Design and implementation of origami inspired miniature parallel mechanisms
Origamiden esinlenilmiş minyatür paralel mekanizmaların tasarımı ve uygulaması
- Tez No: 636900
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ALTINKAYNAK, ÖĞR. GÖR. MERVE ACER KALAFAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Robotik sistemler artık sadece ağır sanayi ve endüstride kullanılmaktan çıkmış olup tıp, tarım ve ya hizmet sektörü gibi insanların hayatı ile etkileşime geçebilecek yerler gibi bir sürü sektör içine girmeye başlamıştır. Tahmin edilebileceği gibi her sektörün kendine özgü istekleri vardır. Bu farklılıklar ölçek, malzeme, ağırlık gibi mekanik özellikler olabileceği gibi yeni çalışma şartları, çalışma alanları ve hatta dış görünüş olarak bile sıralanabilir. Fakat ortaya çıkan bu yeni istekleri, var olan geleneksel yöntemler karşılayamamaya başlamıştır. Özellikle küçük ölçekli robotik sistemlerin tasarımı ve üretimi oldukça zordur. Bunun sebepleri ölçülerin küçüklüğü nedeni ile dayanımın düşmesi, çok küçük bağlantı elemanlarına ihtiyacın olması ve küçük yapılarının birleştirme zorluğu gibi zaman alıcı işlemler ve yüksek maliyet olarak söylenebilir. Bu çalışmada küçük ölçekli robotik sistemler için yaygın olarak kullanılan origamiden esinlenilmiş tasarım yöntemlerinden ve iki boyutlu yekpare katmanlı üretim tekniklerinden yararlanılarak, içinde gömülü sensörü bulunan paralel mekanizma tasarımı yapılmıştır. Buna ek olarak yekpare üretim tekniğinde sürekli karşılaşılan, montaj sırasında düzlemsel yapıyı bozan ve kullanılan tekniğin temel basamakları dışında katlama ve yapıştırma gibi ara basamakların olmaması amaçlanmıştır. Üretilmek istenen mekanizmaların montaj süreci sadece teknikten gelen kes – yapıştır – tekrarla adımlarından oluşmaktadır. Bununla birlikte mekanizmaların içine gömülecek sensörün de kullanılan üretim tekniğine uygun olması gerekmektedir. Projede kullanılan üretim yöntemi“Akıllı Kompozit Mikro-yapılar”(Smart Composite Micro-structures“SCM”) olarak seçilmiştir. Bu üretim yöntemi temel olarak farklı özelliklerdeki levha malzemelerin belirli desenler ile kesilip üst üste birleştirilmesi olarak tarif edilebilir. Bu yöntem ile yapı içerisine mekanizmalardaki mafsalları taklit eden eklem yapıları yerleştirilebilir. Eklemler iki farklı rijit parçanın birbiri ile esnek bir parça tarafından bağlanması ile oluşturulur. Sonuç olarak ortaya en basit olarak beş katmanlı bir yapı çıkmaktadır. Bu katmanlar sırası ile rijit – yapışkan – esnek – yapışkan – rijit katmanlardır. Rijit katmanların karşılıklı belirli bölgeleri kesilirse ve aralarında sadece esnek katmak kalması sağlanırsa, esnek katmanın özelliklerine bağlı olarak iki ayrı rijit katman birbirinden bağımsız olarak hareket edebilir. Böylece eğer kesilecek desenler doğru bir şekilde tasarlanırsa bu yöntem ile bir mekanizma üretmek mümkündür. Bunların dışında bu çalışmada kullanılan malzemeler rijit katman için 400 gram ağırlığındaki Amerikan Bristol kağıdı iken esnek katman için PET adı verilen plastik levhalar ve üç boyutlu yazıcıdan tek ve iki katmanlı basılmış TPU malzemesidir. Mekanizmalarda kullanılacak desenler için origamiden esinlenilmiş tasarım yöntemleri kullanılmıştır. Daha spesifik olarak mekanizmaların eklemleri kastedilmektedir. Tasarlanacak mekanizmalarda bir, iki ve üç serbestlik dereceli olmak üzere farklı eklem tipleri bulunmaktadır. Bu eklem tiplerinin oluşturduğu desenlerin en temel elemanı aynı olsa bile yerleşimleri farklıdır. Örnek vermek gerekirse bir serbestlik dereceli döner eklemin deseni basit olarak bir kesik çizgidir. Rijit bir levhanın ortasına bir kesik atılırsa ve bu oluşan iki ayrı parça birbirleri ile bir esnek levha ile bağlanırsa, bağımsız olarak tek eksende dönebilirler. Benzer olarak iki serbestlik dereceli üniversal eklem, iki tane bir serbestlik dereceli eklemin 90⁰ derece açı ve bir uç noktaları birleşecek şekilde yerleştirilmesi ile oluşmaktadır. Bunlardan biraz daha karmaşık olarak üç serbestlik dereceli küresel eklem iki çapraz kesik ve ortadan geçen bir düz kesik ile oluşturulabilir. Oluşturulan bu eklemler mekanizmaların geleneksel yapıları göz önünde bulundurularak rijit levha üzerine yerleştirilir. Daha sonra seçilmiş olan üretim yöntemi ile mekanizmalar üretilmiştir. Bu projede tasarlanmak istenen üç tane farklı paralel mekanizma vardır. Bunlar Pantograf, Delta ve Stewart mekanizmasıdır. Tasarım süreci 2 serbestlik dereceli olan Pantograf mekanizmasından başlayıp, 3 serbestlik dereceli olan Delta mekanizması ile devam etmiş son olarak da altı serbestlik dereceli Stewart mekanizması ile sona ermiştir. Görüldüğü gibi amaç birbirinden farklı serbestlik derecelerine sahip olan mekanizmaların tasarımını gerçekleştirmektir. Paralel mekanizmaların seçilme nedeni yapıları itibari ile ölçeklenebilir olmaları yani boyutları küçüldükçe bulunan özelliklerini yitirmemeleridir. Hatta bazı durumlarda yapı küçüldükçe performansın artığı bile görülmektedir. Diğer bir sebep ise kapalı çevrim kinematik zincire sahip paralel mekanizmaların 2D üretim tekniklerine uygunluğudur. Bunun nedeni bütün kolların birbiri ile bağlı olup, açık bir ucunun olmaması ve dolayısıyla katmanların tamamen entegre bir şekilde tasarlanabilmesidir. Bu bilgiler ışığında origamiden esinlenilmiş yöntemler ve 2D üretim tekniği ile paralel mekanizmalar ortaya çıkarılmıştır. Pantograf mekanizması projedeki en basit mekanizmadır ve ilk deneylerin yapıldığı başlangıç mekanizmasıdır. Bu mekanizmada istenen tasarım esasları, üretim yöntemi ve gömülü sensörün genel olarak nasıl yapılabileceğinin testleri yapılmıştır. Bir ucu sabitlendiğinde öteki ucu, orta noktasına verilen hareketi belirli bir oran ile tekrar edebilen bu mekanizma eskiden kopyalama işlerinde kullanılmıştır. Bu projede ise sabitlenen kısma bir açısal eyleyici ve mekanizmanın orta noktası ile başka bir nokta arasına bir lineer eyleyici koyularak iki serbestlik dereceye sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Ortaya çıkan yapının kinematik analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonra bu yapının desenleri iki boyutlu çizim programları kullanılarak daha önce bahsedilen tekniklere uygun şekilde ortaya çıkarılmıştır. Yapısı gereği sadece döner eklemlerden oluştuğu için ortaya çıkan desenler çok karmaşık değildirler. İki boyutlu tasarımı yapıldıktan sonra mekanizmanın üç boyutlu modeli katı modelleme programları ile oluşturulmuştur. Kinematik model ile oluşturulan bu katı modelin karşılaştırılması yapılarak, tasarlanan kolların rijit olması durumunda bu iki modelin hareketlerinin birbiri ile uygun olduğu görülmüştür. Son olarak tasarlanan mekanizmanın üretimi gerçekleştirilmiştir. Pantograf mekanizması ön deneylerin yapıldığı mekanizma olduğu için detaylı deneyleri yapılmamıştır. Tasarlanan ikinci mekanizma üç serbestlik derece Delta mekanizmasıdır. Delta mekanizması 1990'larda Clavel tarafından tut – ve – bırak işlemi için tasarlanmıştır. Bir hareketli platform, bir sabit platform, üç paralelogram yapısı ve üç bacaktan oluşmaktadır. İçerisinde bulunan eklemler ise döner ve üniversal eklemlerdir. Mekanizmanın hareketli platformu her zaman sabit platform ile paralel hareket etmektedir. Mekanizmanın tasarımı geleneksel Delta mekanizmasının tasarımı göz önüne alınarak yapılmıştır. Pantograf mekanizmasından elde edilen bilgiler Delta mekanizmasına doğrudan aktarılmıştır. Delta mekanizmasındaki en önemli unsur montaj süreçlerindeki düzlemsel yapıyı bozmadan bir paralelogram tasarımı gerçekleştirmektir. Bu yüzden paralelogram yapısı tasarlandıktan sonra (düzlemsel yöntemlerinde sebep olduğu) ortaya çıkan bir takım yan etkiler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Daha sonra mekanizmanın kinematik analizleri yapılmıştır. Bu analizler doğrultusunda istenilen tasarım ve üretim yöntemine uygun iki boyutlu desenler ortaya çıkarılmıştır. Aynı desen yapısı kullanılarak Delta mekanizmasının da üç boyutlu modeli oluşturulmuştur. Kinematik model ile üç boyutlu model karşılaştırılıp mekanizmanın uygunluğu onaylanmıştır. Daha sonra mekanizmanın gömülü sensörlü üretimi yapılıp mekanizma ve sensör üzerine detaylı deneyler yapılmıştır. Yapılan deneylerden sonra üretimi yapılmış Delta mekanizmasının kinematik modeli küçük hatalar ile takip edebildiği kanısına varılmıştır. Bunun yanı sıra kullanılan esnek ve rijit katmanlarının uyumunun mekanizma üzerine doğrudan bir etkisi olduğu sonucu da ortaya çıkmıştır. Tasarımı yapılan son mekanizma Stewart mekanizmasıdır. Stewart mekanizması üç öteleme ve üç dönme olmak üzere altı serbestlik derecesine sahip bir mekanizmadır. Yaygın olarak hareketli ve sabit platformlar dışında altı tane lineer eyleyicili bacağa sahiptir. Lineer eyleyiciler, kullanılacak olan yöntemler ile düzlemsel yapıyı bozmadan üretilemeyeceği için tek bir bacak yerine aralarında küresel eklem bulunan iki tane bacak kullanılmıştır. Bu bacakların bir tanesi sabit platforma döner eklem, diğeri ise hareketli platforma üniversal eklem ile bağlanmıştır. Eklem tipleri belli olduktan sonra mekanizmanın iki boyutlu tasarımı yani desenleri çıkarılmıştır. İki boyutlu tasarımının yapılabildiği görülünce ortaya çıkarılan bu yapının ters kinematik modeli ve katı modeli oluşturulmuştur. Bu iki model karşılaştırılıp mekanizmanın rijit bacaklar ile düzgün hareket edip etmediği kontrol edilmiştir. Son olarak mekanizmanın gömülü sensörlü hali üretilip üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu deneyler üretilmiş Stewart mekanizmasının altı serbestlik derecesine sahip olduğunu ve verilen girişleri küçük hatalar ile takip edebildiğini göstermiştir. Mekanizmaların uç noktasının konumunun hesaplaması sırasında gereken açıları ölçmek için bir sensör tasarlanması gerekmektedir. Bu sensör sayesinde doğru dinamik modeller kullanılarak motor ve uç nokta kontrolleri yapılabilir. Bu projede tasarlanan sensör iki rijit kol arasındaki açıyı ölçmek için yapılmıştır. Rijitlerin arasında bulunan esnek katmanda, dönmeden dolayı ortaya çıkan katman üzerindeki gerilme ve uzamalardan faydalanmak için bir gerinim ölçer tasarlanmıştır. Hali hazırda piyasada bulunan gerinim ölçerler, katmanlar arasına gömülmek için uygun olmadığıdan farklı bir yöntem olan gümüş nano parçacıklı mürekkep ve inkjet yazıcılar kullanılmıştır. Plastik PET levha üzerine inkjet yazıcılar kullanarak gümüş nano parçacıklı mürekkep ile iletken yollar basılabilmektedir. Bir gerinim ölçer şekli basıldığında, esnek levhadaki uzama ve kısalmalar tespit edilebilmektedir. Basılan PET levha rijit levhalardaki eklem kısımlarına konulduğunda ise iki rijit levha arasındaki açı ve esnek levhadaki uzama arasında bir bağlantı oluşmaktadır. Sensörün sadece tasarım kısmı değil konumu, yerleşimleri, kesimleri ve kablo bağlantıları üzerine de detaylı çalışmalar yapılmıştır. Daha sonra her bir mekanizmanın gerekli yerlerine sensörler tasarlanmış ve üretim yöntemine entegre edilmiştir. Sensörün ilk çalışmaları Pantograf mekanizması üzerinde yapılsa da, detaylı çalışmalar Delta mekanizmasında yapılmıştır. Deneyler sonucunda sensörün 9⁰ ve altındaki açıları ölçebileceği görülmüştür. Yapılan mekanizmaların denemesi için her birine özel olarak test platformları tasarlanmıştır. Bu test platformları üç boyutlu yazıcılar ile üretilmiş olup içerisinde mekanizmanın oturacağı yer, motor yerleri, motor – bacak bağlantı aparatları ve mekanizmaların uç noktasının hareketini takip etmek için kullanılan altı serbestlik dereceli pozisyon sensörünün referansı bulundurmaktadır. Deneyler için robot servo motorları kullanılmıştır. Mekanizmaların farklılığından dolayı ortaya çıkan spesifik durumlar test platformlarına aktarılmıştır. Yapılan deneyler; noktasal deneyler, çember profili ile sürekli hareket deneyleri ve sadece Stewart mekanizmasında olan dönme deneyleri şeklinde sıralanabilir. Ayrıca farklı esnek malzemelerin etkisini görmek için Delta mekanizması kullanılarak aynı deneyler tekrarlanmıştır. Genel olarak söylemek gerekirse bütün mekanizmalar başarılı bir şekilde deneyleri tamamlamışlardır. Sensör verileri voltaj bölücü devresi ve DAQ sinyal işleme kartı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Delta ve Stewart mekanizması içerisine gömülmüş olan sensörlerden açı değerleri başarılı bir şekilde okunabilmiştir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, robotic systems are not only used for heavy industries, but also they are used for medicine, agriculture, service sectors or such places that can interact with daily life of people. As it can be expected, each sector has its own unique and different requirements. These differences can be mechanical properties such as scale, material, weight, or it can be new working conditions, workspaces and even physical appearance. However, these new demands cannot be met with the existing traditional methods. Particularly, the design and fabrication of small-scale robotic systems is very difficult. The reasons for this can be said that reduced strength due to the small size of the dimensions, the need for very small fasteners and the difficulty in the assembly of their small structures, which results in time consuming operations and high cost. In this study, parallel mechanisms with embedded sensor are designed by making use of origami-inspired design methods and 2D monolithic layered production techniques, which is commonly used for small-scale robotic systems. In addition, it is aimed that there are no intermediate steps such as folding and bonding outside of basic steps of the chosen methods that disrupts the planar structure during assembly. The assembly process of the mechanisms to be produced consists only of the cut – bond – repeat cycle that comes from the 2D fabrication methods. The sensor to be embedded in the mechanisms must also be suitable for the manufacturing technique. The fabrication method used in the project has been selected as“Smart Composite Microstructures”(SCM). This fabrication method can basically be described as cutting and joining sheet materials of different properties with certain patterns on top of each other. As a result, a simple five-layered structure emerges. These layers are rigid – adhesive – flexible – adhesive – rigid layers, respectively. The used materials are American Bristol paper with 400 grams for rigid layer, while plastic sheets are called PET for flexible layer and single and two layered 3D printed TPU material. Origami-inspired design methods were used for the patterns to be created (more specifically the joints) for the mechanisms. There are different types of joints present in the designs, which are one, two and three degrees of freedom joints. The reason for choosing parallel mechanisms is that they are scalable in terms of their structures, that is, they do not lose their properties as their dimension decreases. Even in some cases, the performance increases even if the structure gets smaller. Another reason is the compatibility of parallel mechanisms with closed loop kinematic chains to 2D production techniques. The reason for this is that all the arms are interconnected, have no open ends, and therefore the layers can be designed completely integrated. There are three different parallel mechanisms to be designed in this project. These are called the Pantograph, Delta and Stewart mechanism. The design process started with the Pantograph mechanism with 2 degrees of freedom and continued with the three degrees of freedom Delta mechanism, and finally ended with the six degree of freedom Stewart mechanism. As it can be seen, the aim is to design mechanisms that have different degrees of freedom; from simple to complex. For all three mechanisms, initially the traditional counterparts are examined. The structure of the mechanisms and the joints types that are going to be used are determined. Then according to those analyses, the kinematic models are obtained. Using these information, 2D pattern designs for the fabrication are created. After that, 3D models of the mechanisms are drawn in order to compare with the kinematic models to see if the behavior of the designed joints are matching with mathematical models. Finally, after validating the mechanisms, the fabrications are realized using the 2D production technique“SCM”. A sensor must be designed to measure the required angles when calculating the position of the end point of the mechanisms. With the help of this sensor, control of motors and the end effectors can be made using the right dynamic models in the future projects. The sensor designed in this project was made to measure the angle between two rigid arms. A strain gauge is designed for the flexible layer between the rigids to take advantage of the stresses and elongations happening on the surface of the flexible layer due to the rotations between the links. Silver nano-particle ink and inkjet printers have been used since the strain gauges currently on the market are not suitable for integration in between layers. When the printed PET sheet is placed in the joints in the rigid sheets, a connection is formed with the angle between the two rigid sheets and the elongation in the flexible sheet. Detailed studies have been made not only on the design part of the sensor, but also on its location, layouts, cuts and cable connections. Later, sensors were designed and integrated into the production method into the required parts of each mechanism. Test platforms were designed specifically for each of the mechanisms. These test platforms are produced with 3D printers and contains mechanism's connection location, motor locations, motor-leg connection equipment and the reference apparatus of the position sensor, which tracks the translational and rotational motions of the end effectors. Robot servo motors are used for the experiments. Carried out experiments can be listed as point tests, continuous motion tests with the circle profile, and rotational motion tests only for the Stewart mechanism. In addition, in order to see the effect of different flexible materials, the same experiments were repeated using the Delta mechanism with different flexible layers. The sensor data is collected using a voltage divider circuit and a DAQ signal processing card.
Benzer Tezler
- A serious game with data analysis to diagnose and treat children with visual sequential memory deficit
Sıralı görsel hafıza eksikliği olan çocuklara tanı koyan ve tedavi eden veri analizi olan bir uygulamalı oyun
AYŞE RÜMEYSA MOHAMMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Şehir ÜniversitesiVeri Bilimi Ana Bilim Dalı
PROF. SHERVIN SHIRMOHAMMADI
- Design and implementation of a digital signal processor system using field programmable gate arrays
Dışarıdan programlanabilen kapı dizileri kullanarak sayısal sinyal işlemci sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi
GÖKHAN GÜLTOPRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT AŞKAR
- Design and implementation of agent architecture for an electronic marketplace
Elektronik bir pazar için ajan mimarisi tasarımı ve uygulaması
METİN YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASUMAN DOĞAÇ
- Design and implementation of a computer based uroflowmeter systems
Kişisel bilgisayar tabanlı uroflowmetre cihazının tasarımı ve gerçekleştirilmesi
YUSUF BOZKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZİYA İPER
- Design and implementation of multimedia database applications
Çoklu ortam veri tabanı uygulamalarının tasarımı ve gerçekleştirimi
RAMAZAN SAVAŞ AYGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN YAZICI