Engelliler için dış iskelet tipi robot kol tasarımı, analizi ve kontrolü

Abstract

Bu çalışmada, inme gibi hastalıklar nedeniyle uzuv fonksiyon kaybı yaşayan engelli hastalar için 3 serbestlik derecesine sahip üst uzuv rehabilitasyon robot kol tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan rehabilitasyon robot kolunun kinematik ve dinamik analizi incelenmiş ve robot kolun pozisyon, hız ve ivme kontrolü için kapalı çevrim kontrol yöntemi uygulanmıştır. Çalışmada insan üst uzuv kemik yapısı, hareket yapısı ve antropometrisi gibi tasarım kriterleri göz önünde bulundurularak 3 serbestlik derecesine sahip 3 farklı rehabilitasyon robot kol tasarımı yapılmış ve kriterlere en uygun tasarım seçilmiştir. Tasarlanan robot kolun verilen referans açı değerleri ile robot kol uç pozisyonunun belirlenmesi için Denavit Hartenberg yöntemiyle kinematik analizi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda verilen referans açılarla Lagrange yöntemi kullanılarak robot kolun verilen açı değerlerini belirli bir yörünge izleyerek ulaşırken her bir eklemde meydana gelen tork değerleri elde edilerek dinamik analizi yapılmıştır. Tasarlanan rehabilitasyon robot kola ait yapılan bu kinematik ve dinamik analizlerin sonuçları MATLAB/Simulink ve MATLAB/Simscape ortamında modellenerek grafiksel olarak sunulmuş ve iki farklı uygulamadan elde edilen bu sonuçlar birbiriyle karşılaştırılarak doğruluğu gösterilmiştir. Elde edilen tork değerleri ile her bir eklem için uygun doğru akım motor parametlerinin seçimi yapılmıştır. Doğru akım motorunun seçilen parametrelerle birlikte transfer fonksiyonu oluşturulmuştur. Tasarlanan robot kolun yörünge takibi sırasında pozisyon, hız ve ivme kontrolü için PID kontrol uygulanmıştır. Uygulanan PID kontrol yönteminde kontrol parametreleri deneme yanılma ve Parçacık Sürü Optimizasyonu ile elde edilmiştir. İki farklı yöntem ile elde edilen parametreler doğrultusunda pozisyon, hız ve ivme kontrolü Parçacık Sürü Optimizasyon yöntemi ile daha doğru bir şekilde sonuçlanmıştır.

In this study, an upper limb rehabilitation robot arm with 3 degrees of freedom was designed for disabled patients who have loss of limb function due to diseases such as stroke. The kinematic and dynamic analysis of the designed rehabilitation robot arm was examined and closed loop control method was applied for the position, speed and acceleration control of the robot arm. In the study, 3 different rehabilitation robot arm designs with 3 degrees of freedom were made, considering the design criteria such as human upper limb bone structure, movement structure and anthropometry, and the most suitable robot arm design was selected. The kinematic analysis of the designed robot arm was carried out with the Denavit-Hartenberg method to determine the robot arm end position with the given reference angle values. At the same time, using the Lagrangian method with the reference angles given, while the robot arm reaches the given angle values by following a certain trajectory, the dynamic analysis is performed by obtaining the torque values occurring in each joint. The results of these kinematic and dynamic analyzes of the designed rehabilitation robot arm were modeled in MATLAB/Simulink and MATLAB/Simscape environments and presented graphically, and these results obtained from two different applications were compared with each other and their accuracy was demonstrated. With the obtained torque values, suitable direct current motor parameters were selected for each joint. The transfer function of the direct current motor was created with the selected parameters. PID control is applied for position, speed and acceleration control of the designed robot arm during trajectory tracking. In the applied PID control method, the control parameters were obtained by trial-error method and Particle Swarm Optimization. Position, velocity and acceleration control in line with the parameters obtained with 2 different methods resulted in a more accurate result with the Particle Swarm Optimization method.