Bacak hareketi izleme için tekstil tabanlı algılama sistemi

Günümüz teknolojisinde, ufak boyutlu, ucuz ve düşük enerji ihtiyacı olan çiplerin üretilmesi ile elektronik ürünler tekstil ürünleri ile entegre olmaya başlamıştır. Tekstil alanında yapılan çalışmalar ile tekstil ürünlerinin dış ortamlara karşı vermiş olduğu elektriksel tepkilerden e-tekstiller ortaya çıkmıştır. Elektronik, bilgisayar, kontrol ve tekstil alanlarında yapılan multidisipliner çalışmalar ile de artık bu elektronik tekstiller kullanıcıların kullanabileceği sistemlere dönüşmeye başlamıştır. Elektronik tekstilleri spor eğitimi, robotik, sağlık görüntülemesi, vücut hareket analizi gibi farklı alanlardaki uygulamalarda görmek mümkündür. Tekstil yapılı sensörlerin rezistif, kapasitif, optik ve solar olarak dört farklı çeşidi bulunmaktadır. Hareket yakalama sistemlerinde kapasitif ve rezistif sensörler kullanılabilmektedir. rezistif sensörlerin düşük lineerlik, drift problemi ve yüksek tepki süresi gibi dezavantajları bulunmaktadır, buna karşılık kapasitif sensörler ise yüksek lineerlik, düşük tepki süresi ve yüksek çözünürlük gibi iyi özelliklere sahiptir. Kapasitif sensörlerin birçok avantajı bulunmasına rağmen, sensör ve ölçüm cihazı arasındaki mesafeden kaynaklı, ölçümde gürültü oluşmaktadır. Hareket yakalama sistemleri ise optik, manyetik ve mekanik olmak üzere üç farklı tekniğe dayanmaktadır. Optik hareket sistemleri görüntü işleme yöntemleri kullanılarak kişilerin iskelet yapısının çıkartılması prensibine göre çalışmaktadır. Fakat bu sistemin belirli bir alanda ölçümleme yapabilmesi ve hesaplama birimlerinde de yüksek işlem gücü gerektirmesi gibi birçok dezavantajı bulunmaktadır. Manyetik hareket yakalama sistemleri ise vücuda yerleştirilen manyetik sensörler aracılığı ile eklem açılarının bulunması prensibine dayanmaktadır. Bu sistemde optik sistemlerin aksine, belirli bir alanda çalışma ve yüksek işlem gücü gerektirmemektedir. Fakat bu sistemler manyetik sensörler kullandığı için metal, elektronik devreler vb. elektromanyetik etki yaratacak nesnelerden etkilenmektedir. Mekanik sistemlerde ise eklemlerin üzerine yerleştirilen sensörler aracılığı ile eklem açıları belirlenmektedir. Bu sistemler, manyetik alandan etkilenmezler ve belirli bir alanda kullanılma zorunluluğu yoktur. Sensör verileri ise eklem verisine eşit olduğu için hesaplama yükü bulunmamaktadır. Buna rağmen, bu tarz hareket yakalama sistemlerinde sensörleri içeren özel kıyafetler kullanılmalıdır. Bu özel kıyafetlerin maliyeti bu tarz hareket yakalama sistemlerinin en büyük dezavantajıdır. Bu tezde, tekstil tabanlı kapasitif sensörlerin ölçümünde mesafeye bağlı oluşan gürültünün azaltılarak ölçüm kalitesinin arttırılması, tekstile entegrasyonu olan bir prototip oluşturulması, donanım prototipinden verileri alacak, kullanıcıya gösterecek ve depolayacak hareket yakalama sisteminin oluşturulması konularını ele almaktadır. Bu tez kapasitif sensörlerin büyük problemi olan mesafeye bağlı olarak ölçümlerde oluşan gürültü problemine odaklanmaktadır. Bu sayede kapasitif sensörlerin avantajlarından yararlanmak mümkün olmaktadır. Sistemin elektriksel tasarımı mikrodenetleyiciler, verici, iletim yolu, sensör, cep telefonu ve bataryadan oluşmaktadır. Mikrodenetleyiciler sensöre en yakın noktaya yerleştirilmiştir. Böylece mesafeye bağlı olarak oluşan gürültü en aza indirilmiştir. Mikrodenetleyiciler vericiye iletim yolu ile bağlıdır. Verici mikrodenetleyiciye bu yoldan hem isteklerini hem de güç aktarımı yapmaktadır. Mikrodenetleyici de vericiden gelen veri isteği için ölçüm yapar ve aynı hat üzerinden aktarır. Sistemde I2C bağlantısı kullanıldığı için de güç ve veri hattı için toplamda dört kablo iletim hattı oluşturulmuştur. Verici de aldığı verileri Bluetooth bağlantısı üzerinden mobil cihaza aktarmaktadır. Tasarlanan tüm sistem vericiye bağlanan batarya ile beslenmektedir. Mikrodenetleyici ile kapasitans ölçümünde genellikle doldur-boşalt yöntemi kullanılmaktadır. Fakat sensörün kapasitans değeri düşük olduğu için, kapasitans dolma ve boşalma süreleri çok kısadır. Bu sürede zaman sabitini bulabilmek için yüzlerce megahertzlerlik bir mikrodenetleyiciye ihtiyaç duyulmaktaydı. Bu sebeple, kapasitans ölçümünde sistemde gerilim bölücü yöntemi kullanılmıştır. Sensörün kapasitans verisi mikro işlemcinin iç kapasitans değerinden yararlanarak bulunmaktadır. Verici cihazı da bir mikro denetleyici olduğu için veri transferi için mikrodenetleyiciler arası haberleşme yöntemleri kullanılması gerekmektedir. Verici ve mikrodenetleyicilerimizin desteklediği haberleşme protokolleri UART, SPI ve I2C'dir. UART ile birebir iletişim yapıldığı için ve her yeni mikrodenetleyici eklemek için ek iki adet hat gerekli olduğu için bu protokol sistem için çok uygun değildir. SPI birçok iyi özelliği olmasına rağmen, her çip için ayrı çip seçim portuna ihtiyaç duyduğu için bu protokolde sistem için çok uygun değildir. İki adet kablo ile onlarca cihazı konuşturabilmesi ve kolay kurum gibi özellikleri nedeniyle I2C'nin sistemde kullanılması uygun görülmüştür. Mobil cihaz üzerinden veri alınabilmesi için bir Android uygulaması geliştirilmiştir. Uygulama cihazdan aldığı veriyi hem kullanıcıya göstermekte hem de sunucuya aktarmaktadır. Server ise aldığı veriyi hem veritabanına kaydetmekte hem de anlık olarak diğer web istemcilere göndermektedir. Hazırlanan web önyüzü ile de ölçüm sonuçları anlık olarak görüntülenebilmektedir. Ek olarak geçmişe yönelik ölçüm verileri de web önyüzde görüntülenebilmektedir. Veri iletişiminin hızlı ve anlık olması adına web servis, telefon ve web istemcileri arasındaki yazılım soket programlama ile yapılmıştır. Sistemde kullanılan sensör tekstil tabanlı esnek kapasitif sensördür. Bu sensör, iki adet iletken kumaş ve bir adet dielektrik malzemeden oluşmaktadır. Sensör paralel levhalı kapasitör gibi davranmaktadır. Sensörün boyundaki değişim, sensörün elektrod alanını arttırmaktadır. Bu artışda sensörün kapasitansını arttırmaktadır. Tasarımın tekstil entegrasyonunda, sensör dizlik kullanılarak diz üzerine yerleştirilmiştir. Mikrodenetleyiciler de sensöre en yakın noktaya yerleştirilmiş ve sensör bağlantısı yapılmıştır. Verici ve mikrodenetleyiciler arasında kurulacak olan iletim hattı iletken ipliklerden oluşturulmuştur. Bu iletken iplikler, kumaş şerit üzerine dikilmiştir. Bu sayede prototip ile gerçek üründe kullanılacak olan iletken ipliklerin testi de yapılmıştır. Prototip ile yapılan ölçümde test objesi, önce yürümekte, daha sonra durmakta ve son olarak da çömelme hareketi yapmaktadır. Yürüme esnasında, ölçüm verisinden yürüyüş aşamalarının tüm özellikleri çıkartılabilmektedir. Teorik ve pratik sonuçlar karşılaştırıldığında benzerdir. Aynı zamanda her iki dizden toplanan sinyaller karşılaştırıldığında, yürüyüş hareketine paralel olarak, sinyaller arasında faz farkı bulunmaktadır. İkinci aşama olan durma anında da sinyallerde değişim olmamaktır. Son aşama olan çömelme hareketinde, her iki sinyal birbiri ile paralel şekilde hareket etmekte ve aralarında faz farkı olmamaktadır. Tüm aşamalar incelendiğinde sistem başarılı bir şekilde dizdeki hareket yakalama yapabildiği doğrulanmıştır. Bu tez kapasitif sensörlerin büyük problemi olan mesafeye bağlı olarak ölçüm sonuçlarında oluşan gürültü problemini en az seviyeye indirmiştir. Ek olarak, kullanıcılardan veri toplayacak ve uçtan uca veri gönderebilecek bir sistem hazırlanmıştır. Sistem en uygun fiyatlı malzemeler kullanılarak tasarlandığı için ticarileşmeye de uygun olacaktır. Sonraki çalışmalarda bu yapılan çalışmalar kullanılarak, sağlık domaininde hastalar için takip sistemi, fizyoterapi uygulamaları, sporcu uygulamaları vb. geliştirilebilir. Bu tez aynı zamanda yeni çalışma alanları açtığı için bilime de önemli katkısı olacaktır.