Aktif ayak-ayak bileği ortezin tasarımı ve veri güdümlü öngörülü kontrolü

Abstract

AKTİF AYAK-AYAK BİLEĞİ ORTEZİN TASARIMI VE VERİ GÜDÜMLÜ ÖNGÖRÜLÜ KONTROLÜBu tez çalışmasında, serebral palsi, felç ve multiple skleroz gibi ortopedik veya nörolojik rahatsızlıklardan dolayı yürümekte zorluk çeken insanlar için kullanılacak olan aktif ayak-ayak bileği ortezin tasarımı, prototip üretimi ve istenilen yürüyüş yörüngesini takip etmesini sağlayacak olan bir veri güdümlü öngörülü kontrol algoritmasının sağlanması amaçlanmıştır. Pnömatik yapay kas, pnömatik döner aktüatör ve termoplastik malzemeden meydana gelen bir aktif ayak-ayak bileği ortez prototipi geliştirilmiştir. Bu aktüatör yapısı ile yürüyüş sırasında hem plantar fleksiyon hem de dorsifleksiyon hareketlerinin pozisyon kontrolü ve tork desteği sağlanmıştır. Geliştirilen cihaz “Pnömatik Ayak-Ayak Bileği Ortezi (P-AFO)” olarak isimlendirilmiştir.Prototip cihazın aktüatörleri veri güdümlü öngörülü kontrol algoritmasıyla kontrol edilmiştir. Önerilen kontrol algoritması MATLAB/ M-File/ Simulink kullanılarak geliştirilmiştir. Bu kontrol algoritmasında kontrol kuralını oluşturmak için, alt uzay temelli bir model kestirim yöntemiyle sistem modeli belirlenen ufuk boyunca sistemin geçmiş verileri ile çıkarılmış ve öngörülü kontrol için kontrol kuralı yazılmıştır. Ayrıca kontrol algoritmasının belirlenen ufuk boyunca geçmiş giriş ve çıkış değerlerine bakarak çalışıyor olması süregelen tedavi sürecinde oluşacak ilerleme veya anormal durumların kontrol kuralına eklenmesini ve tedavi sürecinin eşzamanlı uyumlu bir yapıda ilerlemesini sağlamaktadır. P-AFO, Solid Edge yazılımı kullanılarak üç boyutlu olarak tasarlanmıştır. Destek bölümleri, alt bacağı ve ayağı içerisine alacak biçimde termoplastik malzemeden üretilmiştir. Pnömatik yapay kas ve pnömatik döner aktüatör’ ün destek bölümlerine montajı için gerekli olan bağlantı noktaları 3D yazıcı kullanılarak üretilmiştir. P-AFO’nun kontrolü için gerçek zamanlı bir kontrol deney düzeneği oluşturulmuştur. Önerilen kontrolör ile PID kontrolcünün basamak ve yörünge takip performansları karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlara göre prototipin kullanılabilirliği ve önerilen kontrolörün PID kontrolcüden aynı koşullar altında daha iyi performans sergilediği gözlemlenmiştir.

DESIGN AND DATA-DRIVEN PREDICTIVE CONTROL OF AN ACTIVE ANKLE-FOOT ORTHOSIS In this thesis, it is aimed to design and develop an active ankle-foot orthosis to be used for orthopedic or neurological disorders such as cerebral palsy, paralysis and multiple sclerosis, and to provide a data-driven predictive control algorithm that will enable the orthosis to follow the desired gait trajectory. A prototype was developed, consisting of a pneumatic artificial muscle, a pneumatic rotary actuator, and thermoplastic materials. With this actuator structure, position control and torque support of both plantar flexion and dorsiflexion movements during walking are provided. The developed device is called as “Pneumatic Ankle-Foot Orthosis (P-AFO)”.The actuators of the prototype were controlled by a data-driven predictive control algorithm. The proposed control algorithm was developed using MATLAB/ M-File/ Simulink. In order to establish the control rule in this control algorithm, a subspace-based model estimation method was used to extract the system model along the horizon with the historical data of the system and the control rule for predictive control was written. In addition, the control algorithm works by looking at the past input and output values along the defined horizon, allowing the progress or abnormal conditions to be added to the control rule and the progress of the treatment process in a synchronous structure.P-AFO was modeled in three dimensions using Solid Edge software. The support sections are made of thermoplastic material, including the lower leg and the foot. The connection points required for the installation of the pneumatic artificial muscle and pneumatic rotary actuator in the support sections are produced by a 3D printer.A real-time control experiment setup was created for the control of P-AFO. Step and trajectory follow-up performances of the proposed controller and PID controller were compared. According to the experimental results, the usability of the prototype and the proposed controller performed better than the PID controller under the same conditions.