Development of a Torque-Controllable Lower Extremity Exoskeleton for Crutch-Free 3D Walking Support

Abstract

Omurilik felci, omurilikteki duyudevinimsel ve otonom fonksiyonların tamamen veyahut kısmen kaybı sonucu oluşmaktadır. Omurilik felcinin bir türü olan paraplejide hastalar üst vücutları tamamen sağlıklı olmasına karşın, alt vücutlarında tamamen fonksiyon kaybı yaşamaktadırlar. Bahsi geçen hastalarda yürüme işlevini tekrar oluşturmanın en pratik çözümü dış iskelet sistemleridir. Bu sistemlerin en temel uygulamalarında hastalar ileri adım atmalarını sağlayan robotik bir sistem giymektedirler. Dış iskeletler genel olarak giyen kullanıcının mobilite ve dayanıklılık seviyesini arttıran cihazlardır. Bu tezin temel amacı ek bir destek olmaksızın parapleji ve benzer rahatszlklar alt vücutta hareket sorunu çeken bireylere koltuk deyneği olmadan 3B yürüme desteği verebilecek bir dış iskelet sisteminin geliştirilmesidir. Tez süresince 8 serbestlik dereceli bir alt vücut dış iskelet sistemi geliştirilmiş olup, yüksek bağlılıklı tork kontrolü için ozel geliştirilmiş Seri Elastik Eyleyiciler ile tahriklenmiş ve bu eyleyiciler entegre tasarım yaklaşımına göre analiz ve test edilmiştir.

Spinal cord paralysis is a condition, which is formed due to full or partial loss of sensorimotor and autonomous functionalities of the spinal cord. Paraplegia is a type of spinal cord injury which causes functionality loss in patients' lower bodies, even though their upper body is completely healthy. Active exoskeleton robots are the most practical approach to regenerate the walking function of paraplegic patients. In a fundamental way of this approach, patients wear a robotic system that can move their legs in the forward direction. Exoskeletons are wearable and powered robotic systems which enhance users mobility and endurance capabilities. The primary goal of this thesis study is to develop such an exoskeleton system which is capable of providing crutchless 3D walking support for those who suffer from paraplegia or similar pathological lower body conditions. During this thesis, an 8-DoF lower extremity exoskeleton is developed, and equipped with custom-made Series Elastic Actuator (SEA), for high fidelity torque control. Particularly developed SEA modules are designed to have high torque density, and this actuation unit is analyzed, tested according to an integrated design approach.