2209-B - Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme
Programı
Proje
Öneri Formu
Elektromiyografi
Kontrollü Robotik Ön Kol Protez Tasarımı ve Gerçeklemesi
Tematik
Alan: Ortopedik Teknoloji, Protez
Proje
Yürütücüsü: Caner EZEROĞLU
Danışman
Öğretim Üyesi: Yrd. Doç. Dr. İsmail TEMİZ
Proje
Çıktılarını Kullanmaya Talip Kuruluş: Bia Teknoloji Tıbbi Cihazlar Arge Müh. San. ve Tic. Ltd. Şti.
GENEL BİLGİLER
1.1.
PROJE BAŞLIĞI:
Elektromiyografi
Kontrollü Robotik Ön Kol Protez Tasarımı ve Gerçeklemesi
|
1.2.
PROJE YÜRÜTÜCÜSÜ:
Adı ve Soyadı
|
Caner Ezeroğlu
|
Üniversite
|
Marmara
Üniversitesi
|
Fakülte, Enstitü
veya Y.O.
|
Teknoloji Fakültesi
|
Bölümü
|
Mekatronik
Mühendisliği
|
E-Posta Adresi
|
caner.ezeroglu@gmail.com
|
1.
PROJE
HAKKINDA BİLGİLER
Projenin
Özeti:
Projede
kolun dirsekten ele doğru olan kısmını kaybetmiş hastanın elektromiyografi (EMG) kontrollü üst uzuv robotik protez kol
tasarımı ve kontrolü gerçekleştirilecektir. Protez kol hastanın hayatını daha
kolay yaşamasına yardımcı olacaktır.
El, ayak ve benzeri organ ya da vücut
parçasının kaybı durumunda, bu organ ve vücut parçasının işlevlerini kısmen
de olsa yerine getirecek olan organlara protez ismi verilir. Uzvunu kaybeden
kişilerin günlük hayatta karşılaştıkları zorlukların yanında, psikolojik
rahatsızlıklarda duyarlar. Oluşturulan protezler, yaşanılan zorlukları düşük
düzeyde tutabilmeye yarar.
Günümüzde prototip olmasının yanı sıra ürün
seviyesinde de yer alan modern robotik protezler, üzerinde çalışılması
gereken yeni teknolojilerdendir. Ülkemizde EMG tabanlı protez çalışmaları çok
sınırlı düzeydedir. İleri teknoloji ürünü olan bu protezler farklı
disiplinlerin ortak çalışmasını gerektiren bir konudur.
Şekil 1: EMG (Kas Hareketi Ölçüm Modülü)
EMG sinyalleri, kas kasılması sonucu ortaya
çıkan biyopotansiyel sinyallerdir (Şekil 1). EMG sinyalleri stokastik
(rastlantısal) bir yapı gösterir. Sinyalin genliği 0 ile 10mV (tepe noktaları
arası) ya da 0 ile 1.5mv (rms) arasında değişebilmektedir. Kullanılabilen
sinyal 50 ile 500 Hz frekans aralığında yer almaktadır [1]. Yüzey elektrotlarıyla yapılan
ölçümlerde kas grubu veya grupları ölçülebilir. Yüzeysel alınan elektronik
sinyaller Ataletsel Ölçü Birimi (IMU) kullanılarak sistemin hassasiyeti
arttırılıp hız, konum ve ivme bilgisi elde edilir. Protezin hareketi için bu
sayede kapalı çevrim oluşturma ve kontrolcü parametrelerinin ayarlanması daha
hassas biçimde yapılabilmektedir.
Şekil 2: IMU (Ataletsel Ölçü Birimi)
IMU çalışma sisteminde dönüölçer, ivmeölçer ve manyetometre yer almaktadır (Şekil
2). Bu algılayıcıların birleşmesiyle sistem hareketinde yönelim, hız ve
göreceli pozisyon gibi ölçümler tek bir ünite üzerinden
gerçekleştirilmektedir. İvmeölçerler üzerine düşen statik (yerçekimi) ve
dinamik ivmeleri ölçebilmektedir. İvmeölçerlerin bu özelliği hem bağlı olduğu
kısmın eğimini yer eksenine göre ölçmesi, hem de hareket algılayıcısı olarak
kullanılmasına imkan tanımaktadır. Bu sistemde elektronik dönüölçer
kullanılmaktadır. Elektronik dönüölçerler, mekanik dönüölçerler gibi ivmeye
bağlı değildir. Ataletsel ölçü birimlerinde genellikle bulunan
manyetometreler ise algılayıcının hassasiyetini arttırmak ve zamanla artan
ölçüm hatalarını düşürmek amacıyla da kullanılabilmektedir [2]. Sisteme Kalman filtresi gibi
çeşitli aktif filtreler de dahil edilebilir. Bu filtrelerin kullanılma
düşüncesi ataletsel algılayıcıların yapıları gereği zamanla artan ölçüm
hatalarına sebep olabilmesi ve EMG den alınan sinyallerin düzgünleştirmesine
olan gereksinimden gelmektedir. Bu filtreler ataletsel ölçü birimindeki
algılayıcıları ile birlikte kullanılarak zamanla artan dönüdeki ve
ötelenmedeki ölçüm hatalarını en düşük seviyeye çekebilmektedir. EMG de ise
algılanan işaretin protez kolu kontrol edebilmesi için anlamlı işaretlere
dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu aşamada Kalman filtresi gibi aktif filtreler
kullanılarak sinyaller düzgünleştirilir [3].
Şekil 3: EMG Sensörünün Kolda Çalışma
Yapısı
EMG den alınan işaretlerin genliği çok düşük
seviyelerde olduğundan dış kaynaklı gürültülere oldukça açık durumdadır. Sinyal
gürültüsünü düşük seviyelerde tutmak ve SNR değerini arttırmak amacıyla
diferansiyel yükselteçler (fark yükselteçleri) kullanılmaktadır. EMG
çalışmasında sinyallerin algılanması iki ayrı noktadan yapılmaktadır (Şekil
3). EMG sinyal işleme aşamasında bir fark
yükseltici, bant geçiren filtre ve sinyal doğrultucu kullanılır. Günümüz teknolojisinde uygulayacağımız
sinyal çıkartma işleminin yapımı çok güçtür. Fark yükselteçlerinin çıkartma
doğruluğu CMRR (ortak fark reddetme oranı) ile belirlenmektedir. Koldan
elektrotlarla alınan EMG sinyalleri fark yükseltici ile belirli bir kazanç
oranında yükseltilerek bant geçiren filtreden geçirilir. Bant geçiren filtre
ile elektronik devre elemanlarından, kol hareketinden ya da çeşitli çevresel
etkilerden kaynaklanan gürültü büyük oranda yok edilir. Elde edilen analog
sinyaller doğrultularak işlemcinin ADC ayrık zamanlı sinyallere çevrilir. Mikrokontrolör
gibi sinyal işleme kapasitesine sahip işlemcilerle anlamlı sinyaller elde
edilip kontrol döngüleri ve deyimleri kullanılarak eyleyicilere hareket
bilgileri iletilir. Protezin hareketi bu şekilde sağlanır.
Şekil 4: Vücut Yüzeyleri
Proje de dirsek üzerinden ampute
kişiye protez kol tasarımı gerçekleştirilecektir. Hastanın güdük kısmında
kalan biseps ve triseps kasları üzerinden EMG sinyalleri ile veri alınacaktır.
İki kasın ölçümü için iki kanal yüzeysel EMG probu kullanılacaktır [4]. Bisepsin kasılmasıyla birlikte
birinci EMG sensörü tetiklenir. Bu
sensörden alınan veri ile sagital düzlem üzerinde dirsek ekleminin dönüşü
sağlanır. Böylece hasta protez kolun sagital düzlem üzerinde yukarı ve aşağı
hareketlerini gerçekleştirebilecektir.
Protez kol bileği trisepsin kasılmasıyla da birlikte Coronal düzlem
üzerinde bir dönme işlemi gerçekleştirecektir.
Ülkemizde üretimi bulunmayan bu protezlerin
dünya çapında kullanımına başlanmıştır. Ülkemizde de etkin olarak
kullanılması gereken bu teknolojinin prototip uygulaması, projede
gerçekleştirilecektir.
Anahtar
Kelimeler: Üst Uzuv Robotik Protez Kol, EMG, IMU
|
2. MOTİVASYON
2.1.Projenin Amacı
Uzuv kaybı yaşamış insanlar günlük
aktivitelerini yerine getirirken güçlükler yaşar ve başka bireylere ihtiyaç
duyarlar. Bu nedenle özgürlükleri kısıtlanarak toplumdan kendilerini
soyutlarlar. Günümüzde kullanılan robotik olmayan protezler, insan uzvunun
işlevlerini yerine getirebilmekten çok uzaktırlar. Akıllı sistemlerle entegre
edilerek oluşturulacak bu protezler, kişilerin kendilerinin rahat bir şekilde
sosyal yaşamlarını sürdürebilmesini sağlayacaktır. Bu ürünlerde kullanılan
elektronik parçalar, sistemi karmaşık ve pahalı bir yapı haline getirirler.
Bu nedenle yabancı kaynaklı firmalardan çok pahalıya bulabildiğimiz bu
robotik protez kolları, ülkemizde kendi imkanlarımızla üretim çalışmalarını
gerçekleştirilmesi istenmektedir.
Oluşturacağımız robotik kol kolay kontrol
edilebilir, hafif ve maliyeti düşük olacaktır. Sistem karmaşıklığı en aza
indirilecektir. Konum algılayıcıları ve eyleyicilerle kontrol edilen,
değişken hasta parametrelerine uyum sağlayarak geniş hasta kitlelerine ulaşan
bir sistem oluşturulacaktır.
|
2.2.Çalışma Adımları
Bu proje mekanik, elektronik, kontrol ve yazılım
disiplinlerinin bir arada içerdiğinden projenin izleyebileceği bir plan
oluşturulmuştur. Proje de iki serbestlik derecesine sahip sistemin çalışma
isterlerinin belirlenmesinin ardından,
·
EMG
için yapılması gereken analog işaret manipülasyonlarının belirlenmesi,
·
EMG
için analog filtre ve ADC kartının hazırlanması,
·
EMG
için gerekli sayısal işaretleme algoritmalarının belirlenmesi,
İşlemleri gerçekleştirilecektir. Bu süreçte
yapılan EMG kartının tasarımının ardından,
·
Projenin
isterlerine ve EMG alt sistemine uygun işlemcinin belirlenmesi,
·
İşlemci
için IMU ve EMG entegrasyonun sağlanması,
·
Kontrol
ve sinyal işleme algoritmasının çıkartılması,
·
Kontrol
ve sinyal işleme algoritmasının seçilen işlemciye entegre edilmesi,
Gömülü sistemin oluşturulması sürecinin
ardından, mekanik sistemin tasarlanması ve kontrolcünün gömülü sistemle
entegrasyonun gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu süreçte,
·
Projenin
isterlerini karşılayan eyleyicilerin belirlenmesi,
·
Eyleyiciler
ve algılayıcılarla uyumlu kol protezinin tasarlanması
·
Elektronik
ve mekanik sistem entegrasyonunun tamamlanıp kontrolcünün sinyallere verdiği
tepkilerin doğrulanması,
·
Mekanik
ve elektronik sistemin uyum içinde çalışmasının ardından denemeler yapılması
ve parametrelerin iyileştirilmesi,
|
2.3.Proje Çıktısını Kullanmaya Talip
Olan Kuruluş
Bia
Teknoloji Tıbbi Cihazlar Arge Müh. San. ve Tic. Ltd. Şti. 2015 yılı Haziran
ayında robotik rehabilitasyon sistemleri üreten bir firma olarak faaliyet
yürütmek amacıyla Makine Mühendisi Kemal Eren Cengiz ve Makine Mühendisi
Hüseyin Ergin önderliğinde Sanayi Bakanlığı’ndan alınan Tekno Girişim Sermaye
Desteği ile İstanbul’da kurulmuştur. Şirkette şuan Makine Mühendisi Enes
Adanır ve Fizyoterapist Kamil Yılmaz ile birlikte dört kişi çalışmaktadır.
·
Şirketin Vizyonu: Medikal ve Rehabilitasyon
teknolojilerini; müşteri odaklı Ar-Ge çalışmaları ile ileriye taşıyarak,
dünya çapında bilinen ve yön belirleyen bir firma olmaktır.
· Şirketin Misyonu: Medikal
ve Rehabilitasyon Teknolojileri alanında müşterilerimizin ihtiyaç ve
beklentilerine uygun; uluslararası kalite standartları çerçevesinde ileri
teknoloji, ergonomik ve estetik ürünler üretmektir.
|
3.3.Proje Çıktısının Şirkete Katkısı
Bia Teknoloji ile gerçekleştireceğimiz bu
proje ile şirket gelecekte ürün yelpazesine katmayı düşündüğü robotik
protezlerin ön araştırmasına başlayacaktır. Hastanın kas sinyalleriyle
kontrol edeceği protez kolun çalışması incelenecek ve cihazların kullanımının
nasıl olacağı tartışılacaktır. EMG ile protez kolun kontrolünün kolaylaştırılması
sağlandığında, bu protez sistemlerinin ülkemizde üretilebilmesi, ülkemize
katma değer katmasının yanında kullanacak kişilerin topluma kazandırılması,
özgüvenlerinin arttırılması gibi olumlu sonuçlarda sağlanacaktır. Kendi
araştırma ve imkanlarımızla üretilecek protez ekonomik açıdan daha düşük
maliyetlere üretilecektir.
|
3.
PROJENİN
İÇERDİĞİ YENİLİK UNSURU
Bu proje
kapsamında gerçekleştirilecek robotik sistem prototipi, hem EMG kontrollü
protez kolların kullanımını araştırmak için kullanılabilecek hem de çeşitli
sensörler kullanılarak kontrolcü tasarımlarının denemelerinin yapılabileceği
bir sistem olacaktır.
Proje konusu ülkemizde üretimi ve kullanımı olmaması
sebebiyle ulusal yenilik kategorisine girmektedir. Uzvunu kaybetmiş insan
sayısının fazla olması ve robotik protezlerin araştırma konusu olarak güncel
bir problem olması sebebiyle proje konusunun ülkemiz adına katkısı ortadadır.
Projede geliştirilecek sistem ve yöntemler birçok
yeniliği beraberinde getireceğinden üretilecek sistemin faydalı model alma
potansiyeli yüksektir.
|
1.
PROJEDE
KULLANILAN YÖNTEM VE METODLAR
Şekil 5: Sistem Blok Diyagramı
Kontrolcü protezin konumuna göre gerekli
hareket değerlerini üretir ve geri beslemeyle dönen bilgilerin yönetimini
sağlar. Öncelikli olarak antropometrik veriler ışığında ve mevcut sistemler
incelenerek gerekli hasta parametreleri belirlenecektir. Prototip sistemin mekanik
tasarımı için CAD programı kullanılacaktır ve kavramsal tasarım
tamamlandıktan sonra parça malzemeleri bu aşamada belirlenecektir. Projemizde
EMG pedlerinden alınacak sinyallerin EMG kartlarına gönderilip işlendikten
sonra işlemcide protezin yöneteceği verilere çevrilir [5]. Protez yönetimi IMU’dan gelen
verilerle de eşlenip yorumlanarak, istenilen hareketin en iyi şekilde gerçekleştirilmesi
sağlanır. Kısaca; kaslardan alınan veriler bu sayede komut olarak algılanır.
Alınan komutlar protezin konumuna göre yorumlanarak oluşturulabilecek en iyi
protez yönetimi gerçekleştirilir.
|
1.
LİTERATÜR
TARAMASI
Bu çalışma sırasında IEEE explore, Science Direct ve
YÖK Tez Arşivi veri tabanlarında çeşitli anahtar kelimelerle arama yapılmıştır,
·
EMG
Controlled Prosthetic
·
Surface
Electromyography in Biomechanics
·
Recording
Electrical Signals from Human Muscle
·
IMU
Applications
·
EMG
Signal Filter
·
Microsensor
Issues for Mechatronics Systems
Bu
çalışmada; EMG sinyalinin genliği kullanılarak iki serbestlik derecesine
sahip protez kol sisteminin yapılması amaçlanmıştır. Tasarlanan protez
hareketleri doğru olarak kontrol edilmekle birlikte maliyeti de
düşürülecektir. Sistemimizde kullanılacak olan IMU teknolojisi üreteceğimiz
protez kolun diğer protez kollara göre kullanım kolaylığı sağlayacaktır.
Temel
protez denetim işlevini ayırt edebilmek için sinyal genliği, EMG frekans
karakteristiği, EMG model katsayıları gibi öznitelikler kullanılabilir.
Sınıflama amacı ile de doğrusal ayrım analizi, yapay sinir ağları ve bulanık
mantık gibi sınıflandırıcılar kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, öznitelik
olarak EMG sinyal genliği ve karar aşaması için eşik değerliği
kullanılacaktır. Bunun nedeni ise mikrokontrolör tabanlı sistemde
gerçeklemenin kolay olmasıdır.
|
2. KAYNAKÇA
1.
The Use of Surface Electromyography in
Biomechanics [1]
Carlo I. De Luca
1997 IEEE - Sayfa: 135-163
2.
CMOS
A/D Conventer Implementation for IMU Applications [2]
Ömer Lütfi Nuzumali
2013 YÖK Tez Arşivi
3.
Optimization
of Rule Weights and Membership Functions of Fuzzy Controller Using Extended
Kalman Filter [3]
Nasser
ARGHAVANI
2013
YÖK Tez Arşivi
4.
Gesture Based Universal
Controller Using EMG Signals [4]
Rishabh Berlia, Shubham Kandoi,
Sarthak Dubey, Theja Ram Pingali
2014 IEEE - Sayfa: 166-168
5. Sensor
Technologies and Microsensor Issues for Mechatronics Systems [5]
Ren C. Luo
1996 IEEE - Sayfa: 39-49
|
