Design, control and evaluation of educational devices with series elastic actuation
Uygulamalı eğitim amaçlı seri elastik eyleyici tahrikli eğitim cihazlarının tasarımı ve denetimi
- Tez No: 478669
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Eğitim ve Öğretim, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Education and Training, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
STEM, öğrencilerin bilim, teknoloji, mühendislik ve matematik alanlarında alacakları eğitimi her seviyede desteklemek için geliştirilmiş bir müfredattır. Son zamanlarda, bilgisayar bilimi ve algoritmik düşünme eğitiminin geleceği sekillendirecek unsurlar olarak kabul görmektedir ve STEM+C |STEM'in hesaplama(computing) ile birleşimi gibi programlar ile bu konular teşvik edilmektedir. STEM+C yalnızca içerdiği alanlara dair konuların daha kolay anlaşılır ve eğlenceli bir şekilde sunulmasını değil, verilecek eğitimin her kesimden insanlar için ekonomik ve ulaşılabilir olmasını da amaçlanmaktadır. STEM+C ideal bir eğitim ortamının öğrencinin aktif bir şekilde derse katılımıyla sağlanabileceğini ve temel kavramların teknoloji ve pratik eğitim teknikleriyle desteklenmesini savunmaktadır. Bu çalışmada, STEM+C konularının daha iyi anlatılabilmesi amacıyla, HandsOn- SEA ismini verdiğimiz, düşük maliyetli, tek serbestlik dereceli, seri elastik eyleyici tahriği ile kuvvet denetimi yapabilen bir eğitim cihazı öneriyoruz. Cihazın özgünlüğü, tutacak ve kasnak bölümleri arasına yerleştirilen çapraz esnek eklem ile sağlanmaktadır. Bu eklemin döner eksende gerçekleştirdiği sapma miktarı ölçülerek tutacak kısmına uygulanan kuvvetler hesaplanıp geri beslenerek kuvvet denetimi yapılmaktadır. HandsOn-SEA, admittans türü bir cihaz olarak, etkileşim sırasında güvenliği ve istenilen seviyede şeffalığı sağlayabilmek için kapalı çevrim kuvvet denetimi kullanmaktadır ve impedans türü eğitim amaçlı kuvvet denetimi cihazlarını tamamlar niteliktedir. HandsOn-SEA ayrıca daha karmaşık, daha fazla serbestlik dereceli kuvvet geri beslemeli cihazlarının yapı taşı olarak kullanılabilir. HandsOn-SEA, STEM+C konularını öğretmekte etkilidir. Sanal ortamlarla ziksel etkileşim, görselliğin dışında ek bir duyusal iletişim yolu oluşturarak ve öğrenim aktivitesinin daha ilgi çekici ve eğlenceli olmasını sağlayarak oğrencinin katılım kalitesini arttırmaktadır. Bunun yanı sıra, HandsOn-SEA, oğrencinin gelişiminin sayısal olarak ölçülebilmesine ve görsel verileri dokunsal hale getirerek görme engelli oğrencilerinde daha çeşitli eğitim olanaklarından faydalanabilmesine imkan sağlamaktadır. Bu bağlamda, HandsOn-SEA'nın STEM+C eğitimine katılımı için, ziksel insan-robot etkileşiminin temel kavramlarını ve algoritmik düşünmeyi anlatmakta kullanılmak uzere yonlendirmeler sunuyoruz. Fiziksel insan-robot etkileşimi eğitimi için kuvvet geri beslemeli cihazların mekanik tasarımlarının ve denetimlerinin sinerjik doğasını anlatmak üzere laboratuvar modülleri sunuyoruz. Bu modüller, özellikle öğrencilerin kuvvet denetimi sistemlerinin başarımlarını etkileyen temel ödünleşimleri laboratuvar çalışmaları ile tecrube etmelerini sağlamak uzere oluşturulmuş ve öğrenciler tarafından değerlendirilmiştir. Bu deneyler öğrencilerin farklı sertliklere sahip elastik parçalar kullanarak mekanik tasarımla birlikte denetleyiciyi değiştirmelerini ve yaptıkları tasarımsal seçimlerinin kapalı çevrim kuvvet denetimi başarımı üzerindeki etkilerini saptamalarını gerektirmektedir. HandsOn-SEA'nın, insanlarla ziksel etkileşime giren robot sistemlerinde kullanılan admittans denetimci yapılarının ve kuvvet denetimi sistemlerinde karşılaşılan temel ödünleşimlerin anlaşılmasındaki etkililiği, lisans seviyesinde verilen bir robotik dersinde kullanılarak gösterilmiştir. Benzer şekilde, algoritmik düşünmeyi desteklemek uzere kuvvet geri beslemeli cihazların öğrencilere uygulamalı ve interaktif bir eğitim sunacak şekilde kullanımını öneriyoruz. Dokunsal geri beslemenin, öğrencileri ikili karşılaştırmalara yönlendirirken aynı zamanda bilgi saklamasına imkan vermesi, sıralama ve arama algoritmalarının temel kavramlarının anlatılmasında destek sağlamaktadır. Bunun yanı sıra, sanal öğrenme ortamları ile ziksel etkileşim; daha esnek, merak uyandıran ve eğlenceli bir tecrübe sunmakta olup, aynı eğitimin ziksel unsurlar veya sadece görselleştirmeye dayanan uygulamalar ile desteklenmesine göre daha üstün sonuçlar vermektedir. Algoritma eğitiminde, kuvvet denetimli cihazlar aracılığıyla dokunsal geri beslemenin kullanılması öğrenci grupları tarafından değerlendirilmiş ve sıralama problemlerinin çözümü için ihtiyaç duyulan temel bilgileri, teknolojiden bağımsız olarak, anlatmada etkin olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
STEM is a curriculum targeted to be used in all educational levels to support the education of students in four speci c disciplines{science, technology, engineering and mathematics{in an interdisciplinary and applied approach. Recently, as computational thinking and strong foundation in computing have been identi ed as de ning features that are likely to strongly shape the future, major research and development e orts have been put together to also promote computing by programs like STEM+C, where \C" further emphasizes computing. STEM+C not only aims to make the topics concerning these elds more understandable and enjoyable, but also to make them more accessible and a ordable for every group in the society. STEM+C promotes active learning, in other words, direct involvement of the student in class instead of passively listening, as an essential feature of an ideal learning environment and advocates for the use of technology and hands-on experience for strengthening the understanding of fundamental concepts. We propose HandsOn-SEA, a low cost, single degree-of-freedom, force-controlled educational robot with series elastic actuation, to enable physical interactions with educational tools, helping solidify STEM+C concepts. The novelty of the proposed educational robot design is due to the deliberate introduction of a compliant cross- exure pivot between the actuator and the handle, whose de ections are measured to estimate interaction forces and to perform closed-loop force control. As an admittance-type robot, HandsOn-SEA relies on a force control loop to achieve the desired level of safety and transparency during physical interactions and complements the existing impedance-type force-feedback educational robot designs. HandsOn-SEA also serves as a building block of more complex, higher degrees of freedom force-feedback robot designs. HandsOn-SEA is e ective in the education of STEM+C concepts, as physical interaction with virtual educational environments not only ensures a higher level of student engagement by adding new bi-directional sensorimotor pathway for active student perception, but also improves student motivation by enabling more engaging and exciting learning experiences. Furthermore, HandsOn-SEA allows for quantitative measurements of student progress and enables visually impaired students to bene t from a larger range of educational tools, by replacing certain visual presentations with haptic feedback. Along these lines, we present the integration of HandsOn-SEA into STEM+C education, by providing guidelines for the use of the device for teaching fundamental concepts in physical human-robot interaction (pHRI) at the undergraduate level and for teaching algorithmic thinking at both the high school and undergraduate levels. For pHRI education, we provide a set of laboratory modules with HandsOn-SEA to demonstrate the synergistic nature of mechanical design and control of force feedback devices. In particular, we propose and evaluate ecacy of a set of laboratory assignments that allow students to experience the performance trade-o s inherent in force control systems due to the non-collocation between the force sensor and the actuator. These exercises require students to modify the mechanical design in addition to the controller of the educational device by assigning di erent levels of sti ness values to its compliant element, and characterize the e ects of these design choices on the closed-loop force control performance of the device. We have evaluated the ecacy of introducing HandsOn-SEA into engineering education by testing the device in a senior level robotics course and provide evidence that the device is e ective in providing experience on admittance control architectures for pHRI and instilling intuition about fundamental trade-o s in the design and control of force-feedback devices. To promote algorithmic thinking, we propose to use force-feedback educational robotic devices for hands-on teaching of algorithms and present an interactive tool for teaching several sorting and search algorithms with such educational devices. The addition of haptic feedback to teach algorithmic thinking is advantageous as haptic feedback enables an e ective means of enforcing pairwise comparisons while ensuring data hiding, a key component in explaining several core concepts while teaching several sorting and search algorithms. Furthermore, physical interactions with virtual learning environments paves the way for more exible, engaging and exciting learning experiences, surpassing what can be achieved by basic physical elements or applications based on pure visualization. We have evaluated the ecacy of introducing haptic feedback into teaching algorithmic thinking by testing the proposed force-feedback application with several student groups and provide evidence that the approach is e ective in instilling the core principle of formulating a precise sequence of instructions for performing sorting tasks, in a technology independent manner.
Benzer Tezler
- Çocuğu koklear implant adayı ebeveynlerin gereksinimlerine dayalı bilgilendirme programı geliştirilmesi
Developing an information program for parents whose children are cochlear implant candidates
NURDAN CANKUVVET
Doktora
Türkçe
2015
Eğitim ve ÖğretimAnadolu ÜniversitesiÖzel Eğitim Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MURAT DOĞAN
- Birleşik güç kalite düzenleyicisinin senkron referans yapı tabanlı uygulama tasarımı ve analizi
Syncronous reference frame based application design and analysis of unified power quality conditioner
METİN KESLER
Doktora
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN ÖZDEMİR
- Traffic and mobility aware delay modeling for software-defined networks (SDN)
Yazılım tanımlı ağlar için trafik ve hareket duyarlı gecikme modeli
MÜGE ÖZÇEVİK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Eğitim yapılarında pasif sistemlerle güneş enerjisinden yararlanılmasına yönelik bir yaklaşım
An approach utilizing solar energy through passive systems in educational buildings
ÖZLEM ZEYBEK
Doktora
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL