2209-B Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme Programı Sağlamış Projem; Elektromiyografi Kontrollü Robotik Ön Kol Protez Tasarımı ve Gerçeklemesi

                                                                                                               

                                                                                                               

           

 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