TR201807071T4 - Diş i̇skelet. - Google Patents

Abstract

İnsanlara yönelik bir dış iskelet, bir uç-uyarıcı destek vasıtasıyla bir insanın eklemi ile doğrudan veya dolaylı olarak etkileşime giren bir eklem elemanını içerir burada uç-uyarıcı destek, eklem elemanının bir gövdesi ile ilgili olarak uç-uyarıcı desteğin üst üste koyulmuş çevirisel ve dönüşsel hareketlerine olanak sağlayarak, bir düzlemde rastgele bir düzlemsel paralel hareketi gerçekleştirmek üzere düzenlenir. Dış iskelet, aynı anda çevirisel ve dönüşsel hareketlerin etkilenmesine yönelik eklem eksenlerinin, diğer bir deyişle dış iskeletin ve insanın ekleminin kusursuz ayarına olanak sağlar. Özel olarak, dış iskelet, dış iskeletin gövdeye bağlanmasındaki farklılıklardan ve hastaların anatomik farklılıklarından bağımsız olarak bir insanın ekleminin hareketlerine kendiliğinden hizalanmaktadır.

Description

Tarifname DIS ISKELET 1. Bulusun sahasi Güçlendirilmis dis iskeletler örnegin nörolojik yaralanmalara sahip hastalarin robot destekli rehabilitasyonlarina yönelik kullanilir. Bu tür dis iskeletlere yönelik, insanlarin devinim kabiliyetlerine karsilik gelen devinim kabiliyetlerinin sahip oldugu eklemler gereklidir. 2. Önceki teknik Nörolojik yaralanmalar ciddi, uzun süreli sakatligin önde gelen nedenidir. Her yil yaklasik milyon insan bir felçten sorun yasar. ABD Ulusal Felçliler Dernegine göre, tedavinin ilk 3 ayinda hasta basina tahmin edilen maliyet yaklasik 15 bin dolardir. Ilaveten, durumlarin Japonya'da, nüfusun yaslanmasi ile daha ciddi bir hal alir.

Fiziksel rehabilitasyon tedavisi nörolojik sakatliklarin tedavi edilmesine yönelik zorunludur. Terapiler, egzersizlerin tekrarlayan, yogun, uzun süreli ve eyleme özgü olmasi durumunda daha etkilidir. Bununla birlikte, yüksek yogunluk ile tekrarlayan terapiler fiziksel yük ve bedensel is gücünün dahil olmasindan dolayi maliyetlidir.

Son yillarda, rehabilitasyona yönelik elektro-mekanik sistemlerin kullanimi, insan makine etkilesimi arastirmasi üzerine son ilerlemeler sayesinde yaygin hale gelmistir. Tekrarli ve fiziksel destegin dahil oldugu robotik cihazlari kullanan rehabilitasyon egzersizleri sadece terapistlere yönelik hareket terapisinin fiziksel yükünü elimine etmeye yardim etmez, ancak ayni zamanda uygulama ile ilgili maliyetleri azaltir. Buna ek olarak, robot-ortamli rehabilitasyon terapisi hastanin ilerlemesinin miktar bakimindan ölçümlerine olanak saglar ve kisisellestirilmis, interaktif tedavi protokollerin gerçeklestirilmesine yönelik kullanilabilir. Rehabilitasyon robotlari, güvenilirlik, dogruluk ve klasik fiziksel rehabilitasyon terapilerin etkinligini arttirir, sadece ihtiyaç oldugunda hastalarin desteklenmesi ile hastalarin aktif katilimini mümkün kilar, terapilerin süresinin ve yogunlugunun kolay sekilde ayarlanmasini uygulanabilir hale getirir, bozuklugun her seviyesine sahip hastalara uygulanabilir, görsel gerçeklik entegrasyonu sayesinde hastalari yogun terapi seanslarina katlanmasina yönelik motive eder ve görsel ortamlar ve dokunsal geri besleme ile yeni tedavi protokollerinin gerçeklestirebilir. Literatürde, robot destekli rehabilitasyonun klasik fiziksel terapiye göre yararli etkileri klinik deneyler vasitasiyla gösterilmistir. Üst-uzuv rehabilitasyon Cihazlari üç ana kategoride kategorize edilebilir: uç-uyarici türü robotlar, kablo süspansiyon sistemleri ve dis iskeletlerdir. Uç-elemani türü rehabilitasyon robotlari, hasta ile tek bir etkilesim noktasini (uç-uyarici] içerir ve bu cihazlarin eklem devinimleri insanlarin devinimlerine karsilik gelmez. Bu nedenle, hastayi kisitlamak üzere uygulanan harici kisitlamalar olmadan, ekleme spesifik terapiler bu tür mekanizmalar ile saglanamaz. Buna ek olarak, hastanin telafi edici hareketleri, bu cihazlar kullanildiginda saptanamaz. Diger taraftan, uç-uyarici etkili robotlar bunlarin basit kinematik yapisi ve düsük maliyeti sayesinde avantajlidir.

Uç-elemani türü rehabilitasyon robotunun iyi bilinen bir örnegi MlT-Manus'tur. MIT- Manus, hasta hareketlerine destek olmak veya karsi koymak üzere torklari saglamak amaciyla iki oturtulmus dogrudan-tahrikli motoru isleyen empedans türü bir robottur. Bu tür Cihazlarin diger örnegi, insan bilegine baglanmak üzere bir dengeleme halkasi mekanizmasi ile birlikte bir admitans-türü robotunu (HapticMaster) kullanan Gentle/saniyedir. Reha-Slide dirençli hareket terapilerini uygulamak üzere tasarlanan bir diger sabit tabanli cihazdir. Reha-Slide bir masa üzerine yatay olarak yerlestirilen iki tutaca sahiptir ve ileri ve geri kol hareketlerini mümkün kilar. Uç-elemani türü robotlar ayni zamanda bimanuel egzersizlerin empoze edilmesine yönelik kullanilmistir. Özellikle, ayna görüntüsü terapilerini saglamak üzere 6 serbestlik dereceli [DOF] PUMA robot kontrollü bir admitansa dayanan MIME sistemi kullanilmistir.

Kablo sü5pansiyon cihazlari yer çekimi kuvvetlerine yönelik vücudun üst-uzvunun dengelenmesi ile harekete geçmesine yardimci olur. Bu cihazlar basit kinematik yapi ile pasif sistemlerdir; bu nedenle, kablo süspansiyon Cihazlari düsük maliyetlidir. Bununla birlikte, bu cihazlar terapötik eylemlerin tamamlanmasi esnasinda hastalara destek olamaz veya karsi koyamaz ve bunlar ölçüm kabiliyetlerinden eksiktir.

Uç-elemani türü robotlarin aksine, dis iskeletler çok sayida etkilesim noktalarinda insan uzvuna baglanir ve bu cihazlarin hareketi insan eklemlerine karsilik gelir. Bunun bir sonucu olarak, dis iskeletler bireysel olarak hedeflenen eklemlere kontrollü torklari uygulayabilir ve diger eklemlerin hareketlerinden ayrilan bu spesifik eklemlerin hareketlerini ölçebilir. Dis iskeletler, uç-uyarici türü robotlara kiyas ile daha kompleks kinematik yapiya sahiptir ve dolayisiyla daha maliyetlidir. Dis iskeletler ayrica üç kategoride gruplandirilabilir.

Ortozlar dis iskeletlerin birinci grubunu olusturur. Ortozlar insanlari günlük eylemlerini gerçeklestirirken fiziksel olarak desteklemeyi amaçlar. HAL-5 tüm-vücut dis iskeleti, bu tür ortozlarin bir örnegidir ["Robot suit HAL", http://ww.cyberdyne.jp/english/ robotsuithal/index.html]. Bu tür ortozlarin bir diger örnegi, bir dirsek ortozu olan Myomo robotudur ["Myomo," http: / /www.my0m0.com/ myom0_pr0duct_stroke_rehabilitation spesifik olarak, yürüyüs hareketleri sirasinda kullanicilari desteklemek üzere üst uzvuna yönelik insa edilir.

Ikinci grup, büyütme dis iskeletlerden olusur. Bu robotlar saglikli kullanicilara yönelik tasarlanir ve yüksek kas gücü gerektiren agir is eylemlerini meydana getirmek üzere yardimci olmayi amaçlar. Bu grubun ilk temsilcilerinden biri, 5 DoF ile bir üst ekstremite dis iskelet olan Exos ArmMaster'dir (V. Bin Massie, Thomas AN. H.; Vayner", Sensory iskeletlerin bir diger örnegi BLEEX'tir (A. 2055, H. Kazerooni, and A. Chu, "Biomechanical design of the berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX]," Mechatronics, IEEE/ASME uzun süre zorlu arazilerde çalisan insanlarin kas gücünü arttirmak üzere gelistirilen bir alt-ekstremite dis iskelettir. Insan büyümesine yönelik tasarlanan bir diger dis iskelet, XOS 2 robotudur ["XOS 2 Exoskeleton", http://www.raytheon.c0m/newsroom/technology /rtn08_exoske1eton/). BLEEX'e benzer olarak, XOS 2 ayni zamanda fiziksel olarak zorlu islere yönelik tasarlanir; ancak XOS 2 üst gövdeye yöneliktir.

Son olarak, dis iskeletlerin üçüncü grubu spesifik olarak rehabilitasyona yönelik tasarlanir.

Diger iki grubun aksine, rehabilitasyon robotlari klinik kullanima yönelik tasarlanir. Sonuç olarak, bu gruptaki robotlarin çogu sabit bir tabana oturtulur ve hareketsizdir.

Dis iskeletler rehabilitasyona yönelik tasarlanirken insan eklem eksenlerinin, robot eksenlerine karsilik gelmesi zorunlu bir kriterdir. Rehabilitasyon dis iskeletlerin olasi bir yanlis hizalanmasi, rahatsizlik veya agriya neden olabilir, eklemin çikmasina dahi yol açabilir. Robot eklem eksenlerinin insan eksenlerine uymak üzere ayarlanmasi, degerli terapi süresinin 10-15 dakikasina kadar sürebilen ugrastirici bir prosestir. Eklemlerin yanlis hizalanmasina neden olan 3 esas neden mevcuttur. Ilk olarak, insan eklemleri basit döner eklemler gibi modellenemez. Örnegin, omuz eklemi üç çevirisel DoF'lere ilave olarak ekstra iki çevirisel DoF hareketlerine sahiptir (Sekil 1'e bakiniz). Iki çevirisel DoF'lerin ayrilan hareketlerine ilave olarak, omzun dikey çevrimi eklemin cephe dönüsü ile siki sekilde baglanir. Bu baglanma bir skapulohümeral ritim olarak bilinir [Sekil Z'ye bakiniz).

Ikinci olarak, insan eklemlerin kesin pozisyonu özel görüntüleme teknikleri olmadan disaridan belirlenemez. Çiplak göz ile kemik lokasyonlarinin gözlemlenmesi sadece eklemin olasi hizalanmasi hakkinda temel bir fikir verebilir. Eklemlerin kesin devinimi, bu devinimin omuz kemiklerinin boyutuna ve yönüne, eklemli yüzeylerin sekline ve ligamentler, kapsüller ve tendonlar tarafindan uygulanan kisitlamalara bagli olmasindan dolayi insanlar arasinda genis degiskenlik gösterir. Son olarak, insan uzvunun dis iskelet üzerine yerlestirilmesi bir terapi seansindan digerine degiskenlik gösterebilir ve bu degisiklikler bilinse dahi, eklemin yeniden hizalanmasinin tamamlanmasi gerekir.

Rehabilitasyon dis iskeletlerinin iyi bilinen bir örnegi ARMin robotudur (T. Nef, M. Mihelj, G. Kiefer, C. Perndl, R. Muller, and R. Riener, "ARMin - Exoskeleton for arm therapy in Conference on, 2007, pp. 68 -74]. Bu robotun birinci versiyonu, ARMin 1, bir uç-uyarici türü omuz mekanizmasina bagli bir dirsek dis iskeleti ve ön kol robotundan olusur. ARMin l'in omuz mekanizmasi bir 3 DoF küresel eklem olarak modellenir. Insan omzunun 5 DoF'ye sahip olmasindan dolayi, ARMin I'in hastalara ergonomik hareketleri empoze etmesi mümkün degildir. Robotun sonraki versiyonu, ARMin Il (M. Mihelj, T. Nef, and R.

Riener, "ARMin II - 7 DoF rehabilitation robot: mechanics and kinematics," in Robotics and eklemine ekstra bir dikey Çevirisel DoF'yi dahil ederek ergonomik problemleri siddetle düsürmüstür. Diger taraftan ilave DoF robotun kinematik karmasikligini arttirir. Final versiyon, ARMin [Il'te [T, Nef, M. Guidali, and R. Riener, "ARMin Ill - Arm therapy exoskeleton with an ergonomic shoulder actuation," Applied Bionics and Biomechanics, ile basitlestirilir ve ergonomik hareket dairesel omuz eklem hareketi ile saglanir. ARMin azaltilir, bunun sonucunda robotun ergonomisi bununla birlikte bozulur. Bunun bir sonucu olarak ARMin III tamami ile insan eklemlerine karsilik gelemez.

Ergonomik omuz eklemi MGA dis iskelet robotuna yönelik baslica tasari kriterinden biridir (C. Carignan, M. Liszka, and S. Roderick, "Design of an arm exoskeleton with scapula motion for shoulder rehabilitation," in Advanced Robotics, 2005. lCAR'05. Proceedings., dis iskeleti ayni zamanda omuz hareketlerini ergonomiyi sürdürmek üzere dairesel bir yol üzerinde modeller. Özellikle, MGA dis iskeleti, küresel bir eklem olusturan 3 aktüatör ile seri halde ekstra bir etkin hale getirilmis devir ekleminin kullanilmasi ile skapula rotasyonuna yönelik aktif ayarlanmaya olanak saglar. Dolayisiyla, MGA dis iskeleti insan omzunun tüm 5 DoF hareketini hesaba katamaz ve baglanti uzunluklarinin ayarlanmasi, ortaya çikan omuz hareketinin gerçek olana yakin sekilde yaklasacagi sekilde her bir hastaya yönelik gereklidir.

W. Chen, C. Xiong, R. Sun, and X. Huang, "On the design of exoskeleton rehabilitation robot with ergonomic shoulder actuation mechanism," in Proceedings of the 2nd International Conference on Intelligent Robotics and Applications, ser. ICIRA'09. Springer-Verlag, 2009, pp. 1097-1110 belgesi ayrilan omuz hareketleri ile bir üst-ekstremite dis iskelet robotunun gelisimini açiklar. Robotun omzu 6 DoF kinematik yapi ile tasarlanir ve ekstra DoF'nin yardimi Ile farkli hastalara yönelik omuz ergonomisi sürdürülür. Diger taraftan, ekstra DoF robota kinematik karmasiklik sunar ve ayak izini ve omuz mekanizmasinin agirligini arttirir. Dampace dis iskeleti, glenohümeral mobilizasyonu hesaba katmak üzere pasif hizalama mekanizmalarini kullanan tamami ile pasif fren bazli bir rehabilitasyon robotudur (A. Stienen, E. Hekman, F. Van der Helm, G. Prange, M. Iannink, A. Aalsma, and H. Van der Kooij, "DAMPACEz Dynamic force-coordination trainer for the upper üzerinde oldugu 4 DoF kontrollü DoF'ye sahiptir. Bununla birlikte, ayni zamanda skapulohümeral ritmi hesaba katabilen omuz üzerinde bir 2 DoF kendiliginden hizalama mekanizmasi vardir. Ilaveten, Dampace robot agirliginin sadece düsük bir kisminin kullanici tarafindan iletilmesine olanak saglayan pasif bir yer çekimi dengeleme mekanizmasina sahiptir.

Limpact (A. Stienen, E. Hekman, H. ter Braak, A. Aalsma, F. van der Helm, and H. van der Kooij, "Design of a rotational hydroelastic actuator for a powered exoskeleton for upper limb rehabilitation," Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, vol. 57, no. 3, pp. 728 - 735, 2010] Dampace'in mekanik tasarimina dayanan aktif bir dis iskelettir. Bu dis iskelet ayni zamanda omuz eklemine yönelik pasif hizalamayi içerir ve hidrolik olarak etkin hale getirilir. Pasif hizalama mekanizmalari glenohümeral mobilizasyon egzersizleri sirasinda hastalara destek olamaz veya karsi koyamaz. Buna ek olarak, bu tür mekanizmalar büyük kuvvetleri tasiyamaz.

Eklem uyusmasina ek olarak, dis iskeletin agirliginin minimum hale getirilmesi aktif bir arastirma konusu olmustur. L-exos robot, robotun monitörünü dis iskeletin dis kismina yerlestirmek üzere bir kablo tahrikli aktivasyon sistemini kullanir ve agirligi düsürür (A.

Frisoli, M. Bergamasco, M. Carboncini, and B. Rossi, "Robotic assisted rehabilitation in L-exos'a benzer olarak, CADEN-7 bir diger kablo tahrikli dis iskelettir U. Perry, I. Rosen, and S. Burns, "Upper-limb powered exoskeleton design", Mechatronics, IEEE/ASME sürülebilirlik ile ilgili olarak, CADEN-7 bilek mekanizmasinda ilave bir eklem ile L-exos'tan farklidir, uygun bir sekilde daha genis kapsamli egzersizlere olanak saglar. Üst-uzuv rehabilitasyon robotlarinin bir diger örnegi T-WREX'tir (R. Sanchez, I. Liu, S. Rao, P. Shah, R. Smith, T. Rahman, S. Cramer, I. Bobrow, and D. Reinkensmeyer", Automating arm movement training following severe Stroke: Functional exercises with quantitative feedback in a gravity-reduced environment", Neural Systems and Rehabilitation eklemini etkin hale getirmek üzere 2 motora sahiptir ve bir üçüncü motor dairesel bir yörüngede tüm omuz mekanizmasini hareket ettirmek üzere seri bir sekilde baglidir.

Sonuç olarak, robotun omuz eklemi ikisinin bagli oldugu 4 DoF'den olusur; bu nedenle robot bütün hastalara yönelik olarak insan omzuna tamami ile karsilik gelemez. sensorimotorundaki bir bozuklugun degerlendirilmesi, incelenmesi, teshis edilmesi ve/veya bir sakatligin tedavi edilmesine yönelik bir dis iskelet ile ilgilidir. Açiklanan bir robotik dis iskelet bir öznenin bir uzvunun seçilen bir eklemine baglanan mekanik baglantiyi içerir.

SAM dis iskeleti hafif agirlikta olmaya ilave olarak hareketliligi yönetir (P. Letier, M.

Avraam, S. Veillerette, M. Horodinca, M. De Bartolomei, A. Schiele, and A. Preumont", SAM: A 7-DOF portable arm exoskeleton with local joint control", in lntelligent Robots and Systems, .

Robot, 3 DoF'nin omuz eklem hareketlerine yönelik tahsis edildigi, 7 DoF mekanizmasidir.

Sonuç olarak, SAM'in hareketliligi saglamasina ragmen, bu ergonomik terapiye yönelik eklem uyusmasini koruyamaz. Rehabilitasyon dis iskelet tasarimina yönelik bir diger degerlendirme, yüksek sertligin saglanmasidir. 4 DoF'ye sahip olan ABLE dis iskeleti, robotun el modülünde hareket eden yüksek kuvvetleri tasimak üzere tasarlanir (P. Garrec, I. Friconneau, Y. Measson, and Y. Perrot, 1488]. Robotun tüm kolunun 4 DoF olarak modellenmesinden dolayi, robot tamami ile eklem hizalanmasini sürdüremez.

Omuz eklemi durumunda oldugu gibi, biyomedikal çalismalar diz ekleminin dönüs ekseninin ayni zamanda diz fleksiyonu ve ekstansiyonu sirasinda büyük ölçüde çevrildigini belirtir. Anterior-posterior çevrimler olarak adlandirilan eklem ekseninin çevrimi, Sekil 4'te gösterilir. Dizin kinematik modelleri, anterior-posterior çevrimlerin büyüklügünün saglikli bir insana yönelik 19 mm'ye ulasabilecegini önerir (Y. Li, J. Huegel, V. Patoglu, and M. O'Malley, "Progressive shared control for training in Virtual environments", in EuroHaptics conference, 2009 and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems. World Haptics 2009, Third Joint, 2009, pp. 332 - 337). Çevrimin miktari fleksiyon ve ekstansiyon açisi ile degisir ve bunun kuvvetle kemiklerin boyutuna ve yönüne ve eklemli yüzeylerin sekline bagli olmasindan dolayi her bireye yönelik özgündür. Buna ek olarak, pratikte robot ekseni ile insan ekleminin hizalanmasi, insanin tam eklem merkezinin Vücudun dis kismindan belirlenememesinden dolayi kesin sekilde ele alinamaz. Çok sayida son çalismalarin omuz ekleminin kompleks hareketine yogunlasmis olmasina ragmen, anterior-posterior çevrimlere yer saglayabilecek diz eklemine yönelik sifir alt- uzuv dis iskeletler veya ekleme spesifik rehabilitasyon cihazlari mevcuttur. En bilinen alt- uzuv rehabilitasyon robotu olan Lokomat (R. Riener, L. Lünenburger, and G. Colombo, Journal of Rehabilitation Research and Development, 2006; and G. Colombo, M. Joerg, R.

Schreier, and V. Dietz, "Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis," bunun diz ekleminde bir DC motor tahrikli basit döner eklemi kullanir. Iyi bilinen bir diger yürüyüs rehabilitasyon robotu olan LOPES yürüyüs egitmeni (J. F. Veneman, "Design and evaluation of the gait rehabilitation robot lopes", Ph.D. dissertation, Enschede, December üzere antagonistik aktivasyon ile seri elastikligi kullanir ancak saf bir dönme devinimi olarak insan dizinin kinematiklerini modeller. Bir ekleme spesifik, diz egzersizlerine yönelik tasinabilir mekanizmalar olan ERF dizi (C. Mavroidis, et al., "Smart portable rehabilitation devices", Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, vol. 2, no. 1, p. 18, 2005, available under: http://www.jneuroengrehab.com/content/Z/1/18) ayni zamanda dize yönelik basit bir mafsal modelini kullanan bir elektro-reolojik akiskan tabanli döner aktüatörün kullanilmasi ile yapilir. Aktif rehabilitasyon robotlarin aksine, dizin kompleks hareketi genis çapta bilinir ve bu tür hareket çogu prostetik ve ortotik cihazlarin tasarimina entegre edilir. Örnegin, ampüte kisilere yönelik tasarlanan bir diz protezi olan Jaipur dizi ("Jaipur knee," http://remotiondesigns.org/jaipurkneehtml] hareket esnasinda bunun dönüs merkezini degistirerek insan dizinin hareketlerini taklit eder. Benzer sekilde, kendiliginden ayarlanan ortozlar, diz ekleminin rehabilitasyonuna yönelik önerilmistir (V.

Cai, P. Bidaud, V. Hayward, and F. Gosselin, "Design of self-adjusting orthoses for rehabilitation", in Proceedings of the 14th LASTED International Conference on Robotics hastalara rehabilitasyon egzersizlerini yardim etmek üzere müdahale edemedigi belirtilmelidir. 3. Bulusun kisa açiklamasi Yukarida bahsedilen problem istem 1'e göre bir dis iskelet ile çözülür. Özellikle bu, bir uç-uyarici destek vasitasiyla bir insanin eklemi ile dogrudan veya dolayli olarak etkilesime giren bir eklem elemanin] içeren insanlara yönelik bir dis iskelet ile çözülür, burada uç-uyarici destek, eklem elemaninin bir gövdesi ile ilgili olarak uç-uyarici destegin üst üste koyulmus çevirisel ve dönüssel hareketlerine olanak saglayarak, bir düzlemde rastgele bir düzlemsel paralel hareketi gerçeklestirmek üzere düzenlenir. Bir dis iskeletin bu tür bir kurulumu, ayni anda çevirisel ve dönüssel hareketlerin saglanmasi ile eklem eksenlerinin, diger bir deyisle dis iskeletin ve insanin ekleminin kusursuz bir ayarina olanak saglar. Özel olarak, dis iskelet, dis iskeletin gövdeye baglanmasindaki farkliliklardan ve hastalarin anatomik farkliliklarindan bagimsiz olarak bir insanin ekleminin hareketlerine kendiliginden hizalanmalidir.

Tercih edildigi üzere eklem elemani, bir paralel mekanizmasi, tercihen bir 3-RPR, 3-RRR, 3-PRR, 3-RRP veya 3PRP mekanizmasini içerir. Bu tür paralel mekanizma, uç-uyarici desteginin istenilen hareketine olanak saglayarak bir düzlemde rastgele hareketi ve dönüsü mümkün kilar.

Tercih edildigi üzere uç-uyarici destegi en az üç çevirisel ekseni içerir, burada eksenler uç- uyarici destegine siki bir sekilde baglidir, burada eksenler uç uyaricinin rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine paralel olarak düzenlenir ve burada eksenler birbirine bir Tercih edilen bir düzenlemede, uç uyaricisi üç çevirisel ekseni içerir ve iki eksen arasindaki açi 100° - 140°, tercih edildigi üzere 120°Jdir. Üç eksenin kullanimi, ayni anda sürtünmeyi minimum hale getirerek uç-uyarici desteginin geometrik olarak tanimlanan bir hareketini saglar. Eksenler arasindaki açi araligi, hareketin bu tanimini ve gelistirilmis sürtünmeyi ayrica destekler.

Tercih edildigi üzere dis iskeletin eklem elemani, bununla etkilesime giren insanin eklemine göre kendiliginden hizalanmalidir. Bu, fazin kurulumunun mevcut rehabilitasyon cihazlari ile çalistiginda gerekli olan ile kiyaslandiginda büyük ölçüde kisaltilabilmesinden dolayi mevcut cihazin önemli avantajlarindan birisidir.

Tercih edildigi üzere, eksenler dogrusal tasimalar tarafindan sirasiyla kilavuzlanir, burada dogrusal tasimalar, gövdeye göre bir veya daha fazla dairesel yol(lar) üzerinde bagimsiz sekilde hareket edebilirdir, burada dairesel yollar uç-uyarici desteginin rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine paralel olarak düzenlenir. Eklem elemanlarinin bu yapisi uç-uyarici desteginin bir düzleminde bir rastgele düzlemsel paralel hareketi mümkün kilmak üzere gelistirilmis bir kinematik saglar.

Tercih edildigi üzere, dogrusal tasimalar bir ortak dairesel yol boyunca hareket edebilir.

Bu, kompakt bir yapi saglar, bununla birlikte farkli dairesel yollar ayni zamanda düsünülebilir, burada, örnegin uç-uyarici destegin araligi spesifik olarak sadece bir yönde Tercih edildigi üzere, dis iskeletin dogrusal tasimalari dairesel yola[yollara] göre bir dönüssel tasima ile sirasiyla desteklenir, burada dönüssel tasimalarin dönüs eksenleri uç- uyarici desteginin rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine dikey olarak düzenlenir.

Tercih edildigi üzere, eksenler dogrusal tasimalarin açikliklarina karsilik gelerek desteklenen düz baglantilari içerir. Tercih edildigi üzere, dönüssel tasimalar konsantrik halkalara baglidir.

Tercih edildigi üzere, dis iskeletin dogrusal tasimalarinin biri veya birçogu veya hepsi, tercih edildigi üzere söz konusu konsantrik halkalari tahrik eden ilgili motorlar tarafindan dairesel yol(lar] boyunca bagimsiz olarak aktif sekilde tahrik edilir. Bu sekilde, bir insanin eklemi üst üste koyulmus çevirisel ve dönüssel hareketleri içeren bunun dogal karmasikliginda aktifsekilde hareket ettirilebilir.

Bir diger düzenlemede, dis iskeletin dogrusal tasimalarinin biri veya birçogu veya hepsi, tercih edildigi üzere söz konusu konsantrik halkalari tahrik eden kablo tabanli aktüatörler tarafindan dairesel yol(lar) boyunca bagimsiz olarak aktif sekilde tahrik edilir. Farkli aktivasyon ve çevrim yöntemleri, elektrik motorlari, kablolar, yaylar, hidrolikler veya benzerleri dahil olmak üzere mümkündür.

Bir diger düzenlemede, eklem elemani dogrusal tasimalarin biri veya birçogu ve hepsinin düzlemsel paralel hareketin düzlemi içinde insanin ekleminin hareketleri ile tahrik edilecegi sekilde dis iskeletin uç-uyarici desteginin ayarlanmasi ile pasif sekilde tahrik edilir. Eklem elemani dolayisiyla insanin ekleminin çevirisel hareketleri tarafindan pasif sekilde hareket ettirilmeye olanak saglar. Bu, bir insanin ekleminin mümkün devinimlerini veya kuvvetlerini veya her ikisini ölçmek veya dis iskelet araciligiyla insanin hareketlerine bir direnç uygulamak üzere kullanilabilir.

Tercih edildigi üzere, dogrusal tasimalarin biri veya birçogu veya hepsi, yaylar gibi direnç elemanlari ile dirençli hale getirilir. Bu direnç elemanlari ile dis iskelet önemli yük altinda ölçen ölçme cihazi olarak veya alistirma cihazi olarak kullanilabilir.

Tercih edildigi üzere, dis iskelet ayrica dogrusal tasimalarin indüklenmis hareketine bir direnç uygulamaya yönelik kuvvet uygulama araçlarini içerir. Bu araçlar tibbi teshise yönelik, ancak özellikle ayni zamanda alistirma amaçlarina yönelik yardimci olabilir. Özel bir düzenlemede, dis iskelet insanin eklemine veya bunun tarafindan uygulanan kuvveti /torku ölçmeye yönelik uç-uyarici destege bagli bir kuvvet/ tork sensörünü içerir.

Tercih edildigi üzere, bir veya birçok dogrusal tasima bagimsiz olarak aktif sekilde tahrik edilir ve kalan dogrusal tasimalar yaylar veya frenler gibi direnç elemanlari ile dirençli hale getirilir. Bu düzenlemede, serbestligin bazi dereceleri etkin hale getirilir ve serbestligin diger dereceleri yaylari frenler veya benzerleri ile dirençli hale getirilir.

Tercih edildigi üzere, dis iskelet ayrica devinimi, kuvveti veya bunlarin insanin eklemi ile iliskisini ölçmeye veya kaydetmeye yönelik ölçüm cihazlarini içerir. Bu, tibbi teshis amaçlarina yönelik bununla birlikte rehabilitasyon esnasinda gelisimin belirlenmesine yönelik faydalidir. Insanin eklem hareketi ve insanin eklem kuvveti arasindaki iliskinin ölçülmesi ile empedans/tonus ölçümleri gibi durumlar mümkündür.

Yukarida bahsedilen problemler ayni zamanda aktif sekilde bir insanin eklemini hareket ettirmeye yönelik yukarida tanimlanan dis iskeletin kullanilmasi ile ve/veya bir insanin ekleminin hareketliliginin ölçülmesi ile ve/veya insanin eklem devinimi ve insanin eklem kuvveti arasindaki iliskinin ölçülmesi ile ve/veya bir insanin ekleminin hareketlerine pasif direncin uygulanmasi ile çözülür. 4. Sekillerin kisa aciklamasi Asagida bulusun tercih edilen düzenlemeleri sekillere referans ile açiklanir: Sekil 1 omuz ve dirsek hareketlerini gösterir.

Sekil 2 omuzda skapulohümeral ritmi gösterir.

Sekil 3 bir omuz-dirsek dis iskeleti olarak kullanilan, bulusa göre bir dis iskeletin bir düzenlemesinin kavramsal tasarimini gösterir.

Sekil 7A diz ekleminin fleksiyon/ekstansiyon hareketi esnasinda anterior-posterior çevriminin sematik bir gösterimidir. bir insan dizine bagli bulusa göre dis iskeletin bir düzenlemesinin bir kismini gösterir. kullanilan eksenleri ve açilari gösteren Sekil 5'in dis iskeletinin bir eklem elemaninin bir düzenlemesini gösterir. bir üst görünüsten Sekil 6'nin eklem elemaninin düzenlemesini gösterir. bir yan görünüsten Sekil 6'nln eklem elemaninin düzenlemesini gösterir.

Düzenleme, bir kaylsll tahrik çevriminin kullanilmasi ile içten tahrik edilen üç konsantrik halkayi kullanir. Halkalar alüminyum ve teflon bilyeli silindirlerden imal edilen özel braketlerin kullanilmasi ile desteklenir ve hizalanlr. gömmeli kuvvet/tork algilama ile bulusa göre bir dis iskeletin bir eklem elemaninin bir diger düzenlemesini gösterir. Üç yük hücresi ve bir tork hücresi, uygulanan kuvvetleri/torklari ölçmek üzere uç uyariciya baglanir. kendiliginden hizalanan eklem elemaninin seri-esneklik aktivasyonuna sahip bulusa göre bir dis iskeletin bir eklem elemaninin bir diger düzenlemesini gösterir. Uç uyarici destegine bagli bir uyum mekanizmasinin sapmalarl uygulanan kuvvetleri/torklari tahmin etmek üzere ölçülür. kendiliginden hizalamali eklem elemaninin kablo aktüatörleri araciligiyla kendiliginden hizalanan eklem elemaninin bir degisken-empedans antagonisti aktivasyonuna sahip bulusa göre bir dis iskeletin bir eklem elemaninin bir diger düzenlemesini gösterir. bir empedans kontrol yapisinin bir blok diyagramldir. diz eklemine yönelik tipik bir yörüngenin kullanilmasi ile test edilen bir kontrolörün bir pozisyon izleme performansini gösterir. Pozisyon izleme performansini test etmek üzere kullanilan yol diz ekleminin tibial çevriminin kaba bir görsellestirmesidir. Istenilen yolda, diz ekleminin merkezi, bir 90°'lik diz ekstansiyonu esnasinda 15 mm'ye kadar çevirir. bulusa göre dis iskeletin bir düzenlemesinin eklem elemani olarak kullanilabilen alti farkli paralel mekanizmasinin sematik gösterimlerini gösterir. kablo tabanli aktüatörler tarafindan tahrik edilen bir eklem elemaninin detayli bir önden görünüsü (D) dahil olmak üzere bir üç-boyutlu görünüsünü gösterir.

. Tercih edilen düzenlemelerin detavli aciklamasi Asagida insanlara yönelik bir dis iskeletin tercih edilen düzenlemeleri sekillere referans ile açiklanir. Bir düzenlemenin özellikleri, uygun olmasi halinde diger düzenlemelerde ayni zamanda kullanilabilir.

Dis iskelet (1) diz, omuz, kalça/pelvis, bilek ve omur dahil ancak bunlarla kisitli olmamak üzere birçok insan ekleminde kullanilabilir. a. 3 Serbestlik dereceli (DoFl Kendiliginden Hizalanan Eklem Elemanmm Tasarimi Genel olarak, alti varyasyonda Sekil 13'te gösterildigi üzere bir paralel mekanizma bulusa göre bir dis iskelete (1) yönelik bir eklem elemaninin (2) uygulanmasina yönelik altta yatan mekanizma olarak kullanilabilir. Rehabilitasyon, insanin güçlendirilmesi, insanin ölçülmesi ve diger birçok amaca yönelik bir dis iskelette (1) bu tür bir kinematigin kullanimi ergonomi, eklem hareketlerine yönelik genis kapsamli devinim, eklem dönüsleri ile birlikte eklem çevrimlerini yerine getirme ve ölçme kabiliyetini mümkün kilar, sifir kalibrasyon gereksinimi sayesinde bir baglanma kolayligi ve çok sayida diger avantaja olanak saglar. Dis iskeletin ayni zamanda hayvanlara yönelik olarak kullanilabildigi belirtilmelidir.

AS-BRP mekanizmasi, bu mekanizmanin, dönüs ekseninin sabit olmadigi eklemlerin kompleks hareketini karsilamak üzere gerekli tüm hareketleri sürdürebilmesinden dolayi, kendiliginden hizalanan eklem elemaninin uygulanmasina yönelik altta yatan mekanizma olarak tercih edilir. Özellikle, 3-BRP düzlemsel paralel mekanizmasi düzlemde çevrimler ve dikey eksen boyunca dönüsü içeren 3 DoF'ye sahiptir. Yakin kinematik zincirler ile bunun kinematik yapisi sayesinde, 3-BRP mekanizmasi bunun seri karsitlari ile kiyaslandiginda yüksek bant genisligi ve pozisyon dogrulugunu içerir. Buna ek olarak, 3- BRP mekanizmasinin çalisma alani, dönüsünün, fleksiyon ve ekstansiyon egzersizleri esnasinda tipik olarak 180'i astigi omuz ekleminin uygulanmasina yönelik gerekli olan genis kapsamli dönüsleri karsilar. 3-BRP, mekanizmanin 3 eklemi içerdigi anlamina gelir, burada üç eklemin her biri iki farkli dönüs ekseni etrafinda dönüse olanak saglar ve bir prizmatik eksen boyunca yer degistirmeye olanak saglar. Alt Çizgi, bir dönüssel eksenin etkin hale getirildigini belirtir. Sekil 6, 7A ve 7B'de gösterilen örneklerde, B-BRP olarak nokta (O) boyunca bir dikey eksen etrafinda dönen, ilave olarak dikey dönüssel baglantilarin (17, 27, 37) dogrusal bir yer degistirmesine ("P") olanak saglayan üç eklem Sekil 6'da görülebildigi üzere, eklem elemaninda (2) kullanilan 3-BRP mekanizmasi bes sert gövde (3, 18, 28, 38) ve bir simetrik gövdeden (4) olusur. Gövde (3) sabit çerçeveyi temsil eder, gövdeler (18, 28 ve 38) nokta (0) etrafinda sabit baglantilar ile ilgili basit dönüslere sahipken, simetrik uç uyarici destegi (4) sirasiyla P, Qve R noktalarinda (18, 28 ve 38) baglidir. Düzlem birim vektörünün ortak noktasi 1: ile gösterilir ve her bir gövdenin taban vektörleri Sekil 6'da gösterilir. Sekilde, nokta (0] gövdeye (3) sabitlenir, nokta (P) gövdeye (28) sabitlenir, nokta (Q) gövdeye (18) sabitlenir, nokta (R) gövdeye (38) sabitlenir ve nokta (Z) uç uyarici desteginde (4) sabitlenir.

Mekanizmanin boyutlari asagidaki gibi tanimlanir: Sabit mesafe (OP), 11 olarak tanimlanir, OQ, 12 olarak tanimlanir ve OR, 13 olarak tanimlanirken, mesafe (ZP), 5-1 olarak tanimlanir, ZQ, 52 olarak tanimlanir ve ZR, 53 olarak tanimlanir. Çizgi (1] ve Üvektörü arasindaki açi qi'dir, 1 ve s_1› arasindaki açi qz'dir ve 1 ve ;1 arasindaki açi qg'tür. Tüm açilar, saat yönünün tersinde ölçüldügünde pozitiftir.

Kinematik analize yönelik, mekanizmaya girdiler açilar ((11, (22 ve 613) (diger bir deyisle baglantilar (S, Tve V) etkin hale getirilir) ve bunlarin zaman türevleri olarak ayarlanir.

Baslangiç konfigürasyonunda, avektörü H'e paraleldir. Sistemin çiktisi, sabit noktadan (0) ve gövdeye (N) göre ölçülen gövdenin oryantasyonundan (E) ölçüldügünde, uç-uyarici desteginin pozisyonu olarak tanimlanir. Özellikle, çiktilara yönelik sayil degiskenler asagidaki gibi tanimlanir burada, ?02, noktalar (0 ve Z) arasindaki pozisyon vektörüdür.

Dis iskeletin her iki ileri ve ters kinematigi sirasiyla konfigürasyon ve devinim düzeylerinden türetilir. 1] Konß'gürasyon Düzey Kinematigi: Hesaplamalari kolaylastirmak üzere, üç yardimci referans çerçevesi, diger bir deyisle K, L ve M asagidaki gibi tanimlanir: uzanir ve m_1› Z'den R'ye uzanir. Yardimci referans çerçevelerinin kullanilmasi ile mekanizmanin geometrisini yöneten vektör döngü denklemleri asagidaki gibi ifade edilebilir x-nî+y-nî+si~ki-ii-ti = 0 (1) çerçevelerden [tipik olarak 3'te) birinde vektör döngülerinin ifade edilmesi ile bu vektör denklemleri, konfigürasyon düzey kinematiginin çözümüne yönelik temeli olusturan 6 bagimsiz sayil denklemleri saglar. 0) Konfigürasyon Düzey Ileri Kinematigi': Önceki alt bölümde türetilen üç vektör denklemi alti bilinmeyenli ile alti lineer olmayan sayil denklemi saglar. q1,q2 ve (13 verildiginde, bu lineer olmayan denklemlerin analitik olarak x,yve 49'e (ve ara degiskenler (51,52ve53)] yönelik çözülmesi asagidakileri saglar 8=taii`l( ) (6) Al =L(L - W3)I\")cig - LU( + \/Z3)L)cu (3-31 : lgcos(r1›_›)._ C2: = hanim?) Konß'gürasyon Düzey Ters Ki'nematigi: x, y ve 6 verildiginde, ters kinematik problemi asagida oldugu gibi Chace (M. A. Chace, "Development and application of vector mathematics for kinematic analysis of three- dimensional mechanisms", Ph.D. dissertation, University of Michigan, 1964) tarafindan önerilen vektör çapraz ürün yönteminin kullanilmasi ile eklem dönüslerine (qi, qa ve (13] yönelik analitik olarak çözülebilir (11 :tan i T:) (7) (1_ nn (Lg) ( ) L1 = -I\'1.szZ-ii(8 + 3) 3 - Juî - Kf)cos(e + g) EU: : I'x'gcosw +-.. -\/_13 - Kg )sin(0 + T) L.2 : -ICgsinw + :) _ [(115 - Ii'îg)co.s(0 + 7:) 2) Devinim Düzey Kinematigi: Devinim düzey kinematigi denklemleri konfigürasyon düzey kinematigine yönelik türetilen vektör döngü denklemlerinin zaman türevinin alinmasi ile türetilir. Alti bagimsiz sayil denklemi, vektör denklemlerinin, H ve H? birim vektörleri üzerindeki izdüsümünün alinmasi yoluyla elde edilebilir. a) Devinim Düzey Ileri Kinematigi: Aktüatör [qi, (Iz ve (13] verildiginde, asagida oldugu gibi, devinim düzey ileri kinematigi [izyve Ö] problemi (ara degiskenler (S1 32 ve 3'3] ile beraber] uç-uyarici destek velositelerine yönelik çözülebilir Av.] : ATIBi (IU) 1' -' 'i'i"~ î ii j :. * 1'! mn um. ) .4) -I'gli-i SINUIL) .`23 Iyi; "'Ãisllli) b) Devinim Düzey Ters Kinematigi: Devinim düzey ileri kinematiginin çözümü verildiginde, devinim düzey ters kinematigi problemi alisilagelmis dogrusal cebir uygulamasi ile çözülebilir; dolayisiyla, çözüm alan hususlari nedeniyle tartismadan çikarilir. c. Kendiliginden Hizalanan Eklem Elemaninm Düzenlemesi Sekil 7, örnegin dize veya omuz eklemlerine uygulanabilen 3-RRP mekanizmasina dayanan dis iskeletin (1) bir kendiliginden hizalanan eklem elemanini (2) gösterir. desteklenir. Bir kayisli tahrik çevrimi, sirasiyla her bir dogrudan tahrikli motorun (15, 25, ) çevrim eksenine bagli olan sirasiyla alüminyum halkalara (18, 28, 38) ve alüminyum makaralara (13, 23, 33) sabitlenen zamanlama kayislarinin (11] kullanilmasi ile gücün kullanilir. Mevcut düzenlemede, çevrim orani omza yönelik 25'e ve diz eklem uygulamasina yönelik 5.6'ya ayarlanir.

Kayislar [11], robotun aktüatörlerinin mekanizmanin ayak izinin düsürülmesi ile halkalarin iç kismina konumlandirilabilecegi sekilde halkalarin [18, 28, 38] iç kismina yerlestirilir. Dogrudan tahrikli aktivasyonun aksine, kayisli tahrik ayni anda üç halkanin Kayisli tahrikler düsük maliyet ve çesitli boyutlar ve özellikler ile genis çapta kullanilabilirlik sayesinde tercih edilir. Halkalarin [18, 28, 38] hareketleri alüminyum baglantilarin [80, 90, 100] kullanilmasi ile bir üst düzlemsel düzleme aktarilir ve bu alüminyum baglantilar [80, 90, 100], dogrusal ve dönüssel tasimalar araciligiyla baglantilar [17, 27, 37), tercih edildigi üzere karbon fiber tüpler ile birlestirilir. Son olarak, uç-uyarici destegin (4] düsük bir agirligini ve yüksek sertlik uygulamasini mümkün kilan uç-uyarici destegine [4] baglidir.

Dis iskelet 180 mNm'lik sürekli tork çiktisina sahip olan dogrudan-tahrikli grafit- firçalanmis DC motorlarin kullanilmasi ile etkin hale getirilir. Dogrudan tahrikli aktüatörler, bunlarin yüksek derece geri sürülebilir olmasindan dolayi tercih edilir.

Motorlara bagli optik kodlayicilar, karasel kod çözme altinda dönüs basina 2000 sayimlik bir çözünürlüge sahiptir. Robot, bunun yüksek kinematik izotropiye sahip olacagi ve her iki sol ve sag uzuvlara uygulanabilecegi sekilde simetrik bir yapi içermek üzere tasarlanir.

Kendiliginden hizalanan eklem elemaninin bir birinci prototipi, sirasiyla omza yönelik x ve ya eksenleri boyunca 120 mm çevrimler veya diz eklem uygulamasina yönelik x ve y eksenleri boyunca 180 mm çevrimlere kadar kaplayan, genis bir çevirisel çalisma alanina sahiptir. Kendiliginden hizalanan eklem elemani ayni zamanda dikey eksen ile ilgili sonsuz dönüsleri sürdürür.

Sekil 5, bir insan dizine baglanmis dis iskeleti gösterir. Benzer sekilde, sekil 3 bir omuz- dirsek dis iskeletine uygulanmis kendiliginden hizalanan eklem elemanini gösterir.

Sekil 14, kablo tabanli aktüatörler araciligiyla tahrik edilen bir eklem elemaninin [2] bir diger düzenlemesini gösterir. Aktüatörler [gösterilmemistir], bir makara benzeri sekilde etrafinda kilavuzlanir. Diger düzenlemelerde oldugu gibi, dogrusal tasimalar [10, 20, 30] baglantilar araciligiyla tahrikli halkalara (18, 28, 38] baglidir.

Dis iskeletin, buna bagli olan insanin devinimi ile pasif olarak tahrik edilmesi durumunda, Bowden Kablolari [60, 62, 64) uç-uyarici destegin (4) hareketlerini sensörlere veya yaylar veya frenler [gösterilmemistir) gibi dirençli elemanlara aktarmak üzere kullanilabilir. (1. Bir empedans kontrolörünün sentezi Geri-sürülebilen motorlarin kullanimi ve düsük çevrim oraninin kullanilmasi sayesinde, eklem kendiliginden hizalanan eklem elemani (2) ve dolayisiyla dis iskelet [1) yüksek derecede geri sürülebilirdir. Bunun bir sonucu olarak, etkilesim kuvvetlerini kontrol eden, kuvvet sensörlerine yönelik ihtiyaci hafifleten kendiliginden hizalanan eklem elemanina (2) yönelik bir model tabanli açik döngü empedans kontrolörünün uygulanmasi mümkündür. Cihazi kontrol etmek üzere kullanilan tüm kontrol yapisi Sekil 11'de gösterilir. Empedans kontrolörü tarafindan saglanan güvenilirligin arttirmak üzere, uç- uyarici desteginin, kapali döngü empedans kontrolünün uygulanmasini mümkün kilan bir kuvvet/tork sensörü (40, 41) ile donatilabildigi belirtilir.

Sekil 11'de, q, q gerçek pozisyonu ve eklemlerin velositesini temsil eder, Xve Xd gerçek ve istenen eylem alan velositelerini temsil eder, Fd, kendiliginden hizalanan eklem elemanini matrisidir, T ve 'Ed, gerçek ve istenen aktüatör torklaridir, M, eklem elemani kütle matrisidir, C ve C gerçekn ve modellenmis santrifüj ve Coriolis matisleridir, N ve A7, um model-tabanli bozulma tahmin aracindan ileri-beslemeli dengeleme terimi iken, d, sistemi etkileyen fiziksel bozulmalari temsil eder. Kontrol yapisinda, ölçülen aktüatör velositeleri istenen uç-uyarici destek velositelerinin farki empedans kontrolöre beslenir ve istenen kuvvetler hesaplanir. Akabinde, istenen kuvvetler Iacobi transpoz matris ile çarpilir ve istenen eklem torklari elde edilir. Istenen eklem torklari, eklem elemaninin dinamik modeli, diger bir deyisle, Coriolis, santrifüj ve yer çekimi matrisleri kullanilarak tahmin edilen ileri-beslemeli torklar ile eklenir. Eklem elemanini etkileyen bozulmalarin fiziksel olmasindan ve çevreye göre degismesinden dolayi, fiziksel eklem elemanina uygulanan toplam tork bu parazitli etkileri içerir. Bir kuvvet sensörünün [41) uç-uyarici destekte (4) uygulanan kuvvetleri ölçebilmesi durumunda, akabinde kuvvetlerin ölçülen ve istenen degerleri arasindaki fark bir kuvvet kontrolörüne, bir kapali-döngü kontrolörü uygulanarak beslenebilir.

Kontrolörün pozisyon izleme performansini dogrulamak amaciyla, bu, diz eklemine yönelik tipik bir yörüngenin kullanilmasi ile test edilir. Özellikle, cihazin 90° dönüsü, dönüs ekseninin 15 mm'lik bir çevrimi ile ayni anda kontrol edilir. Referans sinyali, diz rehabilitasyonuna yönelik yeterli sekilde hizli devinimi mümkün kilan 0.5 Hz'lik bir frekansta kontrol edilir. Sekil 12, kontrolörlerin izleme performansini gösterir. Sunulan deneye yönelik, hatanin RMS degerleri, çevrimde %1.112 ve dönüste %0.006 olarak hesaplanir. e. Deneysel karakterizasyon Tablo I, bir 3-ERP kendiliginden hizalanan eklem elemaninin karakterizasyon sonuçlarini gösterir. X ve y yönleri boyunca anlik pik ve sürekli uç-uyarici destek kuvvetleri sirasiyla 1 kN ve 80 N olarak belirlenir. Benzer sekilde, dönüssel eksenler boyunca anlik pik ve sürekli uç-uyarici destek kuvvetleri sirasiyla 170 Nm ve 12.5N olarak bulunur. Uç-uyarici yönde 0.0031 rad olarak hesaplanir. Eklem elemani dikey eksen ile ilgili sonsuz dönüsler gerçeklestirebilirken, kendiliginden hizalanan eklem elemaninin (2) çalisma alani, x ve y yönleri boyunca -60 mm ila 60 mm araligindadir. Sanal duvar saglamaya yönelik stabilite sinirlari, x yönü boyunca 50 kN/m, y yönü boyunca 42 kN/m ve dönüste 1 kN/rad olarak gözlemlenir. Son olarak, karakterizasyon sonuçlari, kendiliginden hizalanan eklem elemaninin [2] yüksek derecede geri-sürülebilir oldugunu ve x ve y yönleri boyunca 3 N'lik bir kuvvet ile hareket edebildigini dogrular. Geri-sürülebilir olmanin bir sonucu olarak, eklem elemanini (2) içeren dis iskelet [1) güç kaybinda dahi güvenligi saglayabilir.

TABLO l 3-BRP KENDILIGINDEN HIZALANAN EKLEMIN KARAKTERIZASYONU Kriter X Y Z Anlik Pik Kuvvet 1 [kN] 1 [kN] 170 [Nm] Sürekli Kuvvet 80 [N] 80 [N] 12.5 [Nm] Sanal Duvar Saglama 50 [kN/m] 42 [kN/m] 1 [kNm/rad] S-BRP KENDILIGINDEN HIZALANAN EKLEMIN KARAKTERIZASYONU Kriter X Y Z Geri-sürülebilirlik 3 [N] 3 [N] 0.25 [Nm] Benzer sekilde, tablo II 3-BRP diz dis iskeletin deneysel karakterizasyon sonuçlarini gösterir. X ve y yönleri boyunca anlik pik ve sürekli uç-uyarici destek kuvvetleri sirasiyla 246,7 N ve 18,4 N olarak belirlenir. Benzer sekilde, dönüssel eksenler boyunca anlik pik ve sürekli uç-uyarici destek kuvvetleri sirasiyla 38.2 Nm ve 2.85 Nm olarak bulunur. Bu kuvvet degerleri, öngörülen çalisma alaninin kritik noktalarinda deneysel olarak dogrulanmistir.

Hesaplanan uç-uyarici destek çözünürlüklerinin, eklem elemani [2] tarafindan yayilan çalisma alaninin, sanal duvar saglamaya yönelik stabilite sinirlarinin ve geri- sürülebilirligin degerleri, genel karakterizasyon degerlerinin (yukari bakiniz] sahip olduklarina karsilik gelir.

TABLO ll B-BRP DIZ DIS ISKELETIN KARAKTERIZASYONU Kriter X Y Z Maksimum Sürekli Kuvvet 18,4 [N] 16 [N] 2.85 [Nm] Ulasilan Çalisma alani -60 to 60 [mm] -60 to 60 [mm] 0( [md] Sanal Duvar Saglama 50 [kN/m] 42 [kN/m] 1 [kNm/rad] Geri-sürülebilirlik 3 [N] 3 [N] 0.25 [Nm] t. Gömmeli kuvvet algilamai seri-esneklik aktivasyonu ve degisken empedans aktivasyonu Bu bölüm dis iskeletin (1) kendiliginden hizalanan eklem elemaninin (2) çok sayida tasarim varyasyonlarini gösterir. Özellikle, Sekil 8, gömmeli kuvvet/tork algilama ile bir düzenleme tasarimini gösterir, Sekil 9'un tasarimi seri-esneklik aktivasyonunu içerir ve antagonist aktivasyonu kullanan bir degisken empedans tasarimi, Sekil 10'da gösterilir.

Kapali döngü kuvvet/empedans kontrolüne yönelik kuwet algilama, uç-uyarici destegine (4] bir çoklu-eksen kuvvet/tork (F/T] sensörünün (40, 41] baglanmasi ile mümkündür.

Diger taraftan, kendiliginden hizalanan mekanizmanin kinematik yapisi sayesinde, diger düsük maliyetli çözümler ayni zamanda uygulanabilir. Ilk olarak, bir çoklu-eksen F/T sensörünün kullanilmasi yerine, düsük maliyetli, tekli-eksen kuvvet ve tork hücreleri mekanizmanin uç-uyarici destegine (4) gömülebilir. Üç yük hücresi (41] (bunlardan biri fazladir) ve bir tork hücresi (40), Sekil 8'de gösterilir. Sert baglantilara baglanmis yük hücrelerinin (41) kullanilmasi ile, uç-uyariciya (5] uygulanan tork, bir tork hücresinin (40] kullanilmasi ile dogrudan ölçülebilirken, robotu etkileyen eylem alan kuvvetleri, her bir baglanti boyunca kuvvet vektörünün bileseninin hesaplanmasi ile kolay sekilde tahmin edilebilir.

Sensör aktivasyon eskonumsuzlugundan dolayi, belirgin kuvvet kontrolünün kapali döngü artislarina yönelik dogal bir sinir mevcuttur. Kapali döngü artisinin transdüser ve kontrolör artisinin sertliginin bir kombinasyonu olarak belirlenmesinden dolayi, yüksek sertlik kuvvet sensörlerine yönelik sadece düsük kontrolör artislari sistemin stabilitesinin korunmasi amaciyla kullanilabilir. Dolayisiyla, kuvvet kontrolörü yavas hale gelir ve bunun bozulma yaniti ideal olmayabilir. Seri elastik aktivasyonu (SEA), daha iyi bir kontrolör performansinin elde edilecegi sekilde, kuvvet sensörünün sertligini kontrolörün artisina aktaran bir kuvvet kontrol stratejisidir Kuvvet kontrolüne yönelik bir SEA'nin kullanimi, bunun yüksek-dogruluk kuvvet sensörleri/aktüatörlerine yönelik ihtiyaci düsürmesinden ve uyumlu baglanti elemaninin sapmasinin tipik pozisyon kontrolü vasitasiyla aktüatör tarafindan uygulanan kuvvetin kontrolüne olanak saglamasindan dolayi avantajlidir. Özellikle, SEA aktüatör ve çevre arasinda uyumlu bir eleman sunar, akabinde bunun sapmasini ölçer ve kontrol eder. Diger bir deyisle, bir SEA, kuvvet kontrol problemini iyi kurulmus devinim kontrol stratejilerinin kullanilmasi ile ele alinabilecek bir pozisyon kontrolüne dönüstürür. SEA'larin diger faydalari, çevre ile güçlü darbeleri önleyen kontrol bant genisliginden fazla frekanslarda sistemin düsük genel empedansini içerir. SEA'larin esas dezavantaji, yumusak baglanti elemaninin kasitli uygulamasindan dolayi bunlarin düsük kontrol bant genisligidir. Bir SEA'nin kuvvet çözünürlügü, baglantinin daha uyumlu sekilde yapilmasi ile gelisir; ancak, uyumlulugun gelismesi, kuvvet dogruluguna yönelik yanit süresinin düsürülmesi ile sistem kontrolünün bant genisligi azaltilir..

Sekil 9, SEA ile kendiliginden hizalanan eklem elemaninin (2) bir düzenlemesini gösterir.

Bu düzenlemede, uyumlu bir eleman (42] 3-BRP mekanizmasinin baglantilari (17, 27, 37] ve çiktisi [5] arasina yerlestirilir ve bu uyumlu mekanizmanin sapmasi, eklem elemanini ölçülür. Özellikle, sekildeki uyumlu gövde [42], bu mekanizmanin düzlemde çevrimlere ve dikey eksen boyunca bir dönüse olanak saglamasindan dolayi, bir 3-RRR paralel mekanizmasi olarak tasarlanir. Bu nedenle, uç-uyarici destege (4) baglanmis olan uyumlu eklemlerin [42) bozulmalarinin ölçülmesi ile kendiliginden hizalanan eklemi [2) etkileyen tüm kuvvetlerin ve torklarin tahmin edilmesi mümkündür. Özellikle, uyumlu mekanizmanin sabit çerçevesi [uç uyarici destegi (4)) sery baglantilara (17, 27, 37] baglidir ve uyumlu eklemin (42] çiktisi 3-BRP mekanizmasinin (uç-uyarici [5)] çiktisina baglidir. Uyumlu mekanizmanin eklemleri (42) mentese çentik eklemleri olarak tasarlanir ve eklemlerin sertlik islevi ve uyumlu mekanizmanin eylem alan sertligi, Kang'da (B. H.

Kang, ].-Y. Wen, N. Dagalakis, and ]. Gorman, "Analysis and design of parallel mechanisms açiklandigi üzere türetilir. Uyumlu mekanizmanin bagimsiz eklem yer degistirmeler, dogrusal kodlayicilarin kullanilmasi ile ölçülebilir ve eklem sertligi göz önünde bulunduruldugunda, uç-uyarici destegi F/T'si türetilebilir. Sistemin kuvvet çözünürlügü kodlayici çözünürlügüne bagli iken, ölçülen kuvvetlerin araligi uyumlu eklem tasarimina baglidir.

Bir aktüatöre uyumluluk eklendiginde, çesitli etkilesimlere yönelik sertligin farkli düzeyleri gereklidir: Darbeler düsük sertlik ile aktüatörlerin kullanilmasi ile daha iyi düzenlenebilirken, iyi bozulma red karakteristiklerine sahip dogru pozisyon kontrol eylemleri yüksek sertlik ile aktüatörleri gerektirir. Bu nedenle, degisken sertlik aktüatörleri (VSAler) ortaya koyulur. VSAler, kontrollü “yay benzeri" elemanlar vasitasiyla ayarlanabilen sertlige sahip olan özel türde uyum mekanizmalaridir. VSAler tasarlanirken, aktüatörlerin konfigürasyonundan bagimsiz sertligin ayarlanabilmesi önemlidir. Bu amaca ulasmak üzere, çok sayida farkli yaklasimlar önerilmistir.

Degisken sertlik aktüatörleri tasarlamak üzere en yaygin yaklasim insan kaslarindan esinlenilir ve antagonistik aktivasyonu kullanir. Antagonistik aktüatörlerin tasarlanmasinin bir yolu, iki motor "yay benzeri" uyumlu elemanlara baglanir ve bu uyumlu elemanlar çikti baglantisina baglanir. Bu iki aktüatörün karsit hareketi bir eleman üzerinde sikistirma kuvvetleri ve digeri üzerinde gerilim olusturur. Literatürde, yaylarin kuvvet islevinin dogrusal olmamasi durumunda [özellikle, bunun karasel olmasi durumunda), bu birlesik aktüatör hareketinin çikti baglanti pozisyonunun konfigürasyonunu etkilemedigi ancak bunun sertligini degistirdigi gösterilmistir. Benzer sekilde, her iki aktüatörün ayni yönde hareket etmesi durumunda, çikti baglantisinin konfigürasyonu, sertligi korunarak degistirilir.

Sekil 10, kendiliginden hizalanan eklem elemanina [2] yönelik degisken empedans aktüatörünün bir örnek düzenlemesini gösterir. Bu tasarimda, üç dikin her biri özel köselere sahip alt-disklerin [170] bir kombinasyonundan olusur. Diskler üstündeki iç oluklar, iki Bowden kablosunun [154, 164) baglanmasina yönelik kullanilir. Bowden kablolari [154, 164] antagonist prensibine göre çalisir ve her bir kablo diski 180°'ye kadar çekebilir. Bowden kablolari dogrusal olmayan yaylara (veya daha genel olarak aktivasyonunu mümkün kilmak üzere baglidir.

Serbestlik Derecelerinin Glenohümeral Mobilizasyonu Adliksiyon Abdüksiyon Elevasyon Depresyon ' 'g ..w : Omuz Donusleri Dirsek Dirsek 4 T “ HF Ekstansiyon Fleksiyon Yatay V Yatay. Eksternal Internal AdeKSIVon Adüksiyon Dönüs Dönüs Humerus Basi (HH) e1=180° “”mm' 91=1BO° 100 91:140° 80 Ü1=Ü° 0 x[mm] m

Claims (1)

1. ISTEMLER Insanlara yönelik bir dis iskelet [1] olup özelligi, asagidaki unsurlari ihtiva etmesidir: a) bir uç-uyarici destegi [4] vasitasiyla bir insanin eklemi ile dogrudan veya dolayli olarak etkilesime giren eklem elemani (2), burada b] eklem elemani [2), uç-uyarici desteginin (4) bir düzlemde rastgele bir düzlemsel paralel hareketi gerçeklestirmesini mümkün kilan, eklem elemaninin [2] bir gövdesine [3] göre uç-uyarici destegin (4) üst üste koyulmus rastgele çevirisel ve rastgele dönüssel hareketlerine olanak saglayan bir paralel mekanizmayi ihtiva eder; c] burada eklem elemani [2], bununla etkilesime giren insanin eklemine göre kendiliginden hizalanmaktadir. Istem 1'e göre dis iskelet [1] olup, özelligi paralel mekanizmanin 3-RPR, 3-RRR, 3- PRR, 3-RPP, 3-RRP veya 3-PRP olmasidir. Istem 1 veya Z'den birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi uç-uyarici destegin (4] en az üç çevirisel ekseni [16, 26, 36) ihtiva etmesidir, burada eksenler: a) uç-uyarici destegine [4] siki sekilde baglidir; b] uç uyaricinin rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine paralel olarak düzenlenir; ve c) birbirine bir açiya [19, 29, 39) sahip olarak düzenlenir. Istem 3'e göre dis iskelet [1] olup, özelligi uç uyaricinin üç çevirisel ekseni ihtiva olmasidir. Istem 1-4'ten birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi eksenlerin (16, 26, 36] dogrusal tasimalar (10, 20, 30] tarafindan sirasiyla kilavuzlanmasidir, burada dogrusal tasimalar, gövdeye (3) göre bir veya daha fazla dairesel yol(lar) (14, 24, 34] üzerinde bagimsiz sekilde hareket edebilirdir, burada dairesel yollar (14, 24, 34] uç-uyarici desteginin [4) rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine paralel olarak düzenlenir. Istem 5'e göre dis iskelet (1) olup, özelligi dogrusal tasimalarin, bir ortak dairesel yol (14, 24, 34) boyunca hareket edebilir olmasidir. Istem 5 veya 6'dan birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi dogrusal tasimalarin (10, sirasiyla desteklenmesidir, burada dönüssel tasimalarin [12, 22, 32) dönüs eksenleri (16, 26, 36), uç-uyarici desteginin (4) rastgele düzlemsel paralel hareketinin düzlemine dikey olarak düzenlenir. Istem 5-7'den birine göre dis iskelet [1) olup, özelligi eksenlerin [16, 26, 36) dogrusal tasimalarin (10, 20, 30) karsilik gelen açikliklarinda desteklenen düz baglantilari [18, 28, 38) ihtiva etmesidir. Istem 5-8'den birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi dönüssel tasimalarin (12, 22, 32) konsantrik halkalara [18, 28, 38) bagli olmasidir. Istem 5-9'dan birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi dogrusal tasimalarin [10, 20, 30) biri veya birçogu veya hepsinin aktif sekilde bagimsiz olarak, tercih edildigi üzere söz konusu konsantrik halkalari (18, 28, 38) tahrik eden, ilgili motorlar [15, Istem 5-9'dan birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi dogrusal tasimalarin [10, 20, 30) biri veya birçogu veya hepsinin aktif sekilde bagimsiz olarak, tercih edildigi üzere söz konusu konsantrik halkalari (18, 28, 38) tahrik eden, kablo tabanli edilmesidir. Istem 5-9'dan birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi eklem elemaninin (2) dogrusal tasimalarin (10, 20, 30) biri veya birçogu ve hepsinin düzlemsel paralel hareketin düzlemi içinde insanin ekleminin hareketleri ile tahrik edilecegi sekilde uç-uyarici desteginin [4) ayarlanmasi ile pasifsekilde tahrik edilmesidir. Istem 1-9 ve 12'den birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi dogrusal tasimalarin (10, 20, 30) biri veya birçogu ve hepsinin yaylar veya frenler gibi dirençli elemanlar ile dirençli hale getirilmesidir. Istem 5-13'ten birine göre dis iskelet (1] olup, özelligi bir veya birçok dogrusal tasimanin (10, 20, 30), bagimsiz olarak aktif sekilde tahrik edilmesi ve kalan dogrusal tasimalarin (12, 20, 30] yaylar veya frenler gibi direnç elemanlari ile dirençli hale getirilmesidir. Istem 1-4'ten birine göre dis iskelet (1) olup, özelligi ayrica devinimi, kuvveti veya bunlarin insanin eklemi ile iliskisini ölçmeye veya kaydetmeye yönelik ölçüm cihazlarini (40, 41, 42) ihtiva etmesidir.