A novel suspended-load backpack with manually adjustable impedance to reduce metabolic cost of carrying loads
Yük taşıma metabolik maliyetini azaltmak için manuel olarak ayarlanabilir empedansa sahip yeni bir askıda yük sırt çantası
- Tez No: 691828
- Danışmanlar: PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yük taşıma, günlük hayatta rutin faaliyetlerin kaçınılmaz bir parçasıdır. Taşınan yüklerden kaynaklanan ek ağırlık ve atalete bağlı kuvvetler, hareket sırasında artan metabolik maliyete yol açar. Daha da önemlisi, kas-iskelet sistemi üzerindeki tekrarlayan yüklere sürekli maruz kalmak uzun süreli yaralanmalara neden olabilir. Yürüme sırasında yük taşıyan kullanıcının enerji verimliliğini artırmanın bir yolu olarak, asılı yük sırt çantaları önerilmiştir. Asılı yük sırt çantaları, yük taşıma sırasında yalnızca maksimum reaksiyon kuvvetlerini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda taşınan yük ile insan gövdesi arasında faz dışı bir hareket oluşturarak kuvvetlerin yürüyüş döngüsü içindeki zamanlamasını da değiştirir. Asılı yük sırt çantalarının tipik uygulamaları, çok esnek ve düşük sönümlemeli bir süspansiyona dayanır. Bununla birlikte, düşük sertlikteki süspansiyonlar, yüksek yükler altında aşırı deplasmanlara maruz kaldığından bu süspansiyonların etkinliği, nispeten dar bir faydalı yük ve yürüme hızı aralığı ile sınırlıdır. Bu nedenle asılı yüklü sırt çantalarının etkili bir şekilde uygulanması zordur. Bu çalışmada, inerterle donatılmış ve manuel olarak ayarlanabilen empedans özellikleri gösteren özgün bir asılı yük sırt çantasının tasarımını, uygulamasını ve insanlı deneyler ile değerlendirmelerini sunuyoruz. Sırt çantasının temelini oluşturan pasif \hyphenation{süspansiyon-un} ayarlanabilir empedansı, çok çeşitli yüklerde ve yürüme hızlarında yük taşımanın metabolik maliyetini etkin bir şekilde azaltmayı amaçlamaktadır. Önerilen pasif süspansiyon, iki farklı yaklaşıma dayanmaktadır. Bir yandan, süspansiyon esnekliğini arttırmak için eksenel yüklü kirişlerin negatif enine sertlik özelliği kullanılır, çünkü bu yöntem sayesinde çok yüksek esneklik seviyelerine ulaşılabilir. Aynı zamanda sistemin mekanik bütünlüğü ve yük taşıma kapasitesi de korunabilir. Öte yandan, sisteme önemli seviyede ağırlık eklemeden etkin ataleti artırmak için yük ile çerçeve arasına bir inerter yerleştirilir. Her iki stratejinin aynı anda kullanılmasıyla, çok çeşitli yükler ve yürüme hızları üzerinde uygun filtreleme özelliklerine sahip verimli ve kompakt bir tasarım elde edilmiştir. Önerilen sırt çantası tasarımının yürüyüş sırasında metabolik maliyeti düşürme üzerindeki etkinliği, bir dizi insanlı deneyle doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
Load carriage is an unavoidable part of routine activities in daily life. The additional weight and inertial forces due to carried loads lead to increased metabolic cost during locomotion. More importantly, sustained exposure to repetitive loads on the musculoskeletal system may lead to long-term injuries. Suspended-load backpacks have been proposed as a means to enhance the energy efficiency of the load carriage during walking. Suspended-load backpacks not only decrease peak reaction forces during load carriage, but also modify their timing within the gait cycle, by establishing an out-of-phase movement between the carried load and the human torso. Typical implementations of suspended-load backpacks rely on a highly compliant suspension with low damping. However, effective implementation of suspended-load backpacks is challenging, as low stiffness suspensions result in excessive deflections under high loads, and the effectiveness of these suspensions is limited to a relatively narrow range of payloads and walking speeds. In this work, we present the design, implementation, and human subject evaluations of a novel suspended-load backpack that features an inerter as well as a manually adjustable impedance. The adjustable impedance of the underlying passive suspension of the backpack aims to effectively reduce the metabolic cost of load carriage over a large range of payloads and walking speeds. The proposed passive suspension relies on two distinct approaches. On the one hand, the negative transverse stiffness characteristic of axially loaded beams is utilized to decrease the effective suspension stiffness, as this method can ensure mechanical integrity and load-bearing capabilities of the system, while achieving very low stiffness levels. On the other hand, an inerter is introduced between the load and the frame to increase effective inertia without adding significant weight to the system. The simultaneous use of both strategies results in efficient and compact designs with appropriate filtering characteristics over a large range of payloads and walking speeds. The effectiveness of the proposed backpack design on the metabolic cost reduction during walking is verified through a set of human subject experiments.
Benzer Tezler
- Askıda yük taşıyan dört rotorlu İHA sistemlerinin modellenmesi ve sonlu/sabit zamanlı adaptif kayan kipli kontrolcü tasarımı
Modeling of quadrotor UAV systems carrying a suspended payload and design of finite/fixed time adaptive sliding mode controller
ÖZHAN BİNGÖL
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErzurum Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HACI MEHMET GÜZEY
- Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle
Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü
MEHMET OKAN GÜNEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
- A high-performance NEMS force sensor
Yüksek performanslı NEMS kuvvet sensörü
MASOUD JEDARI GHOURICHAEI
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDEM ALACA
- A novel method for 2-18 GHz switched multiplexer design
2-18 GHz anahtarlanabilir çoğullayıcı tasarımı için yeni bir yöntem
BÜLENT ALICIOĞLU
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVZAT YILIDIRM
- Restoring underwater images from turbidity and motion blur – a three-step framework
Bulanıklık ve hareketten etkilenmiş sualtı görüntülerinin iyileştirilmesi – üç adımlı bir yaklaşım
FATIMA IQBAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEHÇET UĞUR TÖREYİN
PROF. DR. SERHAT KÜÇÜKALİ