Development of an Active Orthosis and Internet of Things (IoT) Application for Lower Extremity

Öz

The IoT (Internet of Things) technology has begun to draw attention in the field of sports sciences, as it has in numerous other domains. In athlete rehabilitation, this technology offers significant advantages over its older versions and demonstrates superior capabilities. This study is structured into three phases aimed at developing a new-generation active lower extremity rehabilitation system based on IoT. In the first phase, an active controlled orthosis design will be developed for the lower extremity. The controller for the active orthosis will employ the admittance control method. In this method, admittance A will be manipulated with small or zero, low deviations to control the rapid rise (lifting) effect, achieving the desired force response during treatment. This study holds intrinsic value in filling a gap within the existing literature. The second and third phases will focus on developing an adaptable active orthosis design capable of transferring data to mobile applications for athletes and sports physicians. This system distinguishes itself from others with these features. The developed system can be personalized for athletes, enabling the physician to easily monitor the recovery process of multiple athletes via a mobile device and provide real-time feedback on device usage to the athlete. The system instantaneously records the pressure applied by the patient to the sensor, and when the pressure surpasses the threshold set by the doctor, notifications and vibrations are sent to the athlete. Consequently, the athlete's monitoring and treatment processes can proceed without intervention.

Anahtar Kelimeler

• Internet of things
• home based rehabilitation
• exoskeleton
• lower extremity

Alt Ekstremite İçin Aktif Ortez ve Nesnelerin İnterneti (IoT) Uygulamasının Geliştirilmesi

Öz

Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojisi, birçok alanda olduğu gibi spor bilimleri alanında da dikkat çekmeye başlamıştır. Bu teknoloji, sporcu rehabilitasyonunda eski versiyonlarına kıyasla önemli avantajlar sunmakta ve üstün yetenekler sergilemektedir. Bu çalışma, IoT tabanlı yeni nesil aktif alt ekstremite rehabilitasyon sisteminin geliştirilmesine yönelik üç aşamada yapılandırılmıştır. İlk aşamada, alt ekstremite için aktif kontrollü bir ortez tasarımı geliştirilecektir. Aktif ortezin kontrol sistemi, admittance kontrol yöntemini kullanacaktır. Bu yöntemde, tedavi sırasında istenen kuvvet tepkisini elde etmek amacıyla admittance A, küçük ya da sıfıra yakın sapmalarla manipüle edilerek hızlı yükselme (kaldırma) etkisi kontrol edilecektir. Bu çalışma, mevcut literatürdeki bir boşluğu doldurması açısından önemli bir değere sahiptir. İkinci ve üçüncü aşamalar, sporcular ve spor hekimleri için verileri mobil uygulamalara aktarabilen uyarlanabilir bir aktif ortez tasarımının geliştirilmesine odaklanacaktır. Sistem, bu özellikleriyle diğerlerinden ayrılmaktadır. Geliştirilen sistem, sporculara kişiselleştirilebilecek şekilde tasarlanmış olup, hekimlerin birden fazla sporcunun iyileşme sürecini mobil cihazlar üzerinden kolayca takip etmelerine ve sporcuya cihaz kullanımı hakkında anlık geri bildirim sağlamalarına olanak tanımaktadır. Sistem, hastanın sensöre uyguladığı basıncı anlık olarak kaydetmekte ve bu basınç doktor tarafından belirlenen eşiği aştığında sporcuya bildirim ve titreşim göndermektedir. Sonuç olarak, sporcunun izlenme ve tedavi süreci herhangi bir müdahale olmaksızın devam edebilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Nesnelerin interneti
• Ev tabanlı rehabilitasyon
• dış iskelet
• alt ekstremite

Kaynakça

1. [1] E. Yıldırım, "Bir ayak bileği rehabilitasyon robotunun tasarımı, üretimi ve kontrolü," M.S. thesis, Yıldız Teknik Üniversitesi, 2022. Yayın No: 709259. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
2. [2] M. E. Aktan, "Teşhis ve tedavi amaçlı zeki robotik rehabilitasyon sistemi," PhD Thesis, 2018.
3. [3] B. C. Neubauer, J. Nath, and W. K. Durfee, "Design of a portable hydraulic ankle-foot orthosis," in 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2014, pp. 1182-1185.
4. [4] Y. Ren, Y. N. Wu, C. Y. Yang, T. Xu, R. L. Harvey, and L. Q. Zhang, "Developing a wearable ankle rehabilitation robotic device for in-bed acute stroke rehabilitation," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 25, no. 6, pp. 589-596, 2016.
5. [5] M. S. Ayas and I. H. Altas, "Fuzzy logic based adaptive admittance control of a redundantly actuated ankle rehabilitation robot," Control Engineering Practice, vol. 59, pp. 44-54, 2017.
6. [6] W. Van Dijk, C. Meijneke, and H. Van Der Kooij, "Evaluation of the Achilles ankle exoskeleton," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 25, no. 2, pp. 151-160, 2016.
7. [7] C. Racu and I. Doroftei, "Preliminary mathematical model of a new ankle rehabilitation device," Journal of Engineering Studies and Research, vol. 21, no. 2, pp. 78, 2015.
8. [8] Y. M. Khalid, D. Gouwanda, and S. Parasuraman, "A review on the mechanical design elements of ankle rehabilitation robot," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, vol. 229, no. 6, pp. 452-463, 2015.

9. [9] F. Karaca, F. Akmeşe, and Ü. N. A. L. Engin, "Ayaktan Oturma Hareketinde Alt Ekstremitenin Kinetik ve Kinematik Analizi," International Journal of Innovative Engineering Applications, vol. 5, no. 1, pp. 18-21, 2021.
10. [10] C. Bouanaka, N. Benlahrache, S. Benhamaid, and E. Bouhamed, "A review of IoT systems engineering: Application to the smart traffic lights system," in 2020 International Conference on Advanced Aspects of Software Engineering (ICAASE), Nov. 2020, pp. 1-8.
11. [11] K. Arslan and İ. Kırbaş, "Nesnelerin İnterneti uygulamaları için algılayıcı/eyleyici kablosuz düğüm ilkörneği geliştirme," Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol. 7, Special issue 1, pp. 35-43, 2016.
12. [12] M. S. Demirsoy, Y. H. El Naser, M. S. Sarıkaya, N. Y. Peker, and M. Kutlu, "Development of elbow rehabilitation device with iterative learning control and internet of things," Turkish Journal of Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 370-379, 2024.
13. [13] M. S. Demirsoy, M. Ç. Kutlu, and M. Mansour, "PID kontrollü IoT haberleşme ile android tabanlı egzersiz takibi," Journal of Smart Systems Research, vol. 3, no. 2, pp. 70-80, 2022.
14. [14] K. Serbest and O. Eldoğan, "Design, development and evaluation of a new hand exoskeleton for stroke rehabilitation at home," Politeknik Dergisi, vol. 24, no. 1, pp. 305-314, 2020.
15. [15] Y. H. El Naser, D. Karayel, M. S. Demirsoy, M. S. Sarıkaya, and N. Y. Peker, "Robotic arm trajectory tracking using image processing and kinematic equations," Black Sea Journal of Engineering and Science, vol. 7, no. 3, pp. 436-444.