Optimization of compliant joints used in miniature foldable robotics
Minyatür katlanabilir robotlarda kullanılan esnek eklemlerin optimizasyonu
- Tez No: 498466
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Esnek mekanizmalar küçük ölçekli ve özellikle minyatür robotik uygulamalarında hareketli parça sayısı, sürtünme kayıpları, montaj süresi ve kolaylığı gibi avantajları nedeniyle tercih edilmektedir, ancak esnek eklemlerdeki en büyük sorun olan uzun süreli periyodik yükler altında yorulma ve kopmanın giderilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada ilk olarak minyatür, katlanabilir, dört ayaklı, dört motordan güç alan MinIAQ robotu geliştirildi ve bu robotta bahsi geçen esnek eklemler kullanıldı. Robotun hareket mekanizması, dönel yerine esnek eklemlerin kullanıldığı basit bir dört çubuk mekanizmasına dayanmaktadır. Bu eklemler, esnek kirişin eğilmesi sayesinde tek serbestlik dereceli rotasyon sağlarlar. Küçük ölçekte çok daha verimli ve kolay montaj olsa da esnek eklemler uzun süreli periyodik harekete maruz kaldıklarında yorulmaya uğrar ve koparlar. Ayrıca, robotik uygulamalarında kullanılan esnek eklemler daha önce geniş açılı kiriş teorisi modelleri ile modellenmediğinden robot kinematiğinde kullanılan esnek mekanizmalar hakkında sınırlı bir anlayış vardır. Bu tezde, minyatür esnek mekanizmalarda kullanılan esnek elemanları modellemek için lineer olmayan geniş açılı eğilmeler eliptik integral çözümleri kullanılarak modellenmiştir. Örnek olarak, basit bir esnek bacak mekanizması için eliptik integral kinematik analiz sonuçları, deneysel ve sonlu elemanlar analizi sonuçları ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bu mekanizmadaki esnek eklemin geometrik parametrelerinden bir tanesi değişirken diğerlerinin sabit kalması ile yapılan parametrik deneyler ve eliptik integral kinematik analiz sonuçları gösterilmiş ve yorumlanmıştır. Esnek eklemler eğilerek gerinim enerjisini depoladıkları için burulma yayı gibi davranırlar. Eliptik integral kinematik çözümü bu yayın içerdiği momenti de hesaba katmakta ve böylece yük taşıma kapasitesi ve gerekli motor torku için doğru sonuçlar vermektedir. Ayrıca, bu modeli kullanarak eklem üzerindeki düzlemsel stresler de elde edilir. Örnek bir çalışma olarak, MinIAQ robotunda kullanılan esnek mekanizma için eklemlerin geometrik parametrelerine dayalı bir optimizasyon yapılmış ve istenen sayıda periyodik döngü ömrünü sağlaması sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
In small scale and more specifically in miniature robotics applications, compliant mechanisms are highly preferred because of their advantages such as, less moving parts, friction losses, assembly time and effort, but their biggest challenge need to be addressed which is fatigue failure under cyclic loads. As the first step of this work, a new miniature, foldable, quadruped robot, MinIAQ, was developed whose legs are individually controlled by custom motors and encoders. The locomotion mechanism used in this robot is based on a simple four bar mechanism that consists of flexure joints instead of ideal revolute joints. These joints allow a single degree of freedom rotation provided by the bending of flexure members. Even though they are much more efficient and easier to make in small scale, such compliant joints suffer from fatigue failure, if subjected to long period of cyclic loads. Moreover, flexure joints and their use in robotic applications have not been modeled before using large deflection beam theory methods, which results with a limited understanding of the robot kinematics using compliant joints. In this thesis, elliptic integral solution of nonlinear large deflections are used to model the flexure joints used in miniature compliant mechanisms. The elliptic integral kinematic solutions are verified with experimental and FEA results by using a simple leg mechanism. With varying the geometric parameters for this simple compliant mechanism, results obtained from elliptic integral solution and experiments are presented and discussed. Since flexure joints store strain energy throughout bending, they act as torsion springs. The elliptic integral kinematic solution takes this bending moment into account and the results yield accurate load capacity of the compliant mechanism. The necessary input torque to operate the compliant mechanism can also be predicted in a more accurate manner. Using the model developed, the stresses on a compliant joint can be calculated for any mechanism. As a case study, an optimization is done for MinIAQ's compliant joints based on its geometric parameters to withstand desired number of cycles before failure.
Benzer Tezler
- Mikro esnek yükselticinin tasarımı, üretimi ve optimizasyonu
The design, manufacturing and optimization of micro compliant amplifier
ERGİN KOSA
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT TRABZON
YRD. DOÇ. DR. ÜMİT SÖNMEZ
- Seyahat otobüslerinde ECE-R/66-02 regülasyonuna göre tasarlanan yanduvar-altyapı bağlantı konseptinin optimizasyonu
Optimization the node concept of the base structure –side wall, which was desinged according to ECE-R/66-02 regulaton on coaches
AHMET KOŞTUROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
- Esnek bağlantılı düzlemsel mekanizmaların analizi ve şekil optimizasyonu
Analysis and shape optimization of planar compli̇ant mechanisms
SELİM DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK ERKAYA
- Otomotiv uygulamaları için kompozit bir şaftın yapısal analizi ve optimizasyonu
Structural analysis and optimization of a composite drive shaft for automotive applications
ERDEM OK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Piyade tipi teknelerde elektrikli tahsik sistemi optimizasyonu
Electric propulsion system optimisation for infantrytype of fishing boats
YAKUP SERHAD ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL