Geri Dön

Origami tabanlı eklem tasarımı ve tasarımın nümerik ve deneysel analizi

Numerical and experimental analysis of A novel origami robotics based hinge design

PDF İndir

  1. Tez No: 516764
  2. Yazar: BÜŞRA DALKILINÇ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Robotik teknolojisi, elektronik ve mekaniğin ortak paydada buluşması ile ortaya çıkmış, üstün özellikli ve yüksek performanslı ürünler tasarlanmasına imkân sağlayan bir çalışma alanıdır. Bu sebeple hobi amaçlı yapılan tasarım projelerinden endüstriyel amaçlı kullanılan makinalara kadar değişen boyutlardaki çeşitli projelerin temel ögesi olmuştur. Üretim teknolojileri her geçen gün tasarımcıların ihtiyaçlarına ve tasarımlarının gereksinimlerine göre şekillenmekte ve gelişmektedir. Bazı sistemlerin yapıları geleneksel üretim yöntemleri ile üretilmeye uygun değildir; kullanılan malzemeler geleneksel üretim yöntemleri ile şekil verilemeyecek yapıdadırlar veya daha pratik ve hızlı bir üretim yöntemine ihtiyaç vardır. Sahada bu tip problemlere çözüm getirecek bir üretim yöntemine ihtiyaç duyulmuştur. Günümüzde gelişmekte olan yumuşak tabanlı robotik yenilikçi ve farklı üretim teknikleri ve robotik yapıları kullanan bir çalışma alanıdır. Adından da anlaşılacağı gibi yumuşak esnek malzemeler kullanılarak üretilen yapılar özellikle canlıların hareket kabiliyetini taklit etmek için tasarlanan projelerde sıklıkla tercih edilmektedir. Silikon ve benzeri yumuşak malzemeler ile üretilmiş pek çok doğadan esinlenerek tasarlanmış robotik çalışma olduğu gibi, endüstride farklı boyutlardaki nesneleri zarar vermeden hassas bir şekilde taşımak için kullanılan tutucu uçlarda da yumuşak tabanlı robotik tercih edilmektedir. Kullanılan malzemelerin yumuşak ve esnek olması aynı zamanda yoğunluğu da düşürdüğü için yumuşak robotik ile hafif ve en iyi hareket kabiliyetinde yapılar üretilebilir. Yüksek hareket kabiliyeti yumuşak tabanlı robotik kollarda oldukça faydalı bir özelliktir. Yumuşak robotik ile üretilen kollar engellerden kaçma veya hedef konumuna en az hata ile ulaşma konusunda sert malzemeler ile üretilmiş robotik kollara göre daha iyi bir iş çıkarırlar. Bu nedenle yumuşak robotik esnekliğin ve boyut değişkenliğinin önemli olduğu hafif ve maksimum hareket kabiliyeti gerektiren yapılarda tercih edilen bir uygulamadır. Ancak yumuşak robotları kontrol etmek sert yapıları kontrol etmekten daha zordur çünkü hareket konusunda herhangi bir limitleri bulunmamaktadır. Yumuşak tabanlı robotiğin bir alt dalı olan origami tabanlı robotik ise hızlı üretim konusunda gelişmiş bir uygulama alanıdır. Origami tabanlı robotik Japonların yüzlerce yıllık kâğıt katlama sanatından esinlenilerek oluşturulmuş bir üretim tekniği ve çalışma alanıdır. Yumuşak robotikte olduğu gibi esnek ve katlanabilir malzemeler kullanılmaktadır. Tıpkı kâğıt katlama sanatında olduğu gibi 2 boyutlu ince malzemelerin doğru katlama şeması kullanılarak arzu edilen 3 boyutlu şekli alması prensibine dayanır. Tasarımcı projesinde kullanacağı 3 boyutlu modelin 2 boyutlu katlama şemasını çıkarır ve kolayca katlayarak malzemeye şekil verir. Üretim ve tasarım 2 boyutta yapıldığı için hızlı ve pratik sonuçlar elde edilebilir. Yeni bir çalışma alanı olmasına rağmen günümüzde pekçok origami tabanlı robotik uygulaması yapılmıştır. Origami tabanlı robotik daha çok küçük boyutlu modüler araçların gövdesinde veya hareket elemanlarında tercih edilmektedir. Ayrıca“pop-up”mekanizmalarda yani kendi kendine montaj olan yapılarda da origami tabanlı robotik uygulamalarına rastlanmaktadır. Küçük boyutlu projelerin dışında devasa güneş panellerinin uzaya gönderilirken yerden kazanç sağlanması adına katlanması sırasında da origami tabanlı robotikten faydalanılmaktadır. Origami tabanlı robotik tasarımında, en hızlı ve pratik şekilde, minimum ve en temel ve ulaşılabilir malzemeler kullanarak, esnek ve hafif yapılar üretmek kullanıcıların temel hedefidir. Ancak origami tabanlı robotik ağır yükler kaldırabilen bir yapı olmadığı için endüstriyel uygulamalarda kullanım için önerilmemektedir. Bu çalışmada özellikle origami tabanlı eklemler üzerinde durulmuştur. Eklem tasarımında origami tabanlı robotiğin getirdiği hızlı ve pratik üretim pek çok fayda sağlamaktadır. Sert robotik kollar tasarımı zor ve üretimi maliyetli yapılardır. Bu nedenle genellikle çok amaçlı kullanımlar için uygun olan kollar ya da çok eksenli yapılar tercih edilmektedir. Bu sayede yeni robotik kol alımından kurtulunarak zaman ve para kazancı sağlanmaktadır. Ancak her şeye rağmen bu tip kollar maliyetlidir ve sık sık bakıma ihtiyaç duymaktadırlar. Ufak çaplı uygulamalarda sert robotik kollar tercih edilen bir çözüm yöntemi değildir. Öte yandan origami tabanlı eklemlerin bir kez tasarlanması ve 2 boyutlu şemalarının çıkarılması yeterlidir. Arzu edildiği takdirde yepyeni bir tasarım yapmak ve üretmek kolaydır. Bakıma ihtiyaçları yoktur çünkü hızlı bir şekilde yerine yenisini yapmak ne maliyet ne de zaman kaybına sebep olur. Bu özellikleri nedeniyle origami tabanlı eklem üretimi başarılı bir üretim tekniğidir. Literatürde bulunan origami tabanlı eklemler incelenmiş ve hareketlerine göre iki gruba ayrılmıştır. Bunlar dönme ve eğilme eklemleridir. Kategorize edilen eklem modelleri yük taşıma kapasitesi, hareket kabiliyeti ve üretim kolaylığı gibi performanslar açısından değerlendirilmiş ve derecelendirilmiştir. Yapılan karşılaştırmalı analiz sayesinde bu çalışma origami tabanlı eklemler için bir yol haritası görevi de görmektedir. İncelemeler sonucunda dönme eklemlerinin başarılı bir şekilde yük taşıyabildiği ve 360 derecelere kadar hareket kabiliyetine sahip olduğu tespit edilmiştir. Ancak eğilme eklemlerine bakıldığında gereksinimleri tam anlamıyla karşılayabilen bir model olmadığı görülmüştür. Literatürde bulunan eğilme eklemlerinin aşırı esnek olduğu ve bu nedenle yük taşıma kapasitelerinin zayıf olduğu görülmüştür. Eklemin fazla esnek olması yüksek hareket çıkışı verse de yay katsayısı ölçülemeyecek kadar düşük olduğu için en ufak bir kuvvet karşısında eğilmektedir. Origami tabanlı eğilme eklemlerinin yay katsayısının sıfır yakın olması nedeniyle geçmişte yapılmış hiçbir dinamik yaklaşım bulunamamıştır. Bu çalışmanın esas amacı origami tabanlı eğilme eklemlerini incelemek ve geliştirilmiş daha yüksek yay katsayılı kullanışlı bir model tasarlamaktır. Çalışmada var olan bir eğilme eklemi modeli alınıp geliştirilmiştir. Geliştirilecek modelin seçiminde en iyi hareket kabiliyetini sağlayan model tercih edilmiştir. Tasarıma origami tabanlı olmayan esnek eklemlerin hareketleri incelenerek başlanmıştır. Esnek eklemler incelendiğinde temelde hareketin eklemin iki gövdesi arasında bulunan yay elemanları ile sağlandığı ve eklemin yay katsayısının da bu yayların eşdeğer yay katsayısına eşit olduğu görülmüştür. Buradan yola çıkarak origami tabanlı eğilme eklemi paralel bağlı iki adet yaydan oluşan bir modele indirgenmiştir. Yayların paralel bağlı olması eklemin eşdeğer yay katsayısının her bir yayın yay katsayısının toplamına eşit olması anlamına gelmektedir. Geliştirilmiş eklem de bu hipotezden yola çıkılarak oluşturulmuştur. Diğer bir deyişle, paralel bağlı yay adedini arttırarak daha yüksek yay katsayılı ve daha destekli bir eklem elde edilmiş oldu. Geliştirilmiş eklemin eski ekleme göre daha iyi yay katsayısına sahip olduğu ilk etapta pratik deneyler ile gösterilmiştir. Ard arda eklenmiş 2 eklemli bir eğilme sisteminde yüksüz halde eski eklem kendini bile taşıyamazken, geliştirilmiş eklemin böyle bir problem olmadığı görülmüştür. Origami tabanlı eklemler temelde hareket kabiliyetine dayanarak modellenmektedir. 2 Boyutlu şemanın ölçüleri kullanıcının belirlediği hareket kabiliyetine dayanarak şekillenir. Çalışma kapsamında sadece paralel yerleştirilmiş eğilme eklemlerinin kullanıldığı bir robotik kol için kinematik modelleme gösterilmiş ve genelleştirilmiş formüller çıkarılmıştır. Çıkarılan formüller yardımı ile eklemlerin 2 boyutlu şemaları kolaylıkla elde edilebilmektedir. Origami tabanlı eklemler robotik kollarda kullanıldığında sistemin matematiksel modelinin çıkarılması dinamik davranışın kontrolü için önem arz etmektedir. Bu çalışmada daha önce hiçbir origami tabanlı eklem çalışmasında yapılmayan matematiksel modelin çıkartılması konusunda bir yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde sistemde kullanılacak motor seçimi kolaylıkla yapılabilmektedir. 3 Boyutlu modelleme ve stres analizinde yine daha önce origami tabanlı eklemlerde hiç uygulanmamış bir analizdir. Sadeleştirilmiş 3 boyutlu modeller yardımı ile geliştirilmiş eklemin eski eklem ile karşılaştırması daha detaylı şekilde incelenmiş, eklemlerde kullanılan malzemelerin ve geliştirilmiş eklemin boyutlarının sistemin yay katsayısına ve stres değerlerine etkisi karşılaştırılmıştır. Analitik çalışmaların yanı sıra gerçeğe en yakın sonuçların elde edilmesi için deneysel olarak da geliştirilmiş eklem ve eski eklem karşılaştırılmıştır. Bu deney aynı zamanda gerçeğe en yakın yay katsayı değerlerini de vermektedir. Karşılaştırmalar geliştirilmiş eklemin hareket kabiliyetinden kayıp vermeden aynı yük altında daha az çöktüğünü göstermiştir. Bu da geliştirilmiş eklemin yay katsayısının arttığının kanıtıdır. Sonuç olarak bu çalışmada origami tabanlı eklemler incelenmiş ve literatürde bulunan eğilme eklemi modellerinden yola çıkılarak daha iyi yük taşıma kapasitesine sahip, yüksek hareket kabiliyetinde, kullanışlı bir eklem geliştirilmiştir. Yeni eklem analitik ve deneysel olarak test edilmiş ve sonuçlar bu tezde raporlanmıştır. Tez, origami tabanlı eklemler için, ilk defa matematiksel model çıkartılması ve 3 boyutlu stres analizinin yapılması yönünden de özgün bir özelliğe sahiptir.

Özet (Çeviri)

Robotics technology is a field of study that enables the design of high-performance products that have emerged from the common areas of electronics and mechanics. For this reason, it has become the basic element of large and small projects ranging from hobby design projects to industrial machines. Production technology is being shaped and is evolving day by day according to the needs of designers and the requirements of their designs. Some systems are not suitable for production by conventional production methods: The materials used cannot be formed by conventional production methods, or a more practical and rapid production method is required. There is a need for a production method to solve such problems in the field. Today's developing soft-based robots are innovative and they employ different production techniques and robotics aspects. As can be understood from its name, constructions produced using soft, flexible materials are highly preferred, especially in projects designed to mimic the mobility of living things. Soft-bodied robotics are preferred in grippers, which are used to transport objects of various sizes without damaging them, as well as many nature-inspired robotics products created with soft materials like silicone. Since the materials used are soft and flexible, as the density is reduced, soft robotics can produce lightweight and highly mobile structures. High mobility is a very useful feature for soft robotics, and robotic arms produced with soft robotics do a better job than robotic arms produced with rigid materials when used with the aim of avoiding obstacles or reaching the target position with minimum error. For this reason, soft robotics' flexibility and variability in size are important, and their low weight and maximum mobility are preferred attributes in constructions. However, controlling soft robots is more difficult than controlling rigid structures because there are no limits to their motion. Origami-based robotics, a subdivision of soft-based robotics, is an advanced application area for rapid and simple production. Origami-based robotics is a production technique inspired from the art of folding paper, which has been used in Japan since hundreds of years. Flexible and foldable materials are used as in soft robotics. Just as in the paper folding art, 2D fine materials are based on the principle of obtaining the desired 3D shape using the correct folding scheme. The designer draws the 2D folding diagram of the 3D model that will be used in the project, and shapes it easily by folding it. As production and design are made in 2 dimensions, quick and practical results can be obtained. Although origami based robotics is a new field of study, many applications have been created until present day. Origami-based robotics is preferred on the body of small- sized modular vehicles or on their moving elements. Moreover, in pop-up mechanisms, that is, in self-assembled structures, origami-based robotics applications can be found. In addition to small-sized projects, origami-based robotics is utilized during the folding of gigantic solar panels to gain room within the satellites that are transporting them into outer space. In origami-based robotics design, users aim to produce flexible and lightweight structures, using the minimum, most basic and accessible materials in the fastest and most practical way. However, since origami-based robotics is not suitable for heavy loads, it is not recommended for use in industrial applications. In this study, origami-based joints are the focal point of analysis. Rapid and practical production of origami-based robots in the design of joints provides many benefits. Hard robotic arms are difficult to design and costly to produce. For this reason, arms or multi-axis structures are generally preferred for multi-purpose applications. This saves time and money by reducing the need for a new robot arm. However, despite all of their benefits, these types of arms are costly and need frequent maintenance. Rigid robotic arms are not the preferred method of solution in small size applications. On the other hand, origami-based joints need to be designed only once, and the only prerequisite is the 2D diagram for serial production. It is easy to produce a brand-new design that you desire. There is no need to conduct frequent maintenance on it because doing a quick replacement will cause neither money nor time loss. Because of these features, origami-based joints production is a successful technique. Origami-based joints within the literature were examined and models were categorized into two groups according to their movements. These are rotation and hinge joints. Categorized joint models are compared and rated based on certain performance types such as load carrying capacity, mobility and ease of production. Thanks to the comparative analysis conducted, this study also serves as a roadmap for origami-based joints. As a result of our investigations, it has been found that rotational joints can successfully carry a load and have the ability to move up to 360 degrees. However, looking at hinge joints, it seems that there is no model that can fully meet the requirements. It has been found that bending joints in the literature are extremely flexible, therefore their load carrying capacities are low. Since the joint is too flexible, it gives a high motion output, but the spring coefficient is too low to measure, so it tilts against the slightest force. Since the spring coefficient of the origami-based hinge joint is close to zero, no dynamic approach has been found in previous publications. The main purpose of this study is to examine origami-based hinge joints and to design a practical model with a higher spring coefficient. An existing hinge joint model was selected and developed further. The model that provides the best mobility is chosen for development. The design started with the examination of the movements of non-origami based flexure joints. When flexure joints are examined, it is seen that the motion of the joint is provided by the spring elements located between the two bodies of the moving joint, and the joint spring coefficient is equal to the equivalent spring coefficient of these springs. As a result, a model consisting of two parallel-connected springs was developed as the hinge joint model. The parallel connection of the springs means that the equivalent spring coefficient of the joint is equal to the sum of the spring coefficients of each spring. The modified model is developed based on this hypothesis. By simply increasing the number of parallel-connected springs, a higher spring constant and more stable joint were obtained. In the first stage of comparative analysis, the improved joint has been shown to have better spring coefficients than the old one with practical experiments. It was seen that an end-to-end system designed with the old hinge joint cannot even hold itself straight, even under no load. Yet, the modified model has no such problem. Origami-based joints are essentially modeled based on their mobility. The measurements of the 2D schematic are based on the mobility of the joint, which is determined by the user. In this study, kinematic modeling for a robotic arm using only parallel placed hinge joints is shown, and generalized formulas are developed. With the help of the formulas derived, the two-dimensional diagrams of the joints can easily be obtained. When origami-based joints are used in robotics, the extraction of the mathematical model of the system is important for controlling the dynamic behavior. In this study, an approach has been proposed to create a mathematical model that has not been done before in any origami-based joint study. This approach makes it easy to select the engine to be used in the system. Similarly, 3D modelling and stress analysis have never been applied to origami-based joints, either. The old hinge joint and the modified one are compared with the help of the simplified 3D model. Furthermore, 3D models are used for testing the contribution of material selection and the size of the modified hinge model on the system's stiffness coefficient and stress values. In addition to analytical and numerical studies, the joints are experimentally tested and the two joints were compared to obtain the closest results to reality. At the same time, this experiment yields the most realistic spring coefficient values. Comparisons showed that the modified hinge joint collapses less under the same load without loss of mobility. This is evidence that the spring constant of the new joint is higher than the old joint's spring constant. To summarize, in this study, origami-based joints were investigated and developed from the bending joint models available in the literature, to develop a better joint with high mobility and better load carrying capacity. The new joint has been analytically and experimentally tested, and the results are reported in this thesis. The thesis also carries the unique aspect of being, to the best of our knowledge, the first study to develop a mathematical model and conduct a 3D stress analysis for origami-based joints.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    631029

    The use of origami-based kinetic facade component to improve daylight performance in terms of leed criteria: A case of iztech innovation center

    Doğal aydınlatma performansının leed ölçütlerine göre geliştirilmesi için origami tabanlı hareketli cephe bileşeninin kullanılması: İyte ınovasyon merkezi örneği

    ZİHNİ YASİNCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mimarlıkİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA TUĞÇE KAZANASMAZ

    PROF. DR. KORAY KORKMAZ

  2. Tez No

    250708

    An investigation of the effect of origami-based instruction on elementary students' spatial ability in mathematics

    Origami-tabanlı öğretimin ilköğretim öğrencilerinin matematikteki uzamsal yetenekleri üzerine etkisinin incelenmesi

    SEDANUR ÇAKMAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Eğitim ve ÖğretimOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İlköğretim Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. MİNE IŞIKSAL

  3. Tez No

    509881

    Development of DNA origami based nanocarriers

    DNA origami tabanlı nanotaşıyıcıların geliştirilmesi

    PINAR AKKUŞ SÜT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyokimyaYeditepe Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÇULHA

  4. Tez No

    791129

    Görsel ve termal konforu iyileştirmeye yönelik origami tabanlı duyarlı cephe modeli

    Origami-based responsive facade model to improve visual and thermal comfort

    BETÜL KAHRAMANOGLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    MimarlıkKocaeli Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEŞE ÇAKICI ALP

  5. Tez No

    339946

    İlköğretim geometri öğretiminde geometrik şekiller ve cisimlerin origami yardımı ile birbirine dönüştürülmesi

    In elementary geomery education the passing of geometric shapes and objects by the help of origami

    ESRA BAYRAKTAR KURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Eğitim ve ÖğretimOndokuz Mayıs Üniversitesi

    İlköğretim Matematik Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ZUHAL ÜNAN

Geri Dön