Kuvvet kontrollü elastik aktivatör tasarımı ve aktif kontrollü alt ekstremite protezlerinde uygulanması

Abstract

ÖZET Bacak protezleri alt ekstremite ampütasyonları sonrasında yaygın olarak kullanılmakta olan yardımcı ortopedik araçlardır. Modüler elemanların bir araya getirilmesiyle üretilen bu yardımcı araçlar pasif yapıda olmaları sebebiyle kendilerinden beklenen işlevleri tam olarak yerine getirememektedirler. Bu tip protezlerle anormal pozisyonlara düşmeden merdiven çıkabilmek veya salınma fazında diz eklemi rijitliğini ayarlayabilmek oldukça güçtür. Yüksek metabolik enerji tüketimi gerektirmesi ve yeterli yürüyüş simetrisi sağlayamaması da pasif protezlerin eksikliklerindendir. Projede kuvvet kontrollü bir elastik aktivatörün tasarımı ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu elastik aktivatör, servo motorla sürülen bilyalı vida somununun doğrusal hareketinin elastik bir eleman üzerinden yüke iletilmesi prensibine dayanmaktadır. Motor konumu ve yay deplasmanı ölçülerek kuvvet kontrollü bir sistem oluşturulmuştur. Aktivatörün testleri için oransal basınç kontrol valfi içeren pnömatik bilek eklemi simülatörü tasarlanmış ve üretilmiştir. Birisi diz altı protezi ve diğeri diz üstü protezi olmak üzere, iki protezin tasarımı ve üretimi gerçekleştirilerek bu protezlerde bulunan yapay ayak bileği ve diz eklemlerin kontrolü elastik aktivatörlerle sağlanmıştır. Bu protezleri kullanan kişilerle test çalışmaları yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Elastik aktivatör; Aktif diz altı protezi; Aktif diz üstü protezi; Ayak bileği eklemi; Diz eklemi; Rehabilitasyon.

ABSTRACT Leg prostheses are assistive orthopedic devices commonly used after lower extremity amputation operations. These devices manufactured by orthopedic firms with modular components are mostly insufficient for providing the expected functions properly due to their passive structure. They can not respond to the needs of daily living activities of many amputees. It is difficult to climb stairs with natural posture, and to adjust the joint stiffness with these type prostheses. High metabolic energy consumption and absence of gait symmetry are also some of the insufficient properties of passive prostheses. Design and prototype manufacturing of a force controlled elastic actuator was realized in this project. The main idea of this actuator is to transfer the linear motion of ball-screw nut driven by servomotor to the load through the elastic element. A force-controlled system was generated by measuring the displacement of the springs with a linear potentiometer. Pneumatic ankle joint simulator consisting of proportional air pressure valve was also designed and produced in order to perform tests of elastic actuator. At the next stage of project, production of two lower extremity prostheses, one is below-knee and the other is above-knee prosthesis, were realized. Control of the artificial ankle and knee joints of these two prostheses was provided with the elastic actuator mechanism. Walking experiment was performed with an amputee using above-knee prosthesis. Keywords: Elastic actuator; Active below-knee prosthesis; Active above-knee prosthesis; Ankle joint; Knee joint ; Rehabilitation.