FBE- Konstrüksiyon Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, sadece yüksek lisans düzeyinde eğitim vermektedir
Gözat
Sustainable Development Goal "none" ile FBE- Konstrüksiyon Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeNumerical and experimental investigation of bioinspired soft robotic actuator that creates vacuum(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Çivici, Umut Serdar ; Parlar, Zeynep ; 637404 ; Makine MühendisliğiRobotlar sanayi devriminden sonra insanların en büyük yardımcıları olmuşlardır. Gelişen malzeme bilgisi, seri üretime artan talep ve otomasyona geçiş zorunluluğu robotların imalat süreçlerine dâhil olmasını mecbur kılmıştır. Robotlar güçlü, dayanıklı mekanizmaları ve verilen görevi hatasız olarak istenilen zamanda yapmalarından dolayı otomotiv sektöründen havacılık sektörüne kadar çeşitli yerlerde kullanılmışlardır. Robotların kullanım alanlarında çalışan insanlar için yarattığı tehlikeler ve güvenlik sorunları, günümüzde daha güvenli ve insanlar ile etkileşim içinde çalışabilecek olan yumuşak robotların ortaya çıkmasını sağlamıştır. Yumuşak robotların kullanım alanları: tıpta kullanılan yapay kaslar, otomasyon ve imalat süreçlerinde kullanılan tutucular, giyilebilir insan-robot etkileşimli uygulamalar olarak sınıflandırılabilir. Daha da önemlisi bu yenilikçi robot alanı NASA'nın Langley's Makerspace Laboratuvarlarında uzay araştırmaları ve uzayda üretimi konusunda çalışılmaktadır. Bu tez kapsamında, tasarımında doğadan esinlenilmiş yumuşak robotun vakum kabiliyeti nümerik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Doğadan esinlenme ve doğayı kopyalama terminolojileri yumuşak robotik sistemlerin temel yapı taşı olarak düşünülebilir. Doğayı yansıtma ve insanlığın sahip olduğu sorunları çözme kabiliyetleri bakımından bu terminolojilerin kullanıldığı uygulamalar günümüzde gittikçe daha da yaygınlaşmaktadır. Doğadan esinlenilmiş yumuşak robot tasarımları ilham kaynağı olarak doğayı almalarının yanı sıra biyolojik mekanizmaların fonksiyonlarını kopyalayarak insan hayatına girmektedir. Bu tasarımlara, ahtapotların vakum kabiliyetlerinden faydalanılarak tasarlanmış vantuzlar, geckonun adeziv fibrillerinden esinlenilerek üretilmiş yapılar ve denizanasının hareket mekanizmasını yansıtan mekanizmalar örnek olarak verilebilir. Yumuşak robotların bu kabiliyetlerinin yanı sıra, malzemelerinin yumuşak, elastik, deforme olmaya elverişli olmaları ve serbestlik derecelerinin fazla olması onları konvansiyonel robotik sistemlerden ayırır. Bu çalışmanın ana amacı, hava ile tahrik edilebilen ve vakum kuvveti yaratabilecek yumuşak bir robotu tasarlamaktır. Bu tezde yöntem olarak vakum kuvvetini konvansiyonel vakum pompaları ile yapmak yerine, yumuşak robotun kubbe halini almasını sağlayarak vakum kuvveti oluşturmaktır. Yumuşak robotların hem lineer olmayan yapılarından dolayı (gerek malzeme gerekse hareketleri sonucu büyük deformasyona uğramaları), hareketlerinin tahmini ve kontrolünü sağlamak için sonlu elemanlar yöntemi kullanılmaktadır. Bu tezde yumuşak robotların tahrik yöntemlerinden biri olan hava akışının modellenmesi ve akış-katı analizinin sonuçları, sadece katı analizi yapılarak (gaz basıncının duvarlara uygulanması) elde edilen sonuçlar ile örtüştüğü için zaman ve hesaplama olarak daha pahalı bir analiz olan akış-katı analizi tercih edilmemiştir. Yumuşak robotun hava ile doldurulması sırasında şekil değişimini ve robotun hareketini üretmeden önce tahmin edebilmek üzere ABAQUS yazılımı kullanılarak lineer olmayan sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Tasarım sürecince ilk adım robotun tahrik edileceği hava kanal yapılarını belirlemektir. Tasarlanan yumuşak robotun iki adet hava boşluğu bulunmaktadır, bunlardan birincisi hava ile tahrik edilecek ve yumuşak robotun genişleyip kubbe şeklini almasını sağlayacak olan hava kanalıdır. İkinci hava kanalı ise kubbe şeklini alan yumuşak robotun vakum kuvvetini oluşturacağı ve yapının altında bulunan hava kanalıdır. Bu çalışmada beş adet hava kanalı geometrisi seçilmiştir bunlar: spiral, semicircular, center spiral channel, circular channel ve vertical channel. Araştırmalar ve analizler sonucu hava kanalı geometrisindeki dairesel tasarım ne kadar fazla olursa o kadar fazla vakum kuvveti elde edildiği gözlemlenmiştir. İkinci adım yumuşak robotun dış geometrisinin seçiminin yapılmasıdır. Dış geometrinin seçiminde doğada var olan yapılar göz önünde bulunarak araştırma yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda geckonun adeziv fibrilleri ve ahtapotun kol modüllerinin yapısının tutundukları yüzeyde maksimum vakum kuvvetini oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bunların yanı sıra ahtapotun kol modüllerinin yapısı yumuşak robotik sistem tasarımı için daha uygun olduğuna karar verilmiş ve yumuşak robotun dış geometrisi ahtapot kolunun basitleştirilmiş geometrisi olarak tasarlanmıştır. Yumuşak robotun hiper-elastik malzeme yapısı üzerinde daha çok kontrol sağlamak ve kubbe yapısını arttırmak için yumuşak robotun malzemesinden daha rijit bir malzeme olan kağıt tabakası, yumuşak robotun tahrik edilen hava kanallarının altına yerleştirilmiştir. Bu yöntem yumuşak robotun elastik malzeme yapısı sayesinde şişmesini, fakat daha rijit bir malzeme olan kağıdın eklendiği kısmın daha az deforme olmasını sağlayacaktır, böylelikle istenilen kubbe yapısı arttırılarak vakum kuvveti artacaktır. Üçüncü adım yumuşak robotun malzeme seçimini yapmaktır. Yapılan araştırmalar sonucunda yumuşak robot imalat alanında kullanılan "Smooth-on" firmasının "Ecoflex 0030" modelinin yaygın olarak kullanıldığı görülmüştür. Malzemenin hiper-elastik yapıda olması ve hava ile şişirilip dayanıklı yapısı sayesinde yüksek deformasyonları kaldırabilmesi sayesinde yumuşak robot malzemesi olarak seçilmiştir. Dördüncü adım yumuşak robotun yukarıda verilen tasarım ve sınır koşulları çerçevesinde üretimini yapmadan önce hareketinin tahminini ve oluşturacağı vakum kuvvetinin büyüklüğünü anlamak için sonlu elemanlar analizinin yapılmasıdır. Malzemenin yapısı ve geometrinin yüksek deformasyonlara maruz kalması analiz tipinin lineer olmayan analiz olmasına sebep olmuştur. Analizin en önemli sınır koşullarından biri, hava kanallarının yüzeyine basınç uygulanması sonucunda yumuşak robotun hava ile şişmesi modellenmiştir. Yapılan araştırmalar ve bu alandaki önceki çalışmalara bakıldığında akışkanlar dinamiği ile çözüm yönteminin sonuçlara etkisinin çok fazla olmayacağına karar verilmiş ve denge durumunda oluşacak vakum kuvvetinin önemi bu çalışmada daha önemli görüldüğü için hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözüm yöntemi olarak seçilmemiştir. Beş adet seçilen hava kanalı tasarımlarında her bir model için dokuz adet analiz ile toplamda kırk beş analiz yapılmıştır. Vakum kuvvetini oluşturan iki temel parametre olarak kağıt kalınlığı ve kontak alanı seçilmiştir. Kağıt kalınlığının vakum kuvveti üzerindeki etkisini incelemek için üç farklı kalınlık belirlenmiş ve her bir model için uygulanmıştır. Diğer bir taraftan kontak alanının vakum kuvvetine etkisinin incelenmesi için üç farklı değer seçilmiş ve aynı şekilde her tasarım için uygulanmıştır. Beşinci ve son adım olarak yumuşak robotun üretimi ve deneyi anlatılmıştır. Üretim yöntemi, sıvı silikonun üç boyutlu yazıcıdan basılmış plastik kalıplara dökülüp beklenmesi ile yumuşak robot üretilmiştir. Referans geometri olarak spiral hava kanalına sahip tasarım seçilmiş ve üretilmiştir ve deneysel olarak sonlu elemanlar modelinin doğrulanması bu model ile yapılmıştır. Deneysel olarak ise sonlu elemanlar analizinde uygulanan iç hava basıncı plastik hortum yardımı ile hava kanalı içine aktarılmış ve oluşan vakum kuvveti basınç sensörleri ile takip edilmiştir. Yapılan analizler ve deneyler sonucunda, center spiral hava kanallarına sahip olan aktüatör diğer önerilen hava kanallarına göre daha fazla vakum kuvveti oluştuğu gözlemlenmiştir. Kağıt kalınlığı ve kontak alanı etkisi incelendiğinde ise kağıt kalınlığının inceliği vakum kuvvetini olumlu yönde etkilerken kontak alanının azalması vakum kuvvetini azalttığı gözlemlenmiştir. Center spiral aktüatörün vakum uygulamalarında, insan robot etkileşiminin güvenli olması istenen uygulamalarda, sağlık alanında ve seri üretim hatlarında vakum ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılmasının faydalı olacağı sonucuna varılmıştır.