Design, implementation and BCI-based control of a series elastic mobile robot for home-based physical rehabilitation
Evde kullanılabilen seri elastik mobil rehabilitasyon robotunun tasarımı, uygulaması ve beyin-bilgisayar arayüzü tabanlı kontrolü
- Tez No: 387830
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU, DOÇ. DR. MÜJDAT ÇETİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde üst uzuvların robot destekli masa üstü rehabilitasyonunda kullan ılmak üzere, seri elastik holonomik gezgin platform AssistOn-Mobile'ın tasarı m ını , kontrolünü ve insan etkileşimi için kullan lan arayüzünü sunmaktay ız. AssistOn-Mobile, dört aktif Mecanum tekerlekli holonomik gezgin platform tabanlı , çok serbestlik dereceli seri elastik eyleyici olarak tasarlanmıştı r. Gezgin tabanı sayesinde kompakt ve taşınabilir olan bu cihaz, insan kolunun ulaşabileceği çal ışma alanı nda dönme ve ilerleme hareketlerini bağı msı z yapabildiği gibi tüm yatay uzanma hareketlerini de gerçekleştirebilir. Mekanum tekerlekler yüzünden pasif olarak geri sürülebilir olmayan bu cihaz , düşük maliyetli, esnek mekanizma tabanlı , çok serbestlik dereceli seri elastik eleman kullanarak seri elastik eyleyiciye dönüştürdük ve sisteme aktif geri sürülebilirlik kazand ırd ık. Seri elastik eyleyiciye sahip holonomik platform, yüksek maliyetli kuvvet sensörlerine olan ihtiyac ı ortadan kaldı rmakta ve yüksek kazan ımlara sahip kapalı döngü kuvvet kontrolü uygulamas ına olanak tan ımaktad r. Aynı zamanda sistemin pasif empedans ını düşürüp darbelere karşı sistem gürbüzlüğünün artmas ın ı da mümkün kı lmaktad ır. AssistOn-Mobile'ı n kontrolü için, aktif geri sürülebilirliği sağlayan admitans kontrolörüne ek olarak, rota takip etme uygulamaları için pasif hı z alan kontrolörü (PVFC) de sentezledik. PVFC, takip edilmesi istenilen rotayı ve rotayı tamamlamak için gereken zaman ı birbirinden ay rmakta ve rota hatalar ın ı küçültmektedir. Ayn zamanda, döngü içerisinde insan da olan sistemin d ışarı dan uygulanan kuvvetlere karşı pasif olmas ını sağlayarak, toplam sistemin kararl ılığı nı garanti etmektedir. AssistOn-Mobile hasta ile robotun sadece sonland ırı cı da fiziksel etkileşim içinde olması üzere tasarlandığı ndan, egzersizler s ıras nda hastaları n telafi edici hareketlerini (örneğin, eğilme hareketi) engelleyememektedir. Terapi sı ras nda istenmeyen bu hareketleri limitlemek için, Kinect (RGBD) sensörü ile hastalar n omuz hareketlerini anlı k olarak takip edilmiş ve AssistOn-Mobile'ı n hı zı bu ölçümlere göre değiştirilerek hastalara anl ık geri besleme verilmiştir. Bu kontrolörlerin kullanı m ı sayesinde AssistOn-Mobile, hastalara yatay düzlemde çok yönlü hareketleri gerekli miktarda destek veya direnç göstererek gerçekleştirebilen, kuvvet kontrolörlü ve geri sürülebilir bir robot ara yüzü haline getirilmiştir. Ağı r sakatlı kları bulunan hastalar ın (örneğin sakatl ıktan etkilenmiş kolu ile hiç bir hareketi gerçekleştiremeyen hastalar veya omurilik rahatsı zlı klar ı bulunan hastalar) AssistOn-Mobile ile etkileşimlerini mümkün k ılabilmek ve bu hastalara da ihtiyaç duydukları kadar destek verebilen rehabilitasyon protokollerini uygulayabilmek amac ı ile Elektroensefalogro (EEG) tabanlı Beyin-Bilgisayar Arayüzleri (BBA) sisteme entegre edilmiştir. Bu tezde; hastalar ın hareketi ne kadar gerçekleştirmek istedikleri BBA taraf ından görüntülenerek robot destekli rehabilitasyon egzersizlerinin h ız ını n sürekli olarak değiştirildiği sistematik bir yaklaşı m sunulmuştur. Bir uygulamada, LDA s ınıfl and ır ıcı sı ndan gelen bilgilerin ardı l olası lı kları nı sürekli değerli sonuç verecek şekilde hesaplayarak PVFC'nin hı z katsayı sı nı değiştirecek şekilde kullanı lmıştı r. Böylece, AssistOn-Mobile' ın PVFC sayesinde belirlenen rotayı takip edeceği hı z, hastalar ın hareketi gerçekleştirme isteği doğrulusunda değiştirilmiştir. Sunmuş olduğumuz hareket h ızını n çevrimiçi değiştirildiği BBA tabanlı rehabilitasyon yönteminin etkinliğini, sağlı klı gönüllülerin kat ld ığı insanl ı deneyler ile gözlemledik. Bu deneylerde, sunmuş olduğumuz yöntemi mevcut BBA tabanl ı sanal gerçeklik ve robot destekli rehabilitasyon teknikleri ile karşılaştı rdı k. Bu insan deneylerinin sonuçları gösterdi ki, sunmuş olduğumuz robot destekli BBA sistemi, hastaları n rehabilitasyon egzersizlerine daha fazla katı lı m göstermesini sağlamakla beraber rehabilitasyon protokolünde hastalar ın aktif olmas ını garanti etmektedir. Bu deneyin sonucunda, hastalara terapi sı ras ında verilen robotik geri beslemenin istatistiksel önemini gözlemledik. Ayr ca, BBA sistemini hareketi başlatmak yerine düzenli olarak kullanman ın daha tercih edilebilir olduğu sonucuna vard ık. Son olarak, sonuçları mı z, önerdiğimiz BBA yöntemi ile kullan ıc ıları n hareketi fiziksel ve aktif gerçekleştirmeleri aras nda beyin aktivitesi açı sı ndan istatistiksel bir fark olmadığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
We present the design, control and human-machine interface of AssistOn-Mobile, a series elastic holonomic mobile platform aimed to administer therapeutic table-top exercises to patients who have suff ered injuries that aff ect the function of their upper extremities. AssistOn-Mobile is designed as a multi-DoF series elastic actuator based on a holonomic mobile platform consisting of four actuated Mecanum wheels. Thanks to its mobile base, it is a compact and portable device that can cover whole human workspace for planar reaching exercises. Even though the mobile platform is not passively backdriveable due to the Mecanum wheels, a low-cost, compliant mechanism based, multi-DoF series elastic element is introduced to transform the holonomic mobile platform into a series elastic actuator and to ensure actively backdriveability of the overall system. Implementation of series elastic actuation results in many advantages, such as eliminating the need for costly force sensors, improving the performance of force control, and increasing the impact resistance and robustness of the overall system. For the control of AssistOn-Mobile, in addition to admittance controllers used for active backdriveability, passive velocity field control (PVFC) is implemented for contour following tasks. PVFC minimizes the contour error by decoupling the task (path tracking) and the timing of the task, while also ensuring the coup -led stability of the human -in-the-lo op system by rendering the system passive with respect to externally applied forces. Furthermore, since AssistOn-Mobile is an end-e ector typ e device, patients' shoulder movements are continually tracked utilizing a Kinect (RGBD) sensor such that compensatory movements of the patients (e.g, leaning) are limited by providing online feedback to the patients (for in stance, by modulating the speed of the contour tracking task). With these controllers in place,AssistOn-Mobile becomes a highly backdriveable, force-controlled robotic interface that can provide required amount of assistance/resistance to patients, while performing omni-directional movements on a plane. To enable patients with severe disabilities (e.g., spinal cord injury patients with no residual movements on their aff ected limb) to interact with AssistOn-Mobile and to provide assist-as-needed rehabilitation protocols to such patients, we introduce a systematic approach for online modi cation of robot assisted rehabilitation exercises by continuously monitoring intention level s of patients utilizing an electroencephalogram (EEG) based Brain-Computer Interface (BCI). In one implementation , we utilize posterior probabilities extracted from an LDA classifi er as the continuous-valued outputs to PFVC. This way, PVFC modulates the speed of contour following tasks with respect to intention levels of motor imagery. The effi cacy of our proposed robotic BCI framework with online modi cation of task speed is investigated by a set of human subject experiments with healthy volunteers. In particular, our approach is compared with the existing BCI-based virtual reality and robot-assisted rehabilitation techniques. Within this experiment, we have collected statistically signifi cant evidence of the bene cial eff ect of the hap-tic feedback during the mental imagery of subjects. Results also indicate that using BCI continuously rather than to initialize the movement only may b e preferable to ensure active participation of patients throughout the therapy. Finally, using the proposed BCI-based rehabilitation protocol shows no statistically signifi cant di fference in terms of mental imagery activity, compared to the rehabilitation protocol where the subjects are actively performing the real movement.
Benzer Tezler
- Beyin bilgisayar arayüzü ile DC motorun hız ve yön kontrolünü sağlayan iletişim sisteminin tasarım ve gerçeklenmesi
Design and implementation of a communication system that provides speed and direction control of DC motor with brain computer interface
CANER GEZGEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriKocaeli ÜniversitesiElektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF KAÇAR
- Ortam kontrol uygulamasına yönelik p300 tabanlı asenkron beyin bilgisayar arayüzü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of p300 based asyncronous brain computer interface for environment control applications
EDA AKMAN AYDIN
Doktora
Türkçe
2015
Bilim ve TeknolojiGazi ÜniversitesiElektronik ve Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. İNAN GÜLER
- Hücresel nöral ağlar ve uygulamaları
Cellular neural networks and applications
SEVİLAY ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. I. CEM GÖKNAR
- EEG sinyallerinin sınıflandırılarak beyin-bilgisayar arayüzü tabanlı bir sistem otomasyonunun gerçekleştirilmesi
Implementati̇on of system automati̇on based on brai̇n-computer interface by classi̇fyi̇ng of EEG si̇gnals
NEVZAT OLGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER GÖKBULUT
- Dikkat dağınıklığı üzerine bir beyin bilgisayar arayüzü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a brain computer interface over attention deficit
BAHAR ULUSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Bilim ve TeknolojiSakarya ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BÜLENT ÇOBANOĞLU