Modeling and development of piezoelectric based tactile sensors
Dokunsal piezoelektrik algılayıcının geliştirilmesi ve modellemesi
- Tez No: 496329
- Danışmanlar: PROF. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- 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: 91
Özet
˙Insanlık tarihinin ba¸slangıcından beri, insanlar sahip oldu˘gu be¸s algılama duyusunu kullanarak, birbirleriyle ve ya¸sadıkları çevreleriyle etkile¸sime geçerler. Algılamada görevli olan bu duyular; görme, i¸sitme, dokunma, koklama ve tatma duyularıdır. Bu duyulardan biri olan dokunma duyusu, insanların günlük ya¸santısında önemli bir role sahiptir. Dokunma; kuvvet ve konum algılamada, titre¸sim, sıcaklık ve acıyı hissetmede görevli bir duyudur. Robot biliminin geli¸simiyle, robotlar ve insanlar arası etkile¸sme ve birbirleriyle i¸s birli˘ginde bulunma ihtiyacı ortaya çıkmı¸stır ve bu ihtiyaç gün geçtikçe artmı¸stır. Bu ihtiyacın kar¸sılanması ve insanlar ile robotların etkile¸simindeki kalitenin iyile¸stirilmesi için geli¸stirilen yollardan biri ise dokunsal algılayıcılar yardımıyla, dokunmaya duyarlı robotlar ve makinalar üretilmesidir. Dokunsal algılayıcılar; fiziksel temas yoluyla olu¸san basınç, titre¸sim, yumu¸saklık, doku, ¸sekil ve sıcaklık gibi fiziksel özellikleri ölçebilen ve tayin edebilen algılayıcılardır. Günümüzde, dokunsal algılayıcıların endüstri, robotik ve sa˘glık hizmetleri gibi alanlarda çok çe¸sitli uygulamaları vardır. Bu algılayıcılar yaygın olarak otomotiv sektöründe kullanılırlar. Otomotiv sektöründe kullanılan dokunsal algılayıcıların en öncelikli amacı, daha ergonomik parçalar tasarlamak ve sürü¸s kalitesini arttırmak için bir yüzey boyunca basınç da˘gılımını ölçmektir. Örne˘gin; bir koltuk veya diskli fren balatası gibi yüzeylerde kullanılırlar. Robotik alanındaki dokunsal algılayıcılar ise, ço˘gunlukla robot el uygulamalarında görülür. Bu tarz uygulamalarda kullanılan gömülü dokunsal algılayıcılar, robot parmaklarına uygulanan kuvveti ölçmek ile yükümlüdürler. Böylece, parmaklar arasında meydana gelen kayma veya a¸sırı kuvvet uygulanma olasılı˘gı bu algılayıcıların yardımıyla en aza indirgenir. Bütün bunların yanında, dokunsal algılayıcıların sa˘glık alanında da çok çe¸sitli uygulamaları vardır. Minimal ˙Invaziv Cerrahi (Laparoskopik Cerrahi) dokunsal algılayıcıların popüler oldu˘gu uygulama alanlarından bir tanesidir. Bu tarz ameliyatlarda, laparoskopik cihazların hastaya zarar vermesini engellemek ve cerrahın, hastanın bedeni hakkında bilgi almasına sa˘glamak amacıyla dokunsal algılayıcılardan yararlanılır. Günümüzde, dokunsal algılamada kullanılan birçok algılama teknolojisi vardır. Bu teknolojilerden bazıları, kapasitif, piezoresistif, optik ve piezoelektrik esaslı çalı¸san algılayıcılardır. Kapasitif esaslı dokunsal algılayıcılarda yüksek duyarlılık, statik kuvvet ölçüm kabiliyeti ve kabul edilebilir frekans yanıtı olmasına ra˘gmen, bu tarz algılayıcılarda çapraz karı¸sma gürültüsü veya alan etki¸sle¸simleri gibi sorunlar meydana gelebilir. Piezoresistif dokunsal algılayıcılar ise basit yapıda olması ve yüksek algılama aralı˘gına sahip olması nedeniyle tercih edilmektedirler. Ancak, bu algılayıcılarında bazı dezavatajları vardır. Bunlar, histerezis ve dü¸sük frekans yanıtına sahip olmalarıdır. Optik esaslı dokunsal algılayıcılar, geni¸s ölçüm aralı˘gına ve yüksek tekrarlanabilirli˘ge sahiptirler. Bu algılayıcıların ba¸slıca dezavantajları boyutları ve sertlikleridir. Bu dezavantajlar yüzünden giyilebilir ve gömülebilir de˘gillerdir. Bu proje kapsamında, piezoelektrik malzemeler kullanılmı¸stır. Bu malzemeler, dinamik yanıtlarının iyi olması ve zaman yanıtlarının hızlı olması nedeniyle tercih edilmi¸stir. Ayrıca, bu malzemelerin endüklenmi¸s elektrik yükü ile uygulanan mekanik kuvvet arasındaki ili¸skinin lineer olması tercih edilmesinde rol oynamı¸stır. Bu tezde, insandan ilham alınarak gerçeklenmi¸s esnek iki tip dokunsal algılayıcı önerilmi¸stir. Aynı zamanda, bu iki algılayıcının hassaslık ve esneklik bakımından özellikleri kar¸sıla¸stırılmı¸stır. Önerilen algılayıcıların tasarımları aynı olmasına ra˘gmen, algılama elemanları bakımından birbirinden farklılardır. Bu algılama elemanları, Kur¸sun Zirkonat Titanat (Lead Zirconate Titanate-PZT) ve Polivinilidin Florür (Polyvinylidene Fluoride - PVDF) bile¸senli olan ve sırasıyla piezoseramik ve piezopolimer olarak bilinen piezoelektri˘gin türlerindendir. Bu tezin ilk bölümünde, projenin amacı ve algılayıcılar için tanımlanmı¸s görevler açıklanmı¸stır. Kuvvet lokalizasyonu,¸sekil tanıma ve sertlik algılama önerilen algılayıcıların görevlerinden birkaçıdır. Literatür incelemesi bölümünde ise, insan dokunma mekanizması, dokunsal algılayıcılar ve bunların uygulama alanları tartı¸sılmı¸stır. Bunlara ilaveten, dokunsal algılayıcılarda kullanılan farklı algılayıcı teknolojileri, avantajları ve dezavantajları tanımlanmı¸stır. Son olarak, piezoelektrik etki ve piezoelektrik yapısal ba˘glantıları incelenmi¸stir. Tezin ikinci bölümünde, silikon kalınlı˘gı ve iki dokunma biriminin arasındaki mesafe tasarım parametreleri olarak tanımlanmı¸stır. Bu parametrelerin algılayıcının çıkı¸s voltajı üzerindeki etkisinin incelenmesi amacıyla, tekli dokunma biriminin sonlu elemanlar modeli (Finite Element Model-FEM) olu¸sturulmu¸stur. Devamı olarak, önerilen algılayıcının üretim a¸samaları açıklanmı¸stır. Projede geli¸stirilen dokunsal algılayıcılar çoklu katmanlı yapıya sahiptirler ve katman katman üretimi yapılmı¸stır. Bu katmanların ikisi elektrot katmanı (bir tanesi ortak toprak elektrotu), biri algılama elemanı ve di˘ger iki katman ise silikon kaplamalıdır. Algılayacı dizaynında silikon kaplama kullanılmasının sebebleri, algılayacıları darbelere kar¸sı daha dayanıklı yapmak, daha kompakt bir yapıya sahip olmasını ve giyilebilir olmasını sa˘glamaktır. Özellikle PZT tipli piezoelektrik algılayacılarda, algılama elemanının kırılgan olması sebebinden dolayı, silikon kaplamanın önemi daha fazladır. Bu kaplama tabakası algılayacı üzerinde uygulanabilir kuvvet aralık miktarını arttırır ve PZT'yi kırılmaktan korur. Tezin üçüncü bölümünde, tekli dokunma biriminin kuramsal modeli ve uygulanan normal kuvvetteki davranı¸sı incelenmi¸stir. Dokunma biriminin durum uzay modeline ek olarak algılayıcı ölçümlerinde kullanılan yük kuvvetlendiricisinin transfer fonksiyonu elde edilmi¸stir. Bunların yanısıra, algılayıcının ve silikonun sonlu elemanlar kullanılarak (FEM) modellemesi kısaca açıklanmı¸stır. Son olarak tezin dördüncü bölümünde, deney düzene˘gi anlatılmı¸s ve deney sonuçları tartı¸sılmı¸stır. Piezoelektrik dokunma birimlerinin impuls ve basamak yanıtlarına cevapları gözlemlenmi¸stir. PZT ve PVDF esaslı algılayıcıların ikisi de kuvvet girdisine göre birinci dereceden sistem davranı¸sı göstermi¸slerdir ve bu davranı¸s bilgisiyle sistemlerin zaman sabitleri de hesaplanmı¸stır.Algılayıcı elemanlar aynı tipte olmalarına ra˘gmen, elde edilen zaman sabitleri birbirinden farklıdır. Bu bölümde elde edilen zaman sabitleri daha sonra algılayıcı elemanlarının kalibrasyonunda kullanılmı¸slardır. Buna ek olarak, dokunsal algılayıcı üzerindeki uygulanan kuvvet ve çıkı¸s voltajı arasındaki ili¸ski incelenmi¸stir. Bu incelemeler sonucunda beklenildi˘gi gibi ili¸skinin lineer oldu˘gu gözlemlenmi¸stir. PZT ve PVDF esaslı dokunsal algılayıcıların korelasyon katsayıları sırasıyla 0,9942 ve 0,9933 olarak hesaplanmı¸stır. Çalı¸smanın devamında, algılayıcıların frekansa ba˘glı fonksiyonu elde edilmi¸stir. Ayrıca, silikonun kalınlı˘gının dokunma birimlerinin çıkı¸s voltajları üzerindeki etkisi incelenmi¸stir. Daha sonra algılayıcıların kuvvet lokalizasyon becerisi test edilmi¸s ve bu beceriler birbirleriyle kar¸sıla¸stırılmı¸stır. Bu bölümün en son kısmında ise, yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar ile üçüncü bölümde hesaplanan tekli dokunma biriminin kuramsal ve sonlu elemanlar modeli frekans yanıtı açısından kar¸sıla¸stırılmı¸stır. Bu kar¸sıla¸stırmalar sonucunda karakök ortalama yöntemiyle bulunan hata oranları hesaplanmı¸stır. Tekli dokunma biriminin kuramsal modeli için bulunan hata oranı %9,75 ve sonlu elemanlar modeli için bulunan hata oranı ise %11,58'dir. Sonuç olarak, önerilen dokunsal algılayıcıların ikisinin de kuvvet lokalizasyonu yapılabildi˘gi gözlemlenmi¸stir. Ancak, PZT esaslı dokunsal algılayıcıların bu görevde daha çok ba¸sarılı oldu˘gu ortaya çıkmı¸stır. PVDF esaslı dokunsal algılayıcılarda genellikle kuvvet lokalizasyon kalitesini azaltan çapraz karı¸sma (crosstalk) gürültüleri görülmü¸stür. ˙Insandan ilham alınarak yapılan ve kompakt tasarımlara sahip olan bu dokunsal algılayıcılar, robotik manipülatörlere entegre edilebilir veya insanın avuç içine yerle¸stirilebilirler. PZT esaslı dokunsal algılayıcıların kuvvet duyarlılı˘gı, PVDF esaslı olanlara göre daha fazlayken, PVDF esaslı dokunsal algılayıcıların giyilebilirli˘gi, PVDF malzemelerin esnekli˘ginden dolayı daha iyidir.
Özet (Çeviri)
Humankind interacts with each other and their environment by their five senses: see, hear, touch, smell and taste. The touch sense has a significant role in humans daily life. This sense is responsible for perceiving force and its position, vibration, slip, temperature and pain. By development of robotic science, the need of interacting and collaborating between robots and humans has been increased. One of the ways to enhance the quality of this interaction between humans and robots is to produce touch sensitive robots and machines with the help of tactile sensors. Tactile sensors are the sensors with the ability of measuring and determination of physical properties such as pressure, vibration, softness, texture, shape and temperature through physical contact. Nowadays tactile sensors are used in a variety of applications in industry, robotic and healthcare fields. Tactile sensors are commonly used in automotive industry. The main purpose of utilizing tactile sensor in this industry is to measure the pressure distribution over a surface such as a seat or a brake pad to design more ergonomic components and increase the driving quality. Tactile sensors applications in the robotic field are mostly seen in robotic grippers. In these type of applications, the embedded tactile sensor is responsible to measure the applied force. With help of this sensor, the possibility of slippage or over forcing decreases. Besides all of these, tactile sensors have various applications in healthcare. Minimally Invasive Surgery (MIS) is one of the fields that using tactile sensor are getting popular. In this type of surgery, the tactile sensor is utilized in laparoscopic devices to avoid harming patient and help the surgeon to get information about the patient's body. In this thesis, two types of human-inspired flexible tactile sensors have been proposed and their properties in term of sensitivity and flexibility have been compared. Even though the design of the proposed sensors is same, they are different in their sensing element. These sensing elements are Lead Zirconate Titanate (PZT) and Polyvinylidene Fluoride (PVDF) which are piezoceramic and piezopolymer types of piezoelectric respectively. In the first chapter of this thesis, the aim of the project and the tasks defined for the sensors are explained. In literature review section, human touch mechanism, tactile sensors, and their application areas have been discussed. In the following the different sensing technologies used in the tactile sensors and their advantages and disadvantages have been described. Finally, piezoelectricity and piezoelectric constitutive relationships have been studied. In the second chapter, the design parameters are defined. In order to study the effects of these parameters on the output voltage of the sensor, finite element model (FEM) of the single sensing unit (taxels) has been prepared. In the following, manufacturing steps of the proposed sensor have been described. The third chapter theoretical model of single taxel and behavior of that to applied normal force has been investigated . In addition to state space model of taxels, transfer function of charge amplifier used in measurements are obtained. Moreover, FEM modeling of the sensor and the silicone modeling has been explained briefly. Finally, in the fourth chapter, the experimental setup and results are discussed. The response of piezoelectric taxels to impulse and step responses have experimented. Moreover, Frequency response function of the sensors has been obtained. Moreover, The effect of silicone thickness on taxel's output voltage is studied. Lastly, the force localization ability of the sensors tested and compared with each other. In conclusion, it has been observed that both of the proposed tactile sensors are capable of force localization. However, PZT based tactile sensors are more successful in this task. In PVDF type tactile sensors crosstalk noises are seen commonly which decreases the quality of force localization. These human inspired tactile sensors with their compact designs can be embedded in robotic manipulators or they can be placed on the palm of the hand. It has been observed that the force sensitivity of PZT based tactile sensor is higher than PVDF one whereas the wearability of PVDF based tactile sensor is better due to the flexibility of PVDF materials.
Benzer Tezler
- Piezoelektrik tutucunun dizayn ve analizi
The design and analysis of piezoelectric gripper
SEMİH SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HİKMET KOCABAŞ
- An investigation of piezoelectric vibration energy harvesting efficiency based on stress distribution
Gerilim dağılımı temelli piezoelektrik enerji hasadı veriminin incelenmesi
CEVAT VOLKAN KARADAĞ
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEZİH TOPALOĞLU
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Nano-scale chemically modified thin film characterization for chemical mechanical planarization applications
Nano-boyutta kimyasal modifiye edilmiş ince filmlerin kimyasal-mekanik düzleştirme uygulamaları için karakterizasyonu
AYŞE KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜL BAHAR BAŞIM DOĞAN
- Modeling and simulation of ultrasonic backscattering effects as intrabody communication application based on PMUT arrays
Başlık çevirisi yok
KUBİLAY KAAN BAHÇECİ