Manipulandumun Dinamik Çözümü, Empedans Kontrolcü Tasarımı ve Protatiplenmesi

Abstract

Bu tezde, insanın üst koluyla etkileşime giren manipulandumun dinamik çözümünü, kontrolcü tasarımını, model simülasyonunu ve simülasyon sonuçlarını açıklamaktadır. Bu alandaki manipulandum tasarımı, insanın motor öğrenme becerilerini anlamak için insan-makine etkileşimi deneylerinde kullanılmaktadır. Tıp alanında deney konusu ele alınırken, uygun manipulandum tasarımı mühendislik alanının konusudur. Bu makalede cihazın mühendislik özellikleri değerlendirilmiş, matematiksel modeli elde edilmiş, dinamik model simülasyonu yapılmış ve kontrol elemanları incelenmiş ancak bu cihazın tıp bilimine hizmet eden deneysel kullanımı bu bağlamda ele alınmamıştır. Manipulandum için konsept tasarım yapılmış ve buna göre kinematik model oluşturularak manipulandumun hareket parametreleri elde edilmiştir. Euler Lagrange Metodu (ELM) ile elde edilen dinamik model, Simulink ortamında Simulink Simscape Multibody (SSM) ile elde edilen sistem modeli ile karşılaştırılmış; Model parametrelerinin (sürtünme katsayıları, eylemsizlik momenti vb.) tutarlılığı karşılıklı olarak kontrol edilmiştir. İnsan-manipulandum etkileşimi için empedans kontrolcüsü tasarlanmıştır. Kontrolörcünün her iki dinamik model üzerindeki başarısı incelenerek sonuçlar değerlendirilmiştir.Anlamlı bir konum ve kuvvet kontrolü elde edebilmek için eyleyicilerin modele uyguladığı torklar ile uç efektöre uygulanan kuvvet arasında orantılı bir büyüklük ilişkisi olması gerektiği anlaşılmaktadır. Bu çalışma kapsamında manipulandum dinamik modelleri, empedans denetleyici ve bunların simülasyonlarının tamamlanmasının yanı sıra tez kapsamında manipulandum prototipi de gerçekleştirilmiştir. Prototipten beklentiler büyük ölçüde karşılanmıştır.

This thesis explains the dynamic solution of the manipulandum that interacts with the human upper arm, controller design, model simulation, and simulation results. Manipulandum designs are used in human-machine interaction experiments to understand human motor learning skills. Experimental design is the subject of the field of medicine; appropriate manipulandum design is the subject of the engineering field. In this article, the engineering qualities of the device were evaluated, its mathematical model obtained, dynamic model simulation made, and control elements were examined, but the experimental use of this device, which is to serve medical science, was not discussed in this context. In this study a conceptual design was made for the manipulandum, and the movement parameters of the manipulandum were obtained by creating a kinematic model accordingly. The dynamic model obtained with the Euler Lagrange Method (ELM) was compared with the system model obtained with the Simulink Simscape Multibody (SSM) tool; the consistency of model parameters (friction coefficients, moment of inertia, etc.) was mutually checked. An impedance controller is designed for human-manipulandum interaction. The success of the controller on both dynamic models was examined, and the results were evaluated. As a result of the simulations, it is understood that in order to achieve meaningful position and force control, there must be a proportional magnitude relationship between the torques applied to the model by the actuators and the force applied to the end-effector. Additionally, the manipulandum prototype was also achieved within the scope of the thesis. The expectations from the prototype have been met to a great extent.