Development of a torque-controllable upper limb exoskeleton for industrial applications

Abstract

Chronic upper body pain and injuries are undesirable physical disorders that result from regular exposure to external forces that strain the musculoskeletal system. These symptoms reduce both the quality of life and employability of the person. Although these disorders are mostly seen in people working in heavy industry and factory workers, they can also be seen in anyone who works physically. The use of upper limb exoskeletons has been seen as a practical solution to prevent the aforementioned ailments. These systems have two basic approaches to prevent chronic upper body pain, depending on the nature of the physical work done. The first of these is to prevent the factory worker from being forced ergonomically while working; the second is to reduce external forces on the musculoskeletal system by providing strength support to the factory worker who lifts heavy loads. In this context, companies operating in many industrial areas, have provided different types of upper limb exoskeletons for their employees to use. Although these developed exoskeletons achieve their intended purpose, they have not been highly accepted by their users. While there are many different and individual reasons for this unacceptance, the most cited reasons are potential users' safety concerns and other types of difficulties in the expense of the system's promised conveniences, such as reduced mobility and increased time to get the work done. The main purpose of this thesis is to develop an upper limb exoskeleton with a robust actuator structure and innovative human-robot interface, which is intended to have high user acceptance, while supporting factory workers against the external forces they are exposed to in their work environment. During the thesis, a 4 degrees of freedom left arm exoskeleton was developed; an innovative sensor structure with a high weight/data input ratio has been developed for the aforementioned exoskeleton, which can read and process the limb force response from 16 different points in real time and thus perform intention estimation. The aforementioned exoskeleton is equipped with the developed sensor structure and driven by enhanced Series Elastic Actuators (SEA) for high-fidelity torque control.Kronik üst vücut ağrı ve sakatlıkları, kişinin düzenli olarak kas-iskelet sistemini zorlayan dış kuvvetlere maruz kalması sonucu ortaya çıkan istenmeyen fiziksel rahatsızlıklardır. Bu semptomlar hem kişinin yaşam kalitesini hem de istihdam edilebilirliğini düşürmektedir. Bu rahatsızlıklar en çok ağır sanayide çalışan kişilerde ve fabrika işçilerinde (endüstri çalışanları) görülmekle birlikte, fiziksel olarak iş yapan herkeste görülebilmektedir. Bahsi geçen rahatsızlıkların önüne geçilmesi için üst vücut dış iskeletlerinin kullanımı pratik bir çözüm olarak görülmüştür. Bu sistemlerin kronik üst vücut ağrılarını engellemeye yönelik, yapılan fiziksel işin doğasına göre, iki temel yaklaşımı mevcuttur. Bunlardan ilki endüstri çalışanının iş yaparken ergonomik olarak zorlanmasını önleme; ikincisi ise ağır yük kaldıran endüstri çalışanına kuvvet desteği sağlayarak kas iskelet sistemine olan dış kuvvetleri azaltma şeklindedir. Bu bağlamda birçok endüstriyel alanda faaliyet gösteren şirket, çalışanlarının kullanması adına farklı tiplerde üst vücut dış iskeletleri temin etmişlerdir. Geliştirilen bu dış iskeletler hedefledikleri amacı gerçekleştirmek ile birlikte kullanıcıları tarafından yüksek oranda kabul görmemişlerdir. Bunun için pek çok farklı ve kişiye özel sebep olmakla beraber, en çok belirtilen sebepler potansiyel kullanıcıların güvenlik endişeleri ve sistemin vaat ettiği kolaylıkları sağlarken düşen hareket kabiliyeti ve işin yapılma süresini uzatması gibi başka tip zorluklar ortaya çıkarması şeklindedir. Bu tezin temel amacı endüstri çalışanlarının iş ortamlarında maruz kaldıkları dış kuvvetlere karşı destek olmakla birlikte, gürbüz eyleyici yapısı ve yenilikçi insan-makine ara yüzü barındıran, kullanıcı kabulü yüksek olması amaçlanan bir üst uzuv dış iskeleti geliştirmektir. Tez süresince 4 serbestlikli bir sol kol dış iskeleti geliştirilmiş; ilgili dış iskelet için 16 farklı noktadan uzuv kuvvet tepkisini gerçek zamanlı olarak okuyabilen ve işleyebilen ve bu sayede niyet kestirimi gerçekleştirebilen yenilikçi ve ağırlık/veri giriş oranı yüksek bir sensör yapısı ile donatılmış; ve de yüksek bağlılıklı tork kontrolü için geliştirilmiş Seri Elastik Eyleyiciler (SEE) ile tahriklenmiş. Geliştirilen SEE modüllerinin ilk versiyonları bu tez çalışmasının öncesinde gerçeklenmiş olup, bu tez kapsamında geliştirilen modüller önceki versiyonlardan tork/ağırlık oranının arttırılması, tahriklenme halindeyken ortaya çıkan mekanik aksaklıklar giderilmesi ve dönel kodlayıcılardan veri alımının mekanik olarak istikrarlı hale getirilmesi gibi iyileştirmeler gerçeklenmiştir.