El Rehabilitasyonu Amaçlı Dış İskelet Sisteminin Tasarımı ve Ön Üretimi

Abstract

Yaşanan el fonksiyon kayıpları kişilerin günlük hayatta gerçekleştirdikleri aktiviteleri olumsuz şekilde etkilemektedir. Rehabilitasyon, hastanın kısmen veya tamamen kaybına uğradığı motor fonksiyonlarının tedavi amacına yönelik bir terapidir. Bu fonksiyon kaybından dolayı oluşan kas kontrol etme yitimi rehabilitasyon cihazları veya fizik tedavi uzmanları tarafından iyileştirilebilmektedir. Rehabilitasyon amaçlı kullanılan dış iskelet sistemleri ile ilgili çalışmalar son yıllarda hızla gelişen alanlar arasında yer almaktadır.Bu tez çalışmasında, el rehabilitasyonu amaçlı bir dış iskelet sisteminin tasarımı ve ön üretimi yapılmıştır. Tüm donanımının el ve ön kola konumlandırılacak şekilde tasarlanması ile cihaz taşınabilir hale getirilmiştir. Kolay taşınabilirliğin temini için elemanların mümkün olduğunca hafif olması hedeflenmiştir. Parmaklara kuvvet iletimi için bir mekanizma tasarlanmış ve bu mekanizmanın kinematik ve kinetik analizleri yapılmıştır. Sistem ergonomik bir kullanım için 3 boyutlu ortamda modellenmiş ve 3 boyutlu yazıcı ile üretilebilmiştir. Çalışmada kullanılan dış iskeletin mekanizması eksik tahrik prensibine sahiptir. Bu prensibe göre dış iskelet kavranan cisme göre adapte olabilmekte ve günlük yaşantıda sıklıkla kullanılan el hareketlerini yapmayı mümkün kılabilmektedir. Mekanizmanın kinematik yapısı her bir parmak için 2 pasif ve 1 aktif olmak üzere toplam 3 serbestlik derecesine sahiptir. Aktif serbestlik derecesi servo motorlar tarafından sürülmekte ve parmağın yeterli fonksiyonel hareket alanını sağlamaktadır. Sistem ön kolda bulunan ve el hareketinden sorumlu olan kasların fleksiyon olması durumunda oluşturdukları kollektif elektrik sinyali ile aktive olmaktadır. Bu sinyal, ilgili kas grupları üzerine yerleştirilen yüzey elektromiyografi(sEMG) sensörleri tarafından ölçülmekte ve mikroişlemcide bulunan gömülü yazılım vasıtası ile servo motorlar tarafından dış iskelet sistemini sürerek el hareketini desteklemektedir.

Loss of the hand's motor abilities results in severe discomfort in the daily life activities that are performed. Rehabilitation is a therapy that has the aim to treat totally or partially the motor function of a patient. This loss of the function can be recovered by muscular functional rehabilitation devices or physical therapy specialists. Research on exoskeletal systems used for rehabilitation has attracted considerable attention in recent years. Within the scope of this study, design and prototyping of exoskeletal system for hand rehabilitation is proposed.Exoskeleton hardware is designed to be positioned on the hand and forearm so that the device is in portable form. It is targeted that the parts should be as light as possible for the purpose of easy mobility. Power transmission of the exoskeleton to the fingertips is a linkage structure which kinematic and kinetic analysis are performed For ergonomic use, the device was modeled in a 3D CAD software and prototype was produced with using a 3D printer. In this study, the exoskeleton mechanisim is designed according to the underactuation principle. This principle makes it adapt itself to whatever grasping object which can do frequent hand movements in daily life. Mechanisim has 3 degree of freedom for each finger that 2 DOFs are passive, and one DOF is active. Active DOF is driven by a servo motor which provides sufficient functional range of motion of the finger. The system is activated by the collective electrical signal generated by the muscles in the forearm, which are responsible for hand flexion motion. These signals are measured by surface electromyography sensors placed on the relevant muscle groups. Acccording to the these signals, embedded software in the microcontroller supports the hand motion by driving the exoskeleton system by servo motors.