for lower limb rehabilitation, In BEAR conference, University of Birmingham, Birmingham-UK, January, 2012.
• 10. Rastegarpanah A., Saadat M., Borboni A., Stolkin R., Application of a parallel robot in lower limb rehabilitation: A brief capability study, International Conference on Robotics and Automation for Humanitarian Applications, Kerala-India, 1-6, 18-20 December, 2016.
• 11. Takemura H., Onodera T., Ming D., Mizoguchi H., Design and control of a wearable stewart platform-type ankle-foot assistive device, Int. J. Adv. Rob. Syst., 9(5), 202, 2012.
• 12. Lee Y., Chen K., Ren Y., Son J., Cohen B. A., Sliwa J. A., Zhang L. Q., Robot-guided ankle sensorimotor rehabilitation of patients with multiple sclerosis, Multiple Sclerosis and Related Disorders, 11, 65-70, 2017.
• 13. Liu G., Gao J., Yue H., Zhang X., Lu G., Design and kinematics analysis of parallel robots for ankle rehabilitation, In 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing-China, 253-258, 9-15 October, 2006.
• 14. Saglia J. A., Tsagarakis N. G., Dai J. S., Caldwell D. G., A high performance 2-dof over-actuated parallel mechanism for ankle rehabilitation, In 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe-Japan, 2180-2186, 12-17 May, 2009.
• 15. Tsoi Y. H., Xie S. Q., Impedance control of ankle rehabilitation robot, In 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics,Bangkok-Thailand, 840-845, 21-26 February, 2009.
• 16. Mohanta J. K., Mohan S., Deepasundar P., Kiruba-Shankar R., Development and control of a new sitting-type lower limb rehabilitation robot, Computers & Electrical Engineering, 67, 330-347, 2018.
• 17. Wang D., Li J., Li C., An adaptive haptic interaction architecture for knee rehabilitation robot, International conference on mechatronics and automation, Changchun-China, 84-89, 9-12 August, 2009.
• 18. Mohan S., Mohanta J. K., Kurtenbach S., Paris J., Corves B., Huesing M., Design, development and control of a 2PRP-2PPR planar parallel manipulator for lower limb rehabilitation therapies, Mech. Mach. Theory, 112, 272-294, 2017.
• 19. Alwan H. M., Sarhan R. A., Dynamic Analysis of Gough Stewart Robot Manipulator by Using Lagrange Formulation in Matlab Software, J. Univ. Babylon Eng. Sci., 26(10), 36-50, 2018.
• 20. Şumnu A., Güzelbey İ. H., Çakir M. V., Simulation and PID control of a Stewart platform with linear motor, J. Mech. Sci. Technol., 31(1), 345-356, 2017.
• 21. Sarhan R. A., Singularity Free Positioning of Gough Stewart Robot Platform, PhD-Thesis, University of Technology, Mechanical Engineering Department, Iraq, 2019.
• 22. Alwan H. M., Sarhan R. A., Kinematics Simulation of Gough-Stewart Parallel Manipulator by Using Simulink Package in Matlab Software, J. Univ. Babylon Eng. Sci., 27(2), 10-20, 2019.