Araştırma

Giriş

Omurilik felci, çeşitli nöral bozukluklar, araba kazaları, spor kazaları, düşme ve yaralanma gibi nedenlerle çeşitli omurların zedelenmesi sonucu, omuriliğin sensorimotor ve otonomik fonksiyonlarını kısmen veya tamamen kaybetmesi sonucu oluşan travmatik bir rahatsızlıktır (Çelik vd. 2006). Dünya Sağlık Örgütü’ nün 2015 verilerine göre her yıl 250.000 ila 500.000 insan omurilik felci ile kısmen veya tamamen duyu ve hareket kaybına uğramaktadır. Ülkemizde ise Türkiye Omurilik Felçlileri Derneği’ nin 2015 verileri göz önüne alındığında büyük çoğunluğu paraplejik olan 150.000 adet hasta bulunmaktadır. Oldukça travmatik bir rahatsızlık olan omurilik felci, beraberinde getirdiği fizyolojik fonksiyon eksiklikleri sebebiyle hastanın yaşam kalitesini son derece olumsuz etkilediği ulusal ve uluslararası çalışmalarda sıkça dile getirilmiştir (Ataoğlu vd. 2013, Atagün vd. 2012, Çelik vd. 2006, Em vd. 2015, Boakye vd. 2012). Özellikle, T1-T12 torasik parapleji (thoracic paraplegia) olarak da sınıflandırılan belden aşağısı felçli grubu, sağlıklı üst gövde fonksiyonlarına sahip olmalarına rağmen alt gövdelerinde tümden fonksiyon kaybı yaşamaktadırlar (Kirshblum vd. 2011). Parapleji hastaları tekerlikli sandalye kullanarak mobilizasyon sağlayabilseler bile, yürüme kaybı osteoporoz, boşaltım sisteminde kireçlenme, spastisite, sindirim ve boşaltım zorlukları, ve heterotopik ossifikasyon gibi fizyolojik bozukluklardan muzdarip olmaktadırlar (Nene vd. 1996). Aynı zamanda, tekerlikli sandalyeye uzun süreli bağımlı olma durumu hastalarda bası yarası (Çelik vd. 2006, Sumiya vd. 2012), kemik ve kas doku kaybı (Yılmaz vd. 2008, Lazo vd. 2009), ileri seviye omuz ve kol ağrısı (Curtis vd. 1999, Jain vd. 2010) gibi sorunlara yol açmaktadır. Yürüme kaybının yol açtığı problemler sadece fizyolojik bozukluklarla sınırlı değildir. Tekerlekli sandalye ile mobilizasyon sadece düz ve geniş yüzeylerle sınırlı kalıp dar bölgelerden geçilmesini ve merdiven, basamak gibi engellerin aşılmasını sağlayamaz. Bu durum hastanın hareket alanı için son derece büyük bir kısıt getirir. Basamakların olduğu bölgelere eğik düzlemler ilişiklendirilse dahi Sabick vd.’nin (2004) yaptığı çalışmaya göre 2.9 derece eğimli yüzeylerin bile oldukça yüksek derecede üst gövde eforu gerektirdiği ortaya çıkmıştır. Dolayısıyla, bütün bu etmenlerin sonucu olarak parapleji hastaları yürüme kaybına bağlı olarak ağır psikolojik sorunlarla da baş etmek zorunda kalırlar (O’Connor vd. 2004, Esquenazi vd. 2012).

Problem İfadesi

Aktif alt gövde dış iskelet robotların parapleji hastalarına sağladığı robotik yürüme desteğinin fizyolojik ve psikolojik açıdan olumlu sonuçlarının olduğu aşikardır. Ancak, sadece kalça ve diz fleksör/ekstensör eklemlerine destek verebilen birinci nesil dış iskelet sistemleri kendi başlarına (stand-alone) 3B yürüme yardımı sağlayamamaktadırlar. Bundan ötürü hastanın üst gövdesi üzerinden koltuk değneği ve yürüteç gibi ek gereçlerin kullanımı bir zaruret oluşturmaktadır. Uzun süreli kullanımda üst gövdeye binen bu ek yükün kol uzuvlarında, özellikle omuz eklemlerinde, şiddetli ağrılara sebep olacağı ön görülmektedir (Gellmann vd. 1988, Pentland vd. 1991, Haubert vd. 2006, Nielsen vd. 1990). Bu bağlamda, yeni nesil dış iskelet robotların yürüme desteğini üst gövdeden bağımsız ve ek gereç kullanımı olmaksızın verebiliyor olması beklenmektedir (Yakub vd. 2014). Günümüzde kullanılan düşük serbeslikli dış iskelet robotlarda aktif olarak kendini dengeleyebilme özelliği entegre edilmemiştir (istisna olarak ). Alt gövde dış iskelet robot kullanımı ile doğrudan ilişkili 481 paydaşın (hastalar, rehabilitasyon uzmanları) katılımıyla gerçekleştirilen bir alan çalışmasında yeni nesil dış iskelet robotlarda olması arzulanan özellikler katılımcılara sorulmuştur (Wolff vd. 2014). Sonuç olarak özdengeleme özelliği düşük maliyet ve ergonomi gibi hususları dahi geride bırakarak en çok istenilen robot özelliği olarak belirlenmiştir. Bu sebeple, özdengeleme özelliği yeni nesil dış iskelet robotlara entegrasyonu en gerekli hususlardan birisi olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzdeki sistemler, çoğunlukla robot-insan fiziksel etkileşimine uygunluğu özemniyet ve fizyolojik uyum kıstasları açısından tartışmalı rijit eyleyici üniteleri ile tahrik edilmektedir (Tsukahara vd. 2015, Esquenazi vd. 2012). Dış iskelet destekli yürüme işlemi gibi, robot ve insanın kesintisiz olarak fiziksel etkileşim halinde olduğu uygulamalarda tork kontrolü ve fiziksel esneklik unsurları, özemniyet ve fizyolojik uyum kıstaslarını karşılamak açısından oldukça önem arz etmektedir (Burdet vd. 2001, Zinn vd. 2004, De Santis vd. 2008, Kerimoğlu vd. 2015). Fiziksel esneklik ayrıca hareket esnasında oluşacak tepisel yer tepki kuvvetlerinin bastırılması noktasında da kritik bir görev üstlenmektedir (Ugurlu vd. 2014a). Dolayısıyla, yeni nesil dış iskelet robotlarda eyleyici ünitesi olarak klasik motor-dişli üniteleri yerine seri elastik eyleyicilerin kullanımı oldukça önem kazanmıştır (Celebi vd. 2013, Veneman vd. 2007, Wang vd. 2011); ancak, bu sistemlerin tork/kütle oranının istenilen seviyelerde olmadıkları görülmektedir (Paine vd. 2014). Özetlemek gerekirse, dış iskelet robot literatüründe üç adet açık sorun tespit edilmiştir.
  1. Günümüzde aktif kullanılan düşük serbeslikli dış iskelet robotların geneli 3B dinamik yürüme desteğini yardımcı gereçler olmaksızın verememektedir.
  2. Kendi kendini aktif dengeleyebilme özelliği, yani özdengeleme, dış iskelet robot teknolojisine entegre edilmemiştir.
  3. Günümüzdeki sistemlerin geneli insanla fiziksel etkileşime uygun olmadığı düşünülen rijit eyleyicilerle tahrik edilmektedir. Bu duruma yanıt olarak geliştirilen seri elastik eyleyicilerin tork/kütle oranları ise henüz istenen seviyelerde değildir.
Dolayısıyla, projenin ana amacı bahse konu üç sorun için özgün ve teknolojik olarak uygulanabilir çözümler üreterek yeni nesil dış iskelet robotların bir örneğini ülkemize kazandırmaktır.

Kapsam

Literatürdeki açık sorunları dikkate alarak, proje kapsamında geliştirilecek olan dış iskelet robotun aşağıdaki teknolojik özelliklere sahip yeni nesil bir sistem olması hedeflenmektedir.
  • 3B dinamik yürüme desteğini yardımcı gereçlere ihtiyaç duymaksızın verebilecek mekatronik donanım ve aktif eklem konfigürasyonuna sahip olma.
  • 3B dinamik yürüme görevini özdengeleme özelliğiyle eş zamanlı yürütebilme
  • Tork/kütle oranı muadillerinin üstünde olan seri elastik eyleyici üniteleriyle tahrik edilme
Bahse konu bu özgün teknolojilerin tasarım, fiziksel üretim, analiz ve test süreçlerinin uygulanabilir bir iş-zaman örgüsü dahilinde ortaya konabilmesi için dört temel iş paketi kurgulanmıştır.
İş Paketi 1:

Seri Elastik Eyleyicili Tahrik Ünitesinin Geliştirilmesi: Robotun eklemlerini tahrik etmek amacıyla gövdesiz-fırçasız bir elektrik motoru ve harmonik dişli ile bir burulma yayının (seri elastik eleman) bütünleştirilmesiyle oluşan, muadillerine kıyasla yüksek tork/kütle oranına sahip, kompakt bir eyleyici ünitesi düşünülmüştür. Bu iş paketi, bahse konu eyleyici ünitesinin donanım tasarımı, üretimi, kalibrasyonu, ilgili alt seviye kontrol algoritmalarının geliştirilmesi ve bütünleşik ünitenin deneysel geçerliliğinin sınanması görevlerini içerecektir.

İş Paketi 2:

Dış İskeletin Mekatronik Donanım Bileşenlerinin Tasarımı ve Üretimi: Bu iş paketinde, insan alt gövdesinin biyomekanik yapısıyla uyumlu, 3B yürüme desteği sağlayabilecek eklem konfigürasyonuna sahip, link uzunlukları ayarlanabilir, gövde üzerine giyilebilen bir dış iskeletin mekanik tasarımı ve analizi, birinci iş pakedinde bahse konu eyleyici ünitesinin sisteme entegrasyonu, sensör, eyleyici ve ana bilgisayar üniteleri için gerekli elektronik kart tasarımı, ve tüm bu bileşenlerin sağlıklı bir bütünlük oluşturacak şekilde üretimi işleri gerçekleştirilecektir. Böylelikle robot ön deneysel çalışmalara hazır hale gelecektir.

İş Paketi 3:

Hareket ve Özdengeleme Algoritmalarının Geliştirilmesi: İlk iki iş paketi sonucu donanımsal olarak hazır hale gelen robotun işlevsellik kazanabilmesi için gerekli hareket ve yörünge planlama algoritmaları bu iş pakedinde geliştirilecektir. Bunun yanı sıra, gerek yürüme ve çevre ile etkileşim esnasında oluşan, gerekse de beklenmeyen dış etkenler sonucu meydana gelen bozucu kuvvetlere karşı denge ve kararlılığı koruyan gerçek zamanlı geri beslemeli özdengeleme kontrolcüsü sentezlenecektir. Bütün bu hareket ve özdengeleme algoritmaları anlamlı bir bütünlük oluşturacak şekilde üst seviye kontrol bloğu olarak kurgulandırılacaktır.

İş Paketi 4:

Bütünleşik Sistem Üzerinde Geçerlilik Sınaması: İlk üç paketi sonunda ardışıl olarak geliştirilen fiziki donanım ve yazılım öğelerinin bütünleştirilmesiyle deneysel çalışmalara hazır hale gelen tüm sistemin geçerliliği bu iş paketinde sınanacaktır. Deneyler kademeli olarak düzenlenecek, başlangıçta cansız ve pasif eklemli mankenlerle, akabinde sağlıklı ve yetişkin gönüllülerin katılımıyla gerçekleştirilecektir. Bu noktada, insan alt gövdesinin kas-tendon ve biyomekanik yapısını baz alan özemniyet ve fizyolojik uyum kriterleri geliştirilecek ve nicel değerlendirme yapmak mümkün olacaktır. Bu iş paketinde yürütücü deneylerin planlamasından ve koordinasyonundan sorumlu olacaktır.