Modeling, implementation and control of a forearm-wrist rehabilitation device

Abstract

Tekrara dayalı ve fiziksel müdahale gerektiren rehabilitasyon egzersizlerinin robot sürüşlü sistemlerle desteklenmesi, tedavi uzmanlarının fiziksel yükünü ortadan kaldırıp üretkenliğini arttırmakla kalmayıp tek bir uzmanın birden fazla hasta ile eşzamanlı ilgilenebilmesini olanaklı kılarak tedavi maliyetine ve erişilebilirliğine olumlu katkılar sağlamaktadır. Ayrıca robot destekli sistemler sayesinde hastaların iyileşmesi nicel ölçütlerle takip edilebilmekte, uzaktan erişimli terapi ve grup tedavisi gibi yeni rehabilitasyon protokolleri hayata geçirilebilmektedir. Bu tez, terapik egzersizler uygulayabilen bir paralel mekanizma bazlı dış-iskeletinin tasarımı, gerçekleştirilmesi ve denetimini içermektedir. Dış- iskeletin kinematik ve dinamik modeli çıkarılmasını takiben cihazın çalışma alanı ve boyutları birden çok amaç fonksiyonu gözetilerek eniyileştirilmiştir. Cihazın inşasından sonra sistemin performansını ölçecek karakterizasyon deneyleri gerçek zamanlı olarak yapılmıştır. Bu deneylerin akabinde dış-iskelet rehabilitasyonda daha önce kullanılmamış bir yöntem olan `pasif hız alanı denetimi` ile denetlenmiştir. Bu denetim yöntemi sistemin dış tork girdilerine nazaran pasifliğini korurken yörünge hatası yerine `kontur hatası`nı enküçültmeye çalışmaktadır. Daha sonra dış- iskelet çok yanlı ortaklaşa denetim kavramının rehabilitasyona uygulanması için kullanılmıştır. Çok yanlı rehabilitasyon sistemi hastaların terapist ile işbirliği içinde çevrimiçi sanal gerçeklik ile etkileşime girmesini olağan kılmaktadır. Değişik denetim yetki tayini ile terapist hastayı yönlendirebilir, değerlendirebilir, veya hastayla denetimi paylaşabilir.

Using robotic devices in repetitive and physically involved rehabilitation exercises helps eliminate the physical burden of movement therapy for the therapists, and enables safe and versatile training with increased intensity. Robotic devices allow quantitative measurements of patient progress while enforcing, measuring, and evaluating patient movements. Furthermore, with the addition of virtual environments and haptic feedback, rehabilitation robots can be used to realize new treatment protocols. This thesis presents the design, implementation, and control of a parallel mechanism based exoskeleton that can be used to impose targeted therapeutic exercises to forearm and wrist. After the kinematic and dynamic model of the exoskeleton is formalized, the workspace and the dimensions of the device have been optimized considering multiple objective functions. Once the device has been implemented, experiments have been conducted in real-time to characterize its performance. The exoskeleton is subsequently controlled using a novel method to have been used in rehabilitation domain, the passive velocity field control. This control method minimizes the `contour error` rather than the trajectory error while keeping the system passive with respect to external torque inputs. Then, the forearm-wrist exoskeleton has been adapted as a part of a rehabilitation system that implements the multi-lateral shared control concept for rehabilitation. The multi-lateral rehabilitation system allows for patients to train with on-line virtual dynamic tasks, in collaboration with a therapist. Different control authority can be assigned to each agent such that therapists can guide or evaluate movements of patients, or share the control with them.