Rehabilitasyon Robotları için Hastaya Özel Destek Miktarının Belirlenmesine Yönelik Yenilikçi bir Tasarım Paradigması


Amaç

Projenin amacı,

  • nörolojik problemler sonrasında meydana gelen işlevsel bozuklukların tedavisinde kullanılmak üzere geliştirilen rehabilitasyon robotlarının hasta performansı açısından optimal destek tork profillerinin belirlenmesi için, biyomekanik modellerin, insanlı deneylerin ve ön klinik çalışmaların sinerjik kullanımına dayalı, yenilikçi bir tasarım paradigmasının geliştirilmesi,
  • geliştirilen yöntemlerin AssistOn dış iskelet sistemleri ile sağlıklı gönüllülerde deneysel olarak doğrulanması, ve
  • bu yaklaşımın uygulanabilirliğinin nörolojik hasta gruplarında klinik ortamda gösterilmesidir.


Kapsam

Proje kapsamında;

  • dış iskelet destek tork profillerinin, gerçekçi eyleyici tork limitleri, güç tüketimi sınırları ve sistem ataletinin olumsuz etkileri de göz önünde bulundurularak, kas-iskelet sistemi modelleri kullanılarak birden fazla kritere göre optimal tasarımı gerçekleştirilecek,
  • farklı dış iskelet tasarımlarının ve bu dış iskeletlerin kullanıcılarına sağlayacağı optimal destek torklarının kullanıcı performansı üzerindeki etkilerinin adil bir şekilde karşılaştırılmasını sağlayan bir Pareto optimizasyon yaklaşımı geliştirilecek,
  • geliştirilen Pareto optimizasyon yaklaşımı AssistOn-Walk dış iskeletine uygulanacak ve bu robotun fiziksel prototipi oluşturulacak,
  • en-iyileştirilmiş destek tork yörüngelerinin kullanıcının güvenliğini garanti ederek uygulanmasını sağlayacak etkileşim kontrol algoritmaları geliştirilecek ve AssistOn-Walk dış iskeletine uygulanacak,
  • model tabanlı olarak en-iyileştirilmiş prototipler ve destek torkları sağlıklı gönüllüler üzerinde uygulanacak ve kullanıcının tasarım döngüsü içinde olduğu (human-in-the-loop) çevrimiçi en-iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilecek, ve
  • yaklaşımın uygulanabilirliği nörolojik hasta grupları ile klinik ortamda gösterilecektir.


Hedefler

Projenin hedefleri ve proje kapsamında elde edilen aşağıda listelenmiştir.


Hedef 1:

Projenin birinci hedefi, dış iskelet robotları için kullanıcı performansını en-iyileştirmeye yönelik destek torklarının çok-kriterli optimizasyon yöntemleri ile belirlenmesidir. Bu yaklaşım kullanım alanına göre farklı en-iyileştirilmiş destek tork profillerinin seçilmesine imkân sağlayacaktır.

Hedef 1’e yönelik çalışmalar başarı ile tamamlanmış olup sonuçlar yayınlanma sürecindedir [Bonab2025].

Şekil 1: Optimal destek torkları

Hedef 2:

Projenin ikinci hedefi, farklı yapıdaki dış iskelet robot tasarımları ile uygulanan en-iyileştirilmiş desteğin performansa etkisinin insan kas-iskelet sistemine dair benzetimler ile karşılaştırılmasıdır.

Hedef 2’ye yönelik çalışmalar başarı ile tamamlanmış olup sonuçlar yayınlanma sürecindedir [Bonab2025].

Şekil 2: Farklı yapıdaki dış iskelet tasarımlarının karşılaştırması



Hedef 3:

Projenin üçüncü hedefi, geliştirilecek çok-kriterli optimizasyon yöntemleri ile en-iyileştirilen destek torklarının uygulanabilmesi için AssistOn-Walk dış iskelet robotunun mekatronik tasarımlarının güncellenmesi ve fiziksel prototipinin oluşturulmasıdır.

Hedef 3’e yönelik çalışmalar başarı ile tamamlanmış ve güncellemeler sonrası AssistOn-Walk dış iskeleti Teknoloji Hazırlık Seviyesi (THS) 7’ye ulaşmıştır.

Video 1: Proje kapsamında üretilen AssistOn-Walk dış iskeleti

Hedef 4:

Projenin dördüncü hedefi, çok-kriterli optimizasyon yaklaşımı ile kullanıcıların performansını artırmak amacıyla AssistOn-Walk için hesaplanan en-iyileştirilmiş destek torklarının kullanıcının güvenliğini garanti ederek uygulanmasını sağlayacak kuvvet geri-beslemeli etkileşim kontrol algoritmalarının geliştirilmesidir.

Hedef 4’e yönelik çalışmalar başarı ile devam etmekte olup sonuçlar yayınlanmaktadır [Kenanoglu2025a, Kenanoglu2025b, Kenanoglu2024].

Video 2: AssistOn-Walk dış iskeletinin etkileşim kontrolü



Hedef 5:

Projenin beşinci hedefi, sağlıklı gönüllüler üzerinde gerçekleştirilecek, kullanıcının tasarım döngüsü içinde olduğu çevrimiçi en-iyileştirme (human-in-the-loop optimization) çalışmalarının tamamlanmasıdır.

Hedef 5’e yönelik çalışmalar başarı ile devam etmekte olup sonuçlar yayınlanmaktadır [Tolasa2025a, Tolasa2025b, Catkin2023].

Şekil 3: Kullanıcının tasarım döngüsü içinde olduğu çevrimiçi en-iyileştirme



Hedef 6:

Projenin altıncı hedefi, önerilen sistematik tasarım paradigmasının felç ve serebral palsi gibi nörolojik hastalıklar nedeniyle meydana gelen işlevsel bozuklukların tedavisinde uygulanabilirliğinin AssistOn dış iskeletleriyle yapılan ön klinik çalışmalarla deneysel olarak gösterilmesidir.

Hedef 6’ya yönelik yönelik pilot çalışmalara AssistOn-Arm dış iskeleti ile başlanmıştır.

Video 3: AssistOn-Arm dış iskeleti ile felçli hastalarda yapılan pilot çalışmalar



Proje Kapsamındaki Çalışmalara Dair Yayınlar:


[Bonab2025] A.K. Bonab and V. Patoglu, “Musculoskeletal Simulation-Based Multi-criteria Optimization Framework for Exoskeleton Design,” IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, (in review).


[Kenanoglu2025a] C. U. Kenanoglu and V. Patoglu, “Effect of Reduced-Order Modelling on Passivity and Rendering Performance Analysis of Series Elastic Actuation,” in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 10, no. 6, pp. 5745-5752, June 2025.


[Kenanoglu2025b] C. U. Kenanoglu and V. Patoglu, “Effect of Inherent Damping of the Series Elastic Element on Rendering Performance and Passivity of Interaction Control”, ASME Journal Dynamic Systems, Measurement, and Control, Sep 2025, 147(5): 051008


[Kenanoglu2024] C. U. Kenanoglu and V. Patoglu, “Passive Realizations of Series Elastic Actuation: Effects of Plant and Controller Dynamics on Haptic Rendering Performance,” in IEEE Transactions on Haptics, vol. 17, no. 4, pp. 882-899, Oct.-Dec. 2024.


[Tolasa2025a] H. Tolasa, and V. Patoglu, “Human-in-the-Loop Pareto Optimization: Trade-off Characterization for Assist-as-Needed Training and Performance Evaluation,” in IEEE Transactions on Haptics, (in review).


[Tolasa2025b] H. Tolasa, B. Catkin and V. Patoglu, “Human-in-the-Loop Optimization of Perceived Realism of Multi-Modal Haptic Rendering Under Conflicting Sensory Cues,” in IEEE Transactions on Haptics, vol. 18, no. 2, pp. 295-311, April-June 2025.


[Catkin2023] B. Catkin and V. Patoglu, “Preference-Based Human-in-the-Loop Optimization for Perceived Realism of Haptic Rendering,” in IEEE Transactions on Haptics, vol. 16, no. 4, pp. 470-476, Oct.-Dec. 2023.