Design, characterization, and applications of soft 3d printed strain gauges
Yumuşak üç boyutlu yazdırılmış gerinme ölçerlerinin tasarımı, karakterizasyonu ve uygulamaları
- Tez No: 828550
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kablosuz minyatür robotlara entegre edilebilen yumuşak sensörlerin geliştirilmesi, özellikle deprem sonrası yıkılmış binalarda çevresel algılamayı artırmak açısından önemlidir. Temel amaç, makine öğrenmesi, yapay zeka veya optimizasyon gibi veri tabanlı yöntemlere ihtiyaç duymadan, robotlarda yapısal ve algısal işlev gören güvenilir yumuşak sensörler tasarlamak ve üretmektir. Yumuşak sensörler, gerilim ölçerlere benzer şekilde direnç ölçümü yaparak mekanik hareket veya şekil değişiklikleri altında direnç değişimini voltaj değişimine dönüştüren Wheatstone köprüsü kullanmaktadır. Çalışma, iki farklı yumuşak sensör tasarımını araştırmaktadır: levha tipi ve üç boyutlu sensörler. Levha tipi sensörler, bir yumuşak dört ayaklı robotun (SQuad) C-bacaklarına gömülerek yürüme kontrolünü sağlamaktadır. üç boyutlu sensörler ise robotlara yapısal olarak entegre edilerek çevresel algılamayı artırmaktadır. Yumuşak sensörlerin üretimi, iletken Termoplastik Poliüretan (cTPU) malzemesinin kullanıldığı üç boyutlu (3B) baskı teknolojisiyle kolaylaştırılmıştır. Yumuşak sensörlerin, robotlara entegrasyonunda yumuşak yapının, hareket kabiliyetinin ve çevikliğin korunması gibi zorluklar ortaya çıkmaktadır. Bu tez, yumuşak sensör kavramını farklı robotlara ve bileşenlerine uygulayarak bu zorluklara çözüm getirmektedir. Uygulanan robotlar ve bileşenler arasında SQuad robotunun C-bacağı, modüler yumuşak dört ayaklı (M-SQuad), süspansiyonlu yumuşak dört ayaklı (S-SQuad), Sensörlü Çarpışmaya Dayanıklı Robot (SCoReR) ve Yeniden Yapılandırılabilir Minyatür Modüler Robot (ReMBot) için bir kuyruk bulunmaktadır. Yumuşak sensörler, bu robotlara yürüme kontrol geri bildirimi, engel tespiti, eğim tespiti ve çarpışma algılama gibi çeşitli işlevler sağlayarak robotların fiziksel olarak zorlu ortamlarda daha uyarlanabilir olmasını sağlamaktadır. Tez, 3B baskıyla üretilebilen yumuşak üç boyutlu gerilme ölçerlerinin potansiyelini vurgulamaktadır. Bu sensörlerin kolay üretilebilmesi ve maliyet-etkin olması, giyilebilir robotlar ve insan-bilgisayar arayüzleri gibi uygulamalarda umut vaat etmektedir. Gelecek yönelimler, sensör karakterizasyon deneylerinin detaylı olarak yapılması ve güvenilirliği artırmak için algılama algoritmalarının geliştirilmesi gerekliliğine vurgu yapmaktadır. Ayrıca, bobin şekilli sensörlerin dinamik bir modelinin önerilerek, tasarım sürecinin tekrarlayan üretim aşamaları olmadan daha verimli hale getirilmesi hedeflenmektedir. Sonuç olarak, bu tez, güvenilir yumuşak sensör tasarımını, üretimini ve kablosuz minyatür robotlara entegrasyonunu sunmaktadır. Bu çalışmanın sonucunda, yumuşak sensörlerin çevresel algılamayı artırmada etkinliği kanıtlanmış ve kuvvet ölçümü uygulamaları ve insan-bilgisayar etkileşimlerinde yenilikçi çözümlere yol açabilecek potansiyeli ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
The development of soft sensors for integration into untethered miniature robots is significant for improving their environmental perception in physically challenging scenarios, such as collapsed buildings after an earthquake. The primary objective is to design and manufacture reliable soft sensors that serve as structural and sensing elements within the robots, eliminating the need for postprocessing methods like data-driven learning and optimization. The soft sensors employ resistive sensing, similar to strain gauges, and are implemented on a Wheatstone bridge to convert resistive changes into voltage changes under mechanical actuation or deformation. The study explores two categories of soft sensor designs: sheet-type and 3D shaped sensors. Sheet-type sensors are embedded in the C-legs of a soft quadruped robot (SQuad), enabling gait control, while 3D shaped sensors are structurally integrated into the robots to enhance environmental perception. Manufacturing of the soft sensors is made accessible and efficient through 3D printing technology, using conductive Thermoplastic Polyurethane (cTPU) as the printing material. Challenges arise in integrating the soft sensors into the robots while preserving their soft nature, locomotion, and agility. The thesis addresses these challenges by implementing the soft sensor concept in various robots and their parts, including the C-leg of SQuad, Modular Soft Quadruped (M-SQuad), Suspensionized Soft Quadruped (S-SQuad), Sensorized Collision Resilient Robot (SCoReR), and a tail for Reconfigurable Miniature Modular Robot (ReMBot). The soft sensors enable different functionalities to these robots, such as gait control feedback, obstacle detection, inclination detection, and collision detection, enhancing the adaptability of the robots in physically challenging environments. The thesis highlights the potential of soft 3D printed strain gauges. The ease of manufacturing and cost-efficiency of these sensors make them promising for applications in wearable robots and human-computer interfaces. Future directions are highlighted, emphasizing the need for detailed sensor characterization experiments and the development of detection algorithms to improve reliability. Additionally, a dynamic model of the coil-shaped sensors is proposed to simulate resistance changes, streamlining the design process without repetitive manufacturing iterations. As a result, this thesis presents a reliable soft sensor design, manufacturing, and integration into untethered miniature robots. The outcome of this work demonstrates the effectiveness of soft sensors in enhancing environmental perception, paving the way for innovative solutions in force measurement applications and human-computer interactions.
Benzer Tezler
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Kam yapma aparatı
Cam milling attachment
ORHAN UZUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN
- Osilaskoplar için dijital hafıza ünitesi sentezi
Başlık çevirisi yok
ZİHNİ LİMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Helisel yayların statik karakteristiklerini ölçme ve kontrol etme cihazının tasarımı ve imalatı
Design and manufacture of a device measuringand controlling the static characteristics of helical springs
MUAMMER MUSULLUOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN
- Sonbahar sera yetiştiriciliğine uygun hıyar çeşit seçimi
Selecting a cucumber variety suitable for glasshouse production in Autumn
MESUT OKTAY