Development of co-design frameworks for optimal variable compliant actuation
Optimal esnek eyleme için ortak-tasarım çatılarının geliştirilmesi
- Tez No: 418662
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR, DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Değişken esnekliğe sahip eyleyiciler (DESE) tarafından tahrik edilen robotik sistemler güvenlik, performans ve enerji verimliliği gerektiren birçok uygulama açısından önemli avantajlar sağlamaktadır. Disiplinlerarası sistemler olan bu mekanizmaların tasarımları, doğaları gereği sahip oldukları tasarım bağlaşımlarını dikkate alarak mekanik ve kontrol birimlerinin birlikte tasarımını sağlayan ortak-tasarım optimizasyon yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmediği müddetçe gerçek performanslarının ortaya çıkması mümkün olmamaktadır. Bu tezin birinci bölümü sistem düzeyinde eniyilik sağladıkları kanıtlanmış yöntemler olan eş zamanlı ve içiçe ortak-tasarım çatılarının DESE-tahrikli robotik sistemler için geliştirilmelerini, ve bu tasarım çatılarının uygulanabilirlik ve etkinliklerinin, periyodik dinamik hareketlere maruz kalan ve Mekanik Olarak Ayarlanabilir Esneklikli ve Kontrol edilebilir Denge Konumlu Eyleyici (Mechanically Adjustable Compliance and Controllable Equilibrium Position Actuator-MACCEPA) tarafından tahrik edilen bir robot protezin sistem fiziksel ağırlığını düşürmek amaçlı bir tasarım hedefine göre sistem düzeyinde eniyilenmesi konulu bir örnek çalışma üzerinden gösterimini kapsamakta olan çalışmaları içermektedir. Eş zamanlı optimizasyon stratejilerine benzer olarak, içiçe ortak-tasarım çatısı sistem düzeyinde eniyi tasarımlar bulabilmekte, fakat bunu statik ve dinamik optimizasyon problemlerini birbirinden ayrıştırarak gerçekleştirmektedir. Bu ayrıştırma, problemi daha küçük altproblemlere dönüştürerek daha iyi ölçeklenebilirlik özelliği sunmakla kalmayıp aynı zamanda ihtisasa özel optimizasyon araçlarının kullanımına da imkan sağlamakta ve tasarım probleminin çözümünde uygulanabilecek optimizasyon tekniklerinin genelleştirilmesine imkan vermektedir. Buna karşılık daha az ayrıntılı bir mimariye sahip olan eş zamanlı ortak-tasarım yaklaşımı, uygulama kolaylığı ve yakınsama hızı gibi etkenlerin önem arzettiği durumlarda daha avantajlı hale gelmektedir. Literatür, sistem düzeyinde optimal robot tasarımlarının geliştirilmesi konusundaki eksikliklerin yanı sıra, farklı esnek eyleme yöntemleri ile tahrik edilen robotların performans karşılaştırmalarını içeren tümleşik çalışmalar açısından da önemli eksiklikler içermektedir. Tezin ikinci bölümü, esnek eyleyicili robotların sistem düzeyinde optimizasyonu için eş zamanlı ortak-tasarım stratejisinden faydalanılarak elde edilen bir tümleşik tasarım karşılaştırma çatısının geliştirilmesini içeren çalışmaları içermektedir. Elde edilen sistem tasarımları esnasında kullanılan eş zamanlı ortak-tasarım yöntemi tam potansiyellerinde çalışan esnek eyleyicili robotik sistemlerin sağlanmasını garanti etmekte; buna ek olarak homotopi ve Pareto optimalite kavramları kullanılarak geliştirilen tasarım karşılaştırma yaklaşımı, elde edilen çeşitli düzeyde kontrol edilebilir ve sabit esnekliğe sahip eyleyiciler tarafından tahrik edilen robot tasarımları arasında bir süreklilik meydana getirmekte ve bu sayede karşılaştırılan sistem tasarımları arasında bütünlük sağlanmaktadır. Geliştirilen karşılaştırma çatısının direkt sonucu robot tasarımcılarının, her biri en yüksek performansa sahip çeşitli sistemler arasından, iyi bilgilenmiş ve tarafsız tasarım seçimleri yapmalarına olanak sağlıyor olmasıdır. Ortaya konulan tasarım çatısının etkinliği, periyodik dinamik görev gereksinimleri altında MACCEPAeyleyici tarafından tahrik edilen aktif diz protezinin sistem düzeyinde tasarımını içeren örnek çalışmaya uygulanması suretiyle kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Robotic systems powered by variable stiffness actuators (VSAs) provide important benefits for many applications that demand safety, performance, and energy-efficiency. Being interdisciplinary systems, the performance of such devices cannot be fully utilized unless proper co-design techniques that account for the inherent design couplings by synergetically designing mechanical and control disciplines, are used for their optimization. The first part of this thesis presents development of both a simultaneous and a nested co-design framework, which are proven methods in guaranteeing system-level optimality, for robotic systems actuated by VSAs and demonstrates their applicability and effectiveness on a case study for system-level design of a robotic prosthesis driven by a Mechanically Adjustable Compliance and Controllable Equilibrium Position Actuator (MACCEPA) undergoing periodic/real-life dynamic motions for a design objective to help reduce physical system weight. Similar to the simultaneous optimization strategy, the nested co-design framework can solve for system level optima, while unlike simultaneous optimization strategies, it does so by decoupling the static and dynamic optimization problems. This decoupling not only results in better scalability due to smaller sized subproblems, but also enables generalization of optimization techniques that can be applied by allowing utilization of domain specific optimization tools. On the other hand, a simultaneous approach - due to its less elaborate structure - is advantageous for applications where implementation simplicity and convergence speed are of paramount importance. In iv addition to the generation of robot designs that are suboptimal, the literature also lacks an integrated approach for comparison of robots driven by compliant actuation strategies. In the second part of the thesis, a unified design comparison framework that utilizes the simultaneous co-design strategy for system-level optimization of compliantly actuated robots has been developed. The simultaneous co-design method which is utilized throughout system designs carried out guarantees compliantly-actuated robotic systems performing at their full potential, while a design comparison approach based on homotopy and Pareto optimality concepts maintains integrity among compared system designs via generation of a continuum of robot designs actuated with varying degrees of controllable and fixed compliance. The direct consequence of the developed framework is that it allows robot designers make well-informed and unbiased decisions in selecting designs from among a variety of systems which are guaranteed to perform at their best. Applicability of the introduced framework has been validated through its implementation using the case study example for system-optimal design of the active knee prosthesis driven by the MACCEPA actuator under periodic/real-life dynamical task requirements.
Benzer Tezler
- Mekansal analiz teknikleri ile çok kriterli karar verme yaklaşımı kullanılarak raylı sistem güzergah analizi
Rail system route analysis using multi criteria decision making with spatial analysis techniques
BERNA ÇALIŞKAN
Doktora
Türkçe
2023
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN
- A holistic design optimization method for LLC converters in light electric vehicle chargers
Hafif elektrikli araç şarj cihazlarındaki LLC dönüştürücüler için bütünsel bir tasarım optimizasyon yöntemi
ABDULSAMED LORDOĞLU
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Bir tekstil firmasında kanban sisteminin uygulanması
An Application of kanban system in a textile company
UĞUR ÖZÇER
- OIL: Oltre il Lavoro. Luoghi per l'innovazione a socialità aumentata
OIL: Beyond Work. Places for Innovation and Augmented Sociality
DANIELE SAVASTA
Yüksek Lisans
İtalyanca
2010
Endüstri Ürünleri TasarımıUniversità Iuav di VeneziaTasarım Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. ALESSANDRO PEDRON
- Dialogue for all: Crafting inclusive and humanized voice assistants for diverse populations through an interdisciplinary approach
Herkes için diyalog: Farklı topluluklar için kapsayıcı ve insani sesli asistanlar oluşturmak üzerine disiplinler arası bir yaklaşım
YELİZ YÜCEL
Doktora
İngilizce
2023
İletişim BilimleriGalatasaray ÜniversitesiRadyo Televizyon ve Sinema Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEREM RIZVANOĞLU