Pnömatik silindirli yarı etkin diz ekleminin sonlu durum denetimi ve diz eklemi protezi test platformu tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında ilk olarak diz eklemi tasarımı ve performans testleri için kullanılabilecek bir diz üstü protez test platformu sunulmaktadır. Bu test platformunun tasarlanma amacı, kullanılan basit denetim mekanizması ve elektromekanik donanım ile insan yürüyüşünün bacak üstü aktivitesinin periyodik yapısını üretebilmektir. Bu mekanizma ile özellikle diz eklemi üzerinden bacağını kaybetmiş kişiler için tasarlanan protezlerin tasarım sonuçları değerlendirilebilecektir. Tasarlanan sistemin ürettiği yürüyüş hareketinin normal yürüyüşe ne denli yaklaşabildiğini belirleyebilmek için doğal yürüyüşten ve test platformu tarafından üretilen yürüyüşten görüntü tabanlı ölçüm düzenekleri ve duyarga tabanlı ölçüm düzenekleri ile veriler toplanmış ve çeşitli çözümleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Kullanılan hareket ölçüm düzenekleri üzerinde bazı iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda dayanak veri olarak kullanılan görüntü tabanlı ölçüm düzeneği sonuçlarının güvenilirliğini ortaya koyabilmek için, düzlem tabanlı kalibrasyon teknikleri sisteme uygulanmış ve sonuçları sunulmuştur. İyileştirme çalışmaları tamamlanmış sistemlerin birbirlerine göre olan üstünlüklerini belirlemek için doğal yürüyüş üzerinden iki sistem ile veriler alınmış ve çözümleme sonuçları paylaşılmıştır. Tezin ikinci kısmında pnömatik silindirli yarı etkin diz protezinin denetimi, `Sonlu Durum Denetimi Yöntemi` ile gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda farklı denekler ile farklı hızlarda gerçekleştirilen protezli yürüyüşlerin morfolojik olarak normal yürüyüşe göre olan benzerlikleri incelenmiştir. Protezli yürüyüşlerin başarımlarını incelemek için bir çevrim içerisinde türetilen diz açısı verileri ortalama mutlak hata cinsinden ve yürüyüşün genelinden türetilen çevrim süreleri örnek sayısı cinsinden dikkate alınmış ve protezli yürüyüşler normal yürüyüşlerle karşılaştırılmıştır. Pnömatik silindirli protez ile gerçekleştirilen yürüyüşlerde iki evreli denetim, üç evreli denetim ve beş evreli denetim sonuçları yine aynı değerlendirme kıstasları ile ortaya koyulmuştur. Son bölümde pnömatik silindirli protez ile gerçekleştirilen yürüyüşler ve magnetoreolojik (MR) silindirli protezler ile gerçekleştirilen yürüyüşler üzerinde bazı çözümleme çalışmaları yapılmış ve protezlerin birbirlerine göre olan üstünlükleri paylaşılmıştır.

In this study, an above-knee prosthesis test platform has initially been presented for designing and testing knee prosthesis. The main reason to design this mechanism is to generate the periodic move of above knee activity by using basic control unit and electro mechanic hardware. This platform will help us to assess the design outcomes of the prosthesis for specifically above knee amputees. Above-knee prosthesis test platform performance tests were conducted with both an image based motion measurement system and a direct type motion measurement system. Analysis results were evaluated for assessing to what extent the natural periodic movement of the hip was approximated with designed electromechanical simulator. Various enhancement studies were applied to these motion measurement systems. Plain based camera calibration techniques were implemented to image based motion measurement system so as to obtaining analyses results reliably. In order to observe the comparison results between these systems, some performance tests were conducted on natural human gait with image based motion measurement system and direct measurement system. In the second part of the study, the `Finite State Control` was implemented for the semi active knee prosthesis with pneumatic cylinder. For this purpose, the similarities between walks with the prosthesis and the normal gaits were examined morphologically. In order to examine the performance of the prosthesis, the knee angle in degree and gait cycle duration have been considered as comparison criteria. The finite state control of the prosthesis with pneumatic cylinder was developed under the basis of number of phases on the gait provided by direct measurement system. Results were recorded and analyzed for the control schemes for two gait phases, three gait phases or five gait phases. In last part, performances of the prosthesis for controlled and uncontrolled scenarios were investigated while performances of prostheses with pneumatic and MR cylinder on the similar control paradigm were compared.