Design, development, and control of an active transfemoral prosthesis
Aktif transfemoral protezin tasarımı, geliştirilmesi ve kontrolü
- Tez No: 1017512
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN UNAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Mekatronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Mechatronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Transfemoral amputasyon, bireylerin hareket kabiliyetini, bağımsızlığını ve yaşam kalitesini önemli ölçüde etkilemekte; günlük yaşam aktiviteleri sırasında metabolik enerji harcamasını artırmakta ve kompansatuvar yürüme paternlerine yol açmaktadır. Bu zorluklar, özellikle merdiven çıkma gibi yüksek mekanik güç gerektiren görevlerde daha belirgin hale gelmektedir. Pasif protezler enerji depolayabilmelerine rağmen, biyolojik eklemlere benzer şekilde net pozitif mekanik iş üretememeleri nedeniyle bu tür görevlerde sınırlı kalmaktadır. Özellikle diz ve ayak bileği eklemlerinde yeterli enerji üretilememesi; asimetrik hareket paternlerine, yürüme performansında azalmaya ve amputelerde fiziksel yükün artmasına neden olabilmektedir. Bu sınırlılıkları gidermek amacıyla, bu tezde biyomekanik performansı artırmayı, aktüatör gereksinimlerini azaltmayı ve fonksiyonel hareketliliği geliştirmeyi hedefleyen verimli robotik alt ekstremite protez sistemlerinin tasarımı, geliştirilmesi ve değerlendirilmesi ele alınmıştır. İlk olarak, transfemoral robotik diz protezleri için enerji verimliliği yüksek aktüasyon kavramları incelenmiştir. Merdiven çıkma görevi için doğrudan tahrik, seri elastik aktüatör ve paralel elastik aktüatör kavramlarının karşılaştırmalı analizi gerçekleştirilmiş; aktüatör ağırlığı, mekanik verimlilik, karmaşıklık, geri sürülebilirlik ve atalet açısından daha etkili bir çözüm belirlenmeye çalışılmıştır. Bu analiz doğrultusunda, aktüatör tarafından üretilen kuvveti diz eklemine verimli biçimde aktaran mekanizma destekli motorlu yay yapısına sahip yeni bir robotik diz protezi olan Rnee önerilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen tasarımın geleneksel kavramlara kıyasla aktüatör ağırlığını belirgin biçimde azalttığını ve kapsamlı bir değerlendirme çerçevesine göre üstün genel performans sunduğunu göstermiştir. Kavramsal tasarımın ardından, tez kapsamında Rnee protezinin ayrıntılı tasarımı, geliştirilmesi ve fonksiyonel değerlendirmesi sunulmuştur. Diz eklemi etrafında mekanik gücün verimli şekilde üretilmesi amacıyla, Rnee tasarımında motorlu yay ile bütünleştirilmiş bir krank mekanizması kullanılmıştır. Hafif ve kompakt bir yapı elde etmek için kompozit malzemelerden yararlanılmış; böylece geliştirilen protez, literatürde bildirilen en hafif robotik diz protezinden daha hafif ve ortalama insan diz boyutlarından daha küçük olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sistem, günlük kullanım için yeterli hareketlilik sağlayacak biçimde tasarlanmış; lityum-iyon batarya kapasitesi ile uzun süreli yürüme ve merdiven çıkma performansı hedeflenmiştir. Sağlıklı bir katılımcı ile gerçekleştirilen fonksiyonel değerlendirmeler, Rnee'nin sürekli yürüme çevrimlerini gerçekleştirebildiğini, merdiven çıkma görevini başarıyla yerine getirdiğini ve diz kinematiğinin doğal yürüyüş ile yüksek benzerlik gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca protezin, merdiven çıkışı için gerekli torkun büyük bölümünü üretebildiği gösterilmiştir. Tezde ayrıca, enerjiyi verimli şekilde depolayıp geri verebilen ve frontal düzlem uyumunu artıran, hafif yapıda iki serbestlik dereceli robotik ayak bileği protezi Ankatron sunulmuştur. Ankatron'un tasarımı, sağlıklı bireylerin düz zemin yürüyüşü sırasında elde edilen ayak bileği kinematik ve kinetik verilerine dayalı biyomekanik ölçütler temel alınarak oluşturulmuştur. Protez; doğal ayak bileği fonksiyonunu taklit edebilmek amacıyla uygun sagittal düzlem hareket açıklığı, farklı yürüme koşulları için yeterli plantar fleksiyon torku, geç duruş fazında yüksek itme gücü ve mediolateral stabiliteyi artırmak için kontrollü inversiyon/eversiyon hareketi sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu biyomekanik gereksinimler; yay rijitliklerinin belirlenmesine, motor seçimine ve hem ayak bileği hem de inversiyon/eversiyon mekanizmasının geometrisinin tanımlanmasına temel oluşturmuştur. Sonuç olarak günlük kullanıma uygun, kompakt ve fonksiyonel bir robotik ayak bileği protezi geliştirilmiştir. Son olarak, motorlu ayak bileği protezi için ataletsel algılama ve derin öğrenme tekniklerine dayalı kestirimci bir kontrol çerçevesinin geliştirilmesi ve gerçek zamanlı uygulanması sunulmuştur. Bu kapsamda, hem donanım hem de yazılım geliştirme çalışmaları yürütülmüş; IMU entegrasyonu, sinyal elde etme, model eğitimi ve gömülü sisteme aktarma süreçleri gerçekleştirilmiştir. Gerçek zamanlı kontrol amacıyla alt bacak oryantasyon verilerini elde etmek üzere MPU6050 ataletsel ölçüm birimi Raspberry Pi 3 ile entegre edilmiş; daha önce kullanılan BNO055 sensörü ise güvenilirlik ve yazılım entegrasyonu kısıtları nedeniyle değiştirilmiştir. Ataletsel verilerden ayak bileği açısı ve momentini tahmin etmek amacıyla evrişimsel sinir ağı, uzun kısa süreli bellek ve hibrit CNN-LSTM modelleri geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Bu çerçeve, giyilebilir algılama ve veri odaklı tahmin yöntemleri kullanılarak robotik protezler için akıllı, gömülü ve gerçek zamanlı kontrolün uygulanabilirliğini göstermektedir. Sonuç olarak bu tez, robotik alt ekstremite protezlerinin kavramsal tasarımı, mekanik geliştirilmesi, fonksiyonel değerlendirilmesi ve akıllı kontrolü üzerine bütüncül bir çalışma sunmaktadır. Enerji verimliliği yüksek aktüasyon yaklaşımlarını, hafif ve kompakt mekanik tasarımları, biyomekanik temelli ayak bileği protezi geliştirmeyi ve derin öğrenmeye dayalı kestirimci kontrolü bir araya getiren bu tez, transfemoral amputelerin hareket kabiliyetini artırmayı, fiziksel yükünü azaltmayı ve yaşam kalitesini iyileştirmeyi amaçlayan uygulanabilir robotik protez sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Transfemoral amputation significantly affects mobility, independence, and quality of life, often increasing metabolic energy expenditure and leading to compensatory gait patterns during daily activities. These challenges become more pronounced in demanding tasks such as stair climbing, where passive prostheses are limited by their inability to generate net positive mechanical work comparable to that of biological joints. In particular, the lack of sufficient energy generation at the knee and ankle joints may result in asymmetrical movement patterns, reduced walking performance, and increased physical burden on amputees. In response to these limitations, this thesis focuses on the design, development, and evaluation of efficient robotic lower-limb prosthetic systems aimed at improving biomechanical performance while reducing actuator demands and enhancing functional mobility. First, the thesis investigates energy-efficient actuation concepts for transfemoral robotic knee prostheses. A comparative analysis of direct drive, series elastic actuator, and parallel elastic actuator concepts for the stair-climbing task is conducted to identify a more effective solution in terms of actuator weight, mechanical efficiency, complexity, backdrivability, and inertia. Based on this analysis, a novel robotic knee prosthesis, named Rnee, is proposed using a mechanism-assisted motorized spring concept to transfer actuator-generated force efficiently to the knee joint. The results demonstrate that the proposed design substantially reduces actuator weight compared with conventional concepts and achieves superior overall performance according to a comprehensive scoring framework. Following the concept development, the thesis presents the detailed design, development, and functional evaluation of the Rnee prosthesis. To generate mechanical power around the knee joint efficiently, the Rnee incorporates a crank mechanism integrated with a motorized spring. Composite materials are employed to achieve a lightweight and compact structure, resulting in a prosthesis lighter than the lightest robotic knee prosthesis reported in the literature and smaller than the average human knee dimensions. In addition, the system is designed to provide sufficient mobility for daily use, with a Li-ion battery capacity enabling extended walking and stair-climbing operation. Functional evaluation with an able-bodied participant demonstrates that the Rnee can perform continuous gait cycles and successfully accomplish stair climbing, while its knee kinematics show a strong resemblance to natural gait. The prosthesis is also shown to generate most of the torque required for stair ascent. The thesis further introduces Ankatron, a lightweight two-degree-of-freedom robotic ankle prosthesis designed to store and return energy efficiently while improving frontal-plane adaptability. The design of Ankatron is established based on biomechanical criteria derived from the kinematics and kinetics of healthy individuals during level walking. The prosthesis is intended to replicate natural ankle function by providing an appropriate sagittal-plane range of motion, sufficient plantarflexion torque for different walking conditions, substantial push-off power during late stance, and controlled inversion/eversion capability to enhance mediolateral stability. These biomechanical requirements guide the determination of spring stiffness, motor selection, and the geometry of both the ankle and inversion/eversion mechanisms, resulting in a compact and functionally capable ankle prosthesis suitable for everyday use. Finally, the thesis presents the development and real-time implementation of a predictive control framework for a powered ankle prosthesis using inertial sensing and deep learning techniques. This part of the work includes both hardware and software development, encompassing IMU integration, signal acquisition, model training, and embedded deployment. An MPU6050 inertial measurement unit is integrated with a Raspberry Pi 3 to obtain shank orientation data for real-time control, replacing the previously used BNO055 sensor due to reliability and software integration limitations. To estimate ankle joint angle and moment from inertial signals, a convolutional neural network, long short-term memory, and hybrid CNN-LSTM models are developed and implemented. This framework demonstrates the feasibility of intelligent, embedded, real-time control for robotic prostheses using wearable sensing and data-driven estimation methods. Overall, this thesis contributes a unified body of work on the conceptual design, mechanical development, functional evaluation, and intelligent control of robotic lower-limb prostheses. By combining energy-efficient actuation concepts, lightweight and compact mechanical designs, biomechanically informed ankle prosthesis development, and deep learning-based predictive control, the thesis advances the development of practical robotic prosthetic systems aimed at improving mobility, reducing physical effort, and enhancing the quality of life of transfemoral amputees.
Benzer Tezler
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Kam yapma aparatı
Cam milling attachment
ORHAN UZUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN
- Osilaskoplar için dijital hafıza ünitesi sentezi
Başlık çevirisi yok
ZİHNİ LİMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Helisel yayların statik karakteristiklerini ölçme ve kontrol etme cihazının tasarımı ve imalatı
Design and manufacture of a device measuringand controlling the static characteristics of helical springs
MUAMMER MUSULLUOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN
- Sonbahar sera yetiştiriciliğine uygun hıyar çeşit seçimi
Selecting a cucumber variety suitable for glasshouse production in Autumn
MESUT OKTAY