Dynamic Analysis and Control of Rehabilitation Robot Manipulator for Head-Neck Orthopedic Disorders

Abstract

Günümüzde robotlar gelişen teknolojiyle beraber, sağlık alanında uzun süre tekrarlanan ve hassasiyet gerektiren işler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu konu ile ilgili olarak rehabilitasyon robotları güncel bir konu olup bu tür robotik sistemler sağlık alanındaki yerlerini almışlardır. Bu çalışma tortikollis gibi boyun hastalıklarının tedavisi için çift kollu robot manipülatör tasarımını içermektedir. Manipülatörün her bir kolu 4 serbestlik derecesine sahip bir manipülatördür. Sistem eksik eylemli olup rehabilitasyona tabi tutulan kafanın serbest yönelim hareketlerini eksiksiz yaptırabilmek; yani kinematik olarak kapalı çevrim olan robotik sistem ölü noktalardan kaçınarak hareket ettirebilmek için kolların kafa ile bağlantısında üniversal mafsal kullanıldı. Sonuçta her bir kol, dördü aktif tahrikli ve ikisi de pasif olmak üzere toplam altı serbestlik dereceli bir seri manipülatördür. Kafanın hareketlerini robot manipülatörle uyumlu bir şekilde gerçekleştirmek için kafa-boyun modeli dört serbestlik dereceli seri manipülatör olarak tasarlandı. Kafa-boyun modeline uygun olarak çift kollu robot manipülatörün uzuv uzunlukları belirlendi. Çalışmada kafa ile çift kollu robot manipülatörün hareketlerini senkronize bir şekilde incelemek için sistemin kinematik analizleri yapıldı. Kuvvet ve moment etkisi altında sistemin nasıl bir davranış içinde olduğunu görmek için kafanın ve çift kollu robot manipülatörün ayrı ayrı dinamik analizleri yapıldı. Kafa-boyun sistemini tanımlayan modele istenilen rehabilitasyon referans hareketlerini yaptıracak olan dış kuvvetler, kolların tork/kuvvet girdileri olarak alınarak hesaplanmış tork kontrol metodu ile sistemin kontrolü yapıldı.

Nowadays, robots have been used widely in medical applications for repetitive and sensitive tasks with developing technology. In this regard, the rehabilitation robots are a current subject and have taken their place in the field of health. This study includes a dual-arm robot manipulator design for the treatment of orthopedic neck diseases such as torticollis. Each arm of the manipulator has four degrees of freedom. Therefore, in this system, which is a deficient and kinematically closed loop, the universal joint is used to connect the arms with the head, in rehabilitation motion, in order to make the free orientation movements of the head complete, i.e. to move the robotic system without locking. As a result, each arm is a serial manipulator with a total of six degrees of freedom, four of which are actively actuated and two of which are passive. The head-and-neck model was designed as a four-degree of freedom serial manipulator consistent with the head motions. The link lengths of the dual-arm robot manipulator were determined based on the workspace of the head-neck model. In the study, kinematic analyses were conducted for deficient manipulators to study the motion of the neck-head model and dual-arm robot manipulator in a synchronized manner. In order to see how the system behaves under the effects of force and moment, the decoupled dynamic analyses of the head and the dual-arm robot manipulator were performed. The rehabilitation robotic system was controlled via the computed torque method by taking the external forces as the torque/force inputs to the arms, which make the required basic rehabilitation reference motions for the model defining the head-neck.