Paralel mekanizmalı ayak bileği rehabilitasyon robotu üzerinde kontrol stratejilerinin geliştirilmesi ve uygulanması

Abstract

Klinik rehabilitasyon tedavisinde kullanılan yardımcı robotların modellenmesi ve tasarımı ile ilgili literatürde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda robotun dinamik yapısı, modellenmesi, kinematik denklemlerinin çıkarılması üzerinde durulduğu, sistemin denetiminin ağırlıklı olarak geleneksel denetleyiciler ile gerçekleştirildiği görülmektedir. Bu tez kapsamında paralel mekanizmalı bir ayak bileği rehabilitasyon robotu geliştirilerek farklı rehabilitasyon egzersizleri için kullanılacak olan kontrol stratejileri irdelenmiştir. Yörünge takibinde insan-robot etkileşiminin bozucu etkilerini en aza indirmek için optimize edilmiş farklı tür denetleyiciler önerilmiştir. Ayrıca, rehabilitasyon robotunun hastaya uygulayacağı destek/direnç seviyesini hastanın sakatlık seviyesine göre ayarlanabilmesi için bulanık mantık tabanlı adaptif admitans kontrol düzeneği önerilmiştir. Parçacık sürü optimizasyon ve guguk kuşu arama algoritmaları kullanılarak optimize edilen PID, kesir dereceli PID ve bulanık mantık denetleyiciye ek olarak periyodik referans yörüngelerde başarılı sonuç veren tekrarlamalı denetleyici de tasarlanmış ve hata tabanlı performans ölçme yöntemleri kullanılarak denetleyici performansları insan-robot etkileşiminin bozucu etkisi altında incelenmiştir. Ek olarak, hem adaptif admitans kontrol düzeneği hem de statik admitans kontrol düzeneği ile yapılan deneylerde bulanık mantık tabanlı adaptif admitans kontrol düzeneğinin etkinliği ortaya konulmuştur. Studies on modelling and designing of auxiliary robots used in clinical rehabilitation therapy have been done in literature. In these studies, dynamic structures, modelling and kinematic equations of the robot were featured and the control of the systems were realized by using traditional controllers. In this thesis, a parallel mechanism auxiliary ankle rehabilitation robot was designed and control strategies for different rehabilitation exercises were proposed. Different type optimized controllers were designed to minimize the disturbing human effect in trajectory tracking. In addition, a fuzzy logic based adaptive admittance control scheme was proposed to adapt resistance/assistance level provided by the robot according to the patients'disability level. Optimized fuzzy logic, fractional order PID and PID controllers were designed using both particle swarm optimization and cuckoo search algorithms. Additionally, repetitive controller which is suitable for periodic reference trajectories were designed and the performances of all controllers were compared using error-based performance indexes under disturbing effect of robot-human interaction. Furthermore, the effectiveness of the proposed fuzzy logic based admittance control scheme was observed in the experimental results, which were carried out using both adaptive admittance control scheme and static admittance control scheme.