Yıl: 2021 Cilt: 36 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 1831 - 1846 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.846641 İndeks Tarihi: 29-07-2022

Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı

Öz:
Günümüzde robotların sanayi ve günlük yaşamda kullanım alanları artmakta ve bununla birlikte uygulamaların robotlar tarafından yerine getirilmesi için farklı robot tasarımları geliştirilmektedir. Paralel robotlar, kapalı zincir kinematik yapısından dolayı kısıtlanmış çalışma uzayına sahiptir. Bunun yanı sıra bu kinematik yapı robota yüksek konum hassasiyeti ve rijitlik kazandırmaktadır. Rehabilitasyon robotlarında; rijit yapı ve hassas pozisyonlama en önemli unsurlardır bu nedenle paralel robotlar rehabilitasyon uygulamalarına uygundur. Bununla birlikte, paralel robotların sınırlı çalışma uzayı eklem hareket açıklığında kısıt oluşturmaktadır. Bu çalışmada; Stewart Platformunun yapısına, 7’inci lineer aktüatör ve buna bağlı bir mekanizma ilave edilip çalışma uzayı genişletilerek ayak bileğinin yanı sıra dize de rehabilitasyon yapılmasını sağlayan yeni bir robot tasarlanmıştır. Mekanik tasarım, elektronik donanım, Newton-Raphson sayısal yöntemiyle ileri kinematik ve vektörel ters kinematik hesaplamalarıyla oluşturulan matematiksel alt yapısı ve PID pozisyon kontrolü birleştirilerek rehabilitasyon robotu tasarlanmıştır. İnsan bacağı üzerinde yapılan deneylerle robotun, ayak bileği ve diz eklem hareket açıklıklarını gerçekleştirebilme ve pozisyonlama sonuçları değerlendirilmiş ve literatürle karşılaştırılmıştır. Deneysel ölçümlere göre yörünge takibinde zaman gecikmesi 0,5 saniyenin altında ve azami açı sapması 1,2° elde edilmiştir.
Anahtar Kelime: konum kontrolü Alt ekstremite rehabilitasyon robotu Newton-Raphson yöntemi Stewart Platform paralel robot

Stewart platform based robot design and control for passive exercises in ankle and knee rehabilitation

Öz:
Nowadays, usage of robots in industry and daily life is increasing, additionally, different robot designs are developed in order to fulfill the applications optimally by means of robots. Parallel robots have a restricted workspace due to their closed chain kinematic structure. However, this kinematic structure provides the robot high positioning accuracy and rigidity. Precise positioning and rigidity are most important key aspects for rehabilitation robots, therefore parallel robots are very suitable for rehabilitation applications. However, the limited workspace of the parallel robot creates a limitation in joint range of motion. In this study, a new rehabilitation robot was designed with the addition of Stewart Platform structure, $7^{th}$ linear actuator and mechanical part, thus extending the workspace and providing rehabilitation to ankle and knee joints. The robot is configured by combining mechanical design, electronic hardware, mathematical model based on the Newton-Raphson method for forward kinematics as well as vectorial approach for inverse kinematics, and PID position control. Experiments were performed on human leg; ankle and knee range of motion and positioning results are evaluated and compared with literature. According to experimental measurements, the time delay in trajectory tracking was less than 0.5 seconds and the maximum angle deviation was 1.2°.
Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • 1. Jezernik S., Schärer R., Colombo G., Morari M., Adaptive robotic rehabilitation of locomotion: A clinical study in spinally injured individuals, Spinal Cord, 41(12), 657–666, 2003.
  • 2. Chen K., Wu Y. N., Ren Y., Liu L., Home-based versus laboratory-based robotic ankle training for children with cerebral palsy: A pilot randomized comparative trial, Archives of physical medicine and rehabilitation, 97(8), 1237-1243, 2016.
  • 3. English B., Phases of rehabilitation, Foot and ankle clinics, 18(2), 357-367, 2013.
  • 4. İnal S., Akdoğan E., Alt Ekstremite Rehabilitasyon Robotları, Türkiye Klinikleri Fizyoterapi ve Rehabilitasyon-Özel Konular, 1(1), 6-13, 2015.
  • 5. Díaz I., Gil J. J., Sánchez E., Lower-Limb Robotic Rehabilitation: Literature Review and Challenges, J. Rob., 2011, 1–11, 2011.
  • 6. Girone M., Burdea G., Bouzit M., Popescu V., Deutsch J. E., A Stewart platform-based system for ankle telerehabilitation, Autonomous robots, 10(2), 203-212, 2001.
  • 7. Boian R. F., Bouzit M., Burdea G. C., Lewis J., Deutsch, J. E., Dual Stewart platform mobility simulator, In 9th International Conference on Rehabilitation Robotics, Chicago-USA, 550-555, 28 June-1 July, 2005.
  • 8. Xie S. Q., Jamwal P. K., An iterative fuzzy controller for pneumatic muscle driven rehabilitation robot, Expert Syst. Appl., 38(7), 8128-8137, 2011.
  • 9. Rastegarpanah A., Saadat M., Rakhodaei H., Analysis and simulation of various Stewart Platform configurations for lower limb rehabilitation, In BEAR conference, University of Birmingham, Birmingham-UK, January, 2012.
  • 10. Rastegarpanah A., Saadat M., Borboni A., Stolkin R., Application of a parallel robot in lower limb rehabilitation: A brief capability study, International Conference on Robotics and Automation for Humanitarian Applications, Kerala-India, 1-6, 18-20 December, 2016.
  • 11. Takemura H., Onodera T., Ming D., Mizoguchi H., Design and control of a wearable stewart platform-type ankle-foot assistive device, Int. J. Adv. Rob. Syst., 9(5), 202, 2012.
  • 12. Lee Y., Chen K., Ren Y., Son J., Cohen B. A., Sliwa J. A., Zhang L. Q., Robot-guided ankle sensorimotor rehabilitation of patients with multiple sclerosis, Multiple Sclerosis and Related Disorders, 11, 65-70, 2017.
  • 13. Şekerci E., Kızılhan H., Başer Ö., Evaluation of position tracking control performance of a variable stiffness ankle exoskeleton robot with various controller types, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (3), 1551-1564, 2020.
  • 14. Liu G., Gao J., Yue H., Zhang X., Lu G., Design and kinematics analysis of parallel robots for ankle rehabilitation, In 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, BeijingChina, 253-258, 9-15 October, 2006.
  • 15. Saglia J. A., Tsagarakis N. G., Dai J. S., Caldwell D. G., A high performance 2-dof over-actuated parallel mechanism for ankle rehabilitation, In 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe-Japan, 2180-2186, 12-17 May, 2009.
  • 16. Tsoi Y. H., Xie S. Q., Impedance control of ankle rehabilitation robot, In 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics,BangkokThailand, 840-845, 21-26 February, 2009.
  • 17. Mohanta J. K., Mohan S., Deepasundar P., KirubaShankar R., Development and control of a new sittingtype lower limb rehabilitation robot, Computers & Electrical Engineering, 67, 330-347, 2018.
  • 18. Wang D., Li J., Li C., An adaptive haptic interaction architecture for knee rehabilitation robot, International conference on mechatronics and automation, Changchun-China, 84-89, 9-12 August, 2009.
  • 19. Mohan S., Mohanta J. K., Kurtenbach S., Paris J., Corves B., Huesing M., Design, development and control of a 2PRP-2PPR planar parallel manipulator for lower limb rehabilitation therapies, Mech. Mach. Theory, 112, 272-294, 2017.
  • 20. Alwan H. M., Sarhan R. A., Dynamic Analysis of Gough Stewart Robot Manipulator by Using Lagrange Formulation in Matlab Software, J. Univ. Babylon Eng. Sci., 26 (10), 36-50, 2018.
  • 21. Şumnu A., Güzelbey İ. H., Çakir M. V., Simulation and PID control of a Stewart platform with linear motor, J. Mech. Sci. Technol., 31 (1), 345-356, 2017.
  • 22. Sarhan R. A., Singularity Free Positioning of Gough Stewart Robot Platform, PhD-Thesis, University of Technology, Mechanical Engineering Department, Iraq, 2019.
  • 23. Alwan H. M., Sarhan R. A., Kinematics Simulation of Gough-Stewart Parallel Manipulator by Using Simulink Package in Matlab Software, J. Univ. Babylon Eng. Sci., 27 (2), 10-20, 2019.
APA Teke Budakli M, Yılmaz C (2021). Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. , 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
Chicago Teke Budakli Merve,Yılmaz Cüneyt Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. (2021): 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
MLA Teke Budakli Merve,Yılmaz Cüneyt Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. , 2021, ss.1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
AMA Teke Budakli M,Yılmaz C Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. . 2021; 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
Vancouver Teke Budakli M,Yılmaz C Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. . 2021; 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
IEEE Teke Budakli M,Yılmaz C "Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı." , ss.1831 - 1846, 2021. 10.17341/gazimmfd.846641
ISNAD Teke Budakli, Merve - Yılmaz, Cüneyt. "Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı". (2021), 1831-1846. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.846641
APA Teke Budakli M, Yılmaz C (2021). Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(4), 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
Chicago Teke Budakli Merve,Yılmaz Cüneyt Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36, no.4 (2021): 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
MLA Teke Budakli Merve,Yılmaz Cüneyt Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.36, no.4, 2021, ss.1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
AMA Teke Budakli M,Yılmaz C Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(4): 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
Vancouver Teke Budakli M,Yılmaz C Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(4): 1831 - 1846. 10.17341/gazimmfd.846641
IEEE Teke Budakli M,Yılmaz C "Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36, ss.1831 - 1846, 2021. 10.17341/gazimmfd.846641
ISNAD Teke Budakli, Merve - Yılmaz, Cüneyt. "Ayak bileği ve diz rehabilitasyonunda pasif egzersizler için stewart platform tabanlı robot tasarımı". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36/4 (2021), 1831-1846. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.846641