Design of a piezoelectric tactile sensor
Piezoelektrik tabanlı dokunsal algılayıcı tasarımı
- Tez No: 350531
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. İLKER MURAT KOÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Çevreyi algılama, saç hücresi reseptörleri tarafından yapılır. Bu reseptörler, duyma hissine ulaşma, memeli hayvanlarda denge ve birçok diğer hayvanda su ve hava hareketlerinin ve çevredeki yırtıcıların tespit edilmesi gibi amaçlar için uzmanlaşmıştır. İnsanlarda ise dokunsal algılama çevreyi anlama ve onunla etkileşim olanağı sağlar. Algılama, insan elinin parmaklarının ucunda çok önemlidir. İnsanlardaki dokunma duyusu, dokunsal algılayıcıların ana ilham kaynağı olmuştur. Bu çalışmadaki amaç ise dokunma duyusuna yakınsayacak yeni nesil sentetik polimer fiber dizisinin tasarımı ve üretimidir. Bu fiber dizisinin üzerindeki basınç dağılımını algılaması amaçlanmaktadır. Tasarlanan fiber dizisinin hem yüzey pürüzlülüğüne adapte olabilen biyolojiden esinlenilmiş fiber yapısının bulunması, hem de oluşan temas ile ortaya çıkan basıncı elektriksek potansiyel farka çevirebilecek piezoelektrik ince tabakaya sahip olması gerekmektedir.Yapılan çalışmada basıncı algılama kabiliyetine sahip PVDF piezoelektrik tabakaya ilave edilmiş PDMS polimer düşey fiber dizisini sonlu eleman metodu kullanılarak analizi yapılmıştır. Gecko, örümcekler ve diğer böceklerin ayaklarında bulunan fiber yapı, çeşitli yüzeylerde üstün yapışma özelliğine sahip sentetik fibriler yapıların üretimi için ilham vermektedir. Bu hayvanların ayaklarındaki yapılar, kuru ve yaş ortamlarda vakumlu ortam dahil çok değişik yüzeylere kontrollü bir biçimde yapışmalarını sağlar. Ayrıca, bu mikro-nano yapıların yapışmalarında kendi kendine temizleme özellikleri dolayısıyla uzun süre kullanım, tekrarlanabilir yapışma ve yüzeyde herhangi bir kalıntı bırakmama gibi özellikler barındırırlar. Pasif çalışma biçiminin aksine, sentetik fiberlerle birleştirilmiş piezoelektrik algılayıcı yüzey pürüzlülüğüne çok daha kolay adapte olma kabiliyetine sahip olmakla birlikte yüzeye yapışma konusunda da daha iyi olması beklenmektedir.Piezoelektrik polimer uygulanan kuvvet sonucunda elektriksek potansiyel farkı yaratmaktadır. Bu potansiyel fark mikro/nano polimer fiberler sayesinde ayrıştırılabilir ve bu ayrıştırma polimer tabaka üzerindeki basıncın haritalandırılmasına yarar. Tasarlanan algılayıcıda PDMS polimerden üretilmiş fiberlerin çıkış voltajına ve insan elinin uzamsal çözünürlüğe yakınsamasındaki boyutsal değişkenlere etkisi araştırılmıştır. Tüm bu tasarım ölçütlerinin sağlanabilmesi statik ve dinamik çalışma koşullarının incelenmesi ve dokunma algısının altında yatan nörofizyolojinin özümsenmesini içermektedir. Bu nedenle tasarlanan algılayıcı hakkındaki bilgilerin edinilebilmesi için tüm çevre koşulları irdelenmiştir.İnsan eli ani darbeler, titreşimler ve yumuşak dokunuş gibi birçok etkiyi eşzamanlı olarak hissedebilen karmaşık bir özelleşmiş reseptörler dizisi içerir. Bu nedenle yapay insan eli dokunma hissi tasarımı oldukça zor fakat gelecek vadeden bir sorun oluşturmaktadır. İnsan eli çok düşük 0.1- 100 Hz arasında değişen titreşimleri bile algılayabilecek kadar hassastır. Bu nedenle yapılacak tasarımın amacı belirlenip buna bağlı olarak insan elinin karmaşıklığı daha basit bir seviyeye indirgenmelidir. Ancak bu sayede istenilen seviyede insan derisini taklit edebilecek algılayıcı ve eyleyici tasarımları gerçeklenebilir. Bu algılayıcılar mikro/nano boyutta kuvvet algılayıcılar, minimal ilerleme gerektiren cerrahi operasyonlar, hava akış algılayıcıları gibi uygulamalarda kullanılabilir. İnsanlardaki dokunsal algılama diğer duyularla etkileşim halindedir ve görüntü geri beslemesi olmadan yeteri kadar hassas değildir. Buna ek olarak 20-30 ms gecikmesi bulunmaktadır. Bu nedenle dokunsal algılayıcılar bu noktalarda geliştirilmelidir. Dokunsal algılayıcı teknolojisi uzamsal çözünürlük, esneklik, yüzey pürüzlülüğüne adapte olma ve dokunma algısının geniş bir alana yayılması konularında yetersiz kalmaktadır. Son dönemlerde ise geckonun ayaklarındaki üstün yapışabilme yetisi insan yapımı sentetik mikro fiber yapılarının oluşturulmasına öncü olmuştur.Mikro fiberlerin birbirlerini etkilemeyecek şekilde tasarlanmasından dolayı, algılayıcı tabaka halindeki piezoelektrik algılayıcıya oranla daha iyi yüzeye adapte olabilme ve daha iyi yapışma özelliğine sahiptir. Piezoelektrik polimerin elektrotlanması sayesinde gecko ayaklarının yapışma ve yüzeyi tanıma özelliği taklit edilmeye çalışılmıştır. Fiberlerin geometrileri sayesinde basıncın belli bir alana yoğunlaştırılması sağlanmış bu sayede birim kuvvete elde edilecek potansiyel farkın artırılması ve algılayıcının hassasiyetinin artırımı sağlanmıştır. Fakat piezoelektrik PVDF polimerin yüzey enerjisinin diğer polimerlere oranla daha düşük kalmasından dolayı yapışma özelliği yetersiz kalmaktadır. Bu ise üzerine yerleştirilmiş PDMS ya da PMMA gidi sık kullanılan polimerler sayesinde telafi edilmiştir. Ayrıca piezoelektrik polimerin yüksek olan elastisite modülü üzerindeki polimer sayesinde düşürülmüş ve daha esnek bir yapıya dönüştürülmüştür.Fiberlerin çapı ve boyu, fiberlerin arasındaki uzaklık gibi tasarımsal değişkenlerin belirlenmesi statik analizlerin yapılması ile gerçekleştirilmiştir. Burada mekanik ve elektriksel olarak fiberlerin dayanabileceği kuvvetler, birbirlerinden etkilenmesi ve temas edeceği yüzeye yapışması gibi özellikler düşünülerek fiberlerin boyutları için tasarım limitleri belirlenmiştir. Piezoelekrik filmin boyutları da bu fiberlerin birbirleri ile etkileşimini en az seviyeye indirecek kadar az, en üst düzeyde potansiyel fark yaratıp bu potansiyel farkın non-lineer seviyede olmamasını sağlayacak kadar da büyük olmalıdır.Polimer fiberlerin viskoelastik özellikleri fazla olduğundan dinamik yapıda sistem modelinde büyük farklılıklar yaratmaktadır. Buna uygun olarak tasarlanan fiber dizisine uygun viskoelastik model seçilip parametreleri bulunmuştur. Buna bağlı olarak sistem modelinin elastik modele olan farkları araştırılmıştır.Boyutları ve modeli belirlenen algılayıcı daha sonrasında dinamik koşullarda irdelenmiştir. Dinamik analizler öncelikle yapının doğal frekanslarının bulunması, daha sonrasında frekans taraması ve en son olarak darbeye karşı verdiği tepkiler simule edilmiştir. Bu sayede algılayıcının dinamik, harmonik girişlere karşı nasıl tepki vereceği gözlemlenmiştir. Bu dinamik yapının incelenmesi hem tek fiber hem de fiber dizisi için yapılmıştır. Bu sayede fiberlerin yan yana dizilmesinin her bir fibere etkisi görülmüştür.Fiber yapısının hem statik hem de dinamik olarak irdelenmesinde sonra, simülasyon testleri yapılmıştır. Öncelikle cam küresel bir yüzeyin algılayıcı üzerindeki performansı araştırılmıştır. Fiberlerin birbirlerinden ayrılmasının etkisi potansiyel fark yaratımı olarak incelenmiştir. Buna ek olarak tasarımın pürüzlü yüzeye adapte olması yanal kuvvetleri algılayabilme özellikleri tartışılmıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak üretilecek olan algılayıcının en uygun yapının oluşturulmasına katkı sağlanması istenmektedir.
Özet (Çeviri)
The sensing of the surrounding is made by hair cell receptors that are specialized in order to achieve the sense of hearing, balance in mammals and water motion and predator detection in many other animals. In humans, tactile sensing gives the ability to understand and interact with the surrounding. The sensing is crucial at the fingertips of the human hand. The human sense of touch is the main inspiration to tactile sensing. The aim of this thesis is to design and manufacture a novel synthetic polymer fiber array with sensing capability of the pressure distribution. The polymer fiber array has both bio-inspired fibrillar structures that can adapt to the surface roughness and polymer piezoelectric film that can generate potential difference proportional to the pressure generated by the contact with the surrounding.In this work, the sensing capability of polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film integrated with PDMS (Polydimethylsiloxane) polymer vertical fiber array has been analyzed using finite element method (FEM). The fiber structure on the foot of the gecko, spiders and other insects gives inspiration for production of synthetic fibrillar structures which have superior adhesion property on various surfaces. Unlike the passive mode operation of the synthetic fibrillar structures, sensing property integrated synthetic polymer fiber array has the capability of easy adaptation to the roughness of the surface and it is expected to increase the adhesion with respect to passive synthetic polymers and thin film polymers.Piezoelectric polymer generates electric potential difference with the applied force, which can be decoupled by the micro/nano polymer pillars, results in the mapping of the pressure distribution among the polymer film. The contribution of the pillars, made out of PDMS (Polydimethylsiloxane), to the output voltage and the dimensional parameters are examined for a satisfactory design that can meet the spatial resolution of the human hand. In order to meet all design requirements, the sensor design should include the static and dynamic analysis and understanding of neurophysiology of touch. Therefore, the interaction with the objects is examined which give information about the proposed sensor for both static and dynamic environments.The human hand contains a complex array of specialized receptors that can sense impacts as well as detecting vibrations and soft touch simultaneously. Therefore, design of artificial touch sense of the human hand is a hard but promising challenge including the quasi-dynamic, dynamic and impact analyses. The human hand is such sensitive that it can sense even the slightest vibrations ranging from 0.1-100 Hz. The complexity of the human skin should be reduced due to the requirements of the application area.The design parameters such as the fiber diameter, spacing ratio and aspect ratio will be analyzed by performing static analysis. Furthermore, the rough surface adaptation and use of the sensor as a shear sensor will be discussed. In the dynamic analysis, the vibration characteristics as well as viscoelastic nature of the fibers will be discussed. The outcome of this work is expected to give clues for the optimal manufacturing conditions of active fibrillar structures.
Benzer Tezler
- Modeling and development of piezoelectric based tactile sensors
Dokunsal piezoelektrik algılayıcının geliştirilmesi ve modellemesi
FARSHAD HAMEDI BAZZAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Laparoskopik cerrahide akıllı eyleyicili ameliyat aletlerinin tutucu kuvvet kontrolü ve doku ile etkileşmi
Grasping force control and tissue interaction of smart actuated surgical tools in laparoscopic surgery
MİTHAT CAN ÖZİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLSAY SÜMER
- Multi - capsule endoscopy: Demonstrations of inter - capsular control and (tactile) sensing
Çoklu - kapsül endoskopi: Kapsüller arası kontrol ve (dokunsal) algılama yöntemleri
FURKAN PEKER
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Electronics system integration and characterization of electronic skin for prosthetic applications
Electronics system integration and characterization of electronic skin for prosthetic applications
MUHAMMAD AWAIS
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT BEKER
- Pvdf tipi saydam piezoelektrik eyleyiciler ile dokunsal geribildirimli ekran tasarımı
Design of a haptic display with transparent pvdf piezoelectric actuators
ENES SELMAN EGE
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULKADİR BALIKÇI