Geri Dön

Fabric based soft actuators for wearable applications

Giyilebilir uygulamalar için kumaş bazlı yumuşak aktüatörler

PDF İndir

  1. Tez No: 683971
  2. Yazar: FIDAN KHALILBAYLI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖKHAN İNCE, DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Textile and Textile Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 63

Özet

Gerekli deformasyonlara sahip yumuşak tekstil aktüatörlerini oluşturmak için bilgisayarlı makine örgüsü uçtan uca otomatik üretim teknolojisine bir alternatif olarak sunulmuştur. Minimum değişiklik gerektiren tam şekilli giysiler üretme alanındaki etkinliğine rağmen makine örgüsü, giyilebilir yardımcı yumuşak robotik cihazlar üretiminde yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bu çalışmada, pnömatik olarak manipüle edilerek elin fleksiyon ve ekstansiyon hareketlerini gerçekleştiren dikişsiz, örgü aktüatörlerinin tasarım, imalat ve karakterizasyon süreçleri incelenmiştir. Bildiğimiz kadarıyla literatürde ilk defa tüm giysi örgü teknikleri, esneyip, uzayabilen dikişsiz, tamamen örgü pnömatik aktüatörü üretmek için kullanılmıştır. Dikişsiz kumaş aktüatörler, SHIMA SEIKI marka dijital örgü makinesinde üretilmiştir. Parmak kinetiğinin esneme (fleksiyon) ve uzama (ekstansiyon) hareketlerini gerçekleştirebilmek için, iki keseden oluşan bir örgü yapısı tasarlanmıştır. İstenilen deformasyon bükülme olduğundan dolayı anizotropik bir kumaş yapısı geliştirilmiştir. Farklı bükülme hareketlerini sağlayabilmek için, aktüatörün üst, alt ve orta katmanlarında iki farklı örgü parametresi, yani ilmek sıklıkları ve iplik tipleri parametrik olarak değiştirilerek incelenmiştir. Şişirilebilir bir aktüatör oluşturmak için, ilk başta poliüretan boruya takılarak kompresöre bağlanan balonlar kullanılmıştır. Fakat birkaç şişirme ve indirme işleminden sonra balonun genişliği ve yüksekliğinin önemli ölçüde arttığı gözlemlenmiştir ve bu da deformasyona yol açmıştır. Balonların dezavantajlarının üstesinden gelmek için, esnek, hafif ve hava geçirmez termoplastik poliüretan esnek film kullanarak hava sızdırmayan keseler üretilmiştir. Farklı iplik tipi kombinasyonlarına sahip aktüatörlerin karakteristik özelliklerini belirlemek için taşınabilir kontrol sistemleri geliştirilmiş, bükülme eğriliği, uç kuvveti, kavrama kuvveti ve tork değerlerini elde edebilmek için çeşitli testler yapılmıştır. Her aktüatör tipi için 2-3 numune üretilmiştir. Her aktüatörün en iyi örnekleri seçildikten sonra gerçekleştirilen deneylerle aktüatör tiplerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Aktüatörlerin bükülme eğriliği davranışını daha iyi analiz etmek için uygulanan basınca göre eğrilikteki değişim değerleri her aktüatör tipine göre kaydedilmiştir. Bükülme eğriliği terimi temel olarak düz bir çizgiden sapma miktarı olarak açıklanabilir. Deneyler sırasında aktüatör sürekli olarak 150 kPa'ya kadar şişirilmiş ve solenoid valf yardımıyla tamamen söndürülmüştür. Testler yapılırken, aktüatörün bir ucu istenmeyen hareketleri engellemek için katı bir cisme bağlanırken diğer ucu dairesel olarak serbestçe hareket etmiştir. Deney sürecinde aktüatörün hareketinin videosu bir web kamerası tarafından kaydedilmiştir. Renk bazlı bir çözüm izlenildiği için video kaydı almadan önce arka plan aktüatörden farklı bir renkte malzemeyle kaplanmış ve kayıt sırasında ortam kontrollü bir şekilde ışıklandırılmıştır. Aktüatörlerin bükülme eğriliği, renk tabanlı bir çözüm ile tespit edilen uç noktaların üzerinde yapılan hesaplamalara göre bulunmaktadır. Bu uç noktalarının konumu parmak eklemlerine göre seçilmiştir. Aktüatörün uç noktalarını videonun her bir çerçevesinde belirlemek için iki farklı görüntü işleme tabanlı yöntem geliştirilmiştir. Yapılan testler sonucunda, örme aktüatörlerinin basınç uygulandığında tutarlı bükülme eğriliği sergilediği gözlemlenmiştir. Aktüatörler, 150 kPa hava basıncında 15 m-1'e kadar bükülme eğriliği göstermiştir. Tekstil bazlı aktüatörlerin kuvvet uygulama becerisini ölçmek için, uygulanan basınç ve uç kuvveti ile kavrama kuvveti arasındaki korelasyonlar sırasıyla çıkarılmıştır. Deneyler esnasında çekme ve itme kuvvetini ölçme amacıyla dijital dinamometre kullanılmıştır. Bu testlerde temas alanını genişletmek için 3D yazıcı kullanarak deney odaklı şekiller tasarlanmış ve dinamometrenin üzerine yerleştirilmiştir. Tüm aktüatör tiplerinde, uç ve kavrama kuvvetleri ile uygulanan basınç arasında yaklaşık olarak doğrusal bir ilişki gözlemlenmiştir. Maksimum 180 kPa hava basıncında 5 N'a kadar kavrama kuvveti ve uç kuvveti değerleri gözlemlenmiştir. Yapılan tüm deneyler incelendiğinde uygulanan basınçta yüksek bükülme eğriliğine sahip aktüatörler yüksek kuvvetler uygulamazken, yarıçap ve kuvvet değerleri arasında korelasyon gözlemlenmiştir. Uç ve kavrama kuvveti performansı açısından en iyi sonuç gösteren aktüatör seçilerek, dinamometre ile aktüatör arasındakı açı 0° ve 120° arası 15°'in katları olacak şekilde dinamometreye bağlı içi boş silindirden oluşan tork düzeneğine yerleştirilmiştir. Bükülme açısı 45°'ye kadar iken uygulanan tork değerinin kademeli olarak artmasına rağmen daha sonra azalma gözlemlenmiştir. Giyilebilir cihaz uygulamalarında dikişsiz örgülü aktüatörlerin potansiyelini göstermek için ayarlanabilir bir eldivene uç ve kavrama kuvvetleri açısından en iyi performans gösteren aktüatör seçilerek, entegre edilmiştir. Eldivenin üst yüzeyine, kayışlar yardımıyla her parmağın uzunluğuna ve boyutuna göre ayarlanabilen beş özdeş aktüatör monte edilmiştir. Eldivenin kumaşı, onu rahat ve uyumlu kılan yüksek elastikiyet ve toparlanma özelliğine sahiptir. Bu tasarım ile eldivenin işlevselliği, kullanılabilirliği ve hareketliliği gösterilmektedir. Her parmağa entegre aktüatörlerden oluşan eldiveni kontrol etmek için portatif bir kontrol sistemi geliştirilmiştir. Kontrol sistemininde mikrodenetleyici, röle kartı, butonlar, güç kaynağı, hava pompası, şişirme vanası ve indirme vanası bulunmaktadır. Her hava kesesi bir şişirme ve bir indirme vanası ile kontrol edilmektedir. Her aktüatörde iki adet hava kesesi (fleksiyon ve ekstansiyon) bulunduğu için toplam on adet şişirme ve on adet indirme vanası sisteme yerleştirilmiştir. Her hava kesesinin gerçek zamanlı basınç değerlerini görüntülemek amacıyla grafiksel kullanıcı arayüzü geliştirilmiştir. Arayüz aracılığıyla, tüm hava keselerinin eş zamanlı olarak kontrol edilmesi sağlanmıştır. Eldivenin işlevselliğini gerçek hayatta kullanım için değerlendirmek amacıyla, nesnelerin kavranmasını sağlamak için aktüatörlerin bir dizi bükülme ve uzatma hareketi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, eldivenin, uygulanan çalışma basıncında farklı ağırlık ve boyutlardaki (125 g'a kadar) nesneleri kavrayabildiğini göstermektedir. Sağlıklı bir katılımcının eldivenli ve eldivensiz kas aktivitesi karşılaştırmak amacıyla yüzey Elektromiyogram (yEMG) sinyalleri ölçülmüştür. Eldiveni giymiş bir kullanıcı sıkma ve bırakma hareketlerini gerçekleştirirken, dikkate değer bir kas aktivitesi gözlemlenmemiştir. Sonraki çalışmalarda, minimum basınçta daha düşük bükülme eğriliği değerleri elde etmek için çeşitli örgü parametrelerinin kombinasyonları incelenecektir. Aynı zamanda, örgü aşamasında tekstil bazlı sensörlerin aktüatörlere entegre edilmesi ile kullanıcı ve aktüatör arasında iki yönlü bir etkileşim sağlanacaktır. Tüm bu ilerlemeler, yumuşak robotik giysilerden oluşan sistemlerin önünü açacaktır.

Özet (Çeviri)

Computerized machine knitting offers an attractive end-to-end fabrication technology for advancing wearable assistive devices into garments. Despite the advanced effectiveness of industrial machine knitting to generate fully shaped garments demanding minimal alteration, this technology is not widely utilized as a fabrication technology for wearable assistive soft robotic devices. In this work, a proof-of-concept fully knitted seamless bending actuator using machine knitting is manufactured. We demonstrated the design, fabrication, and characterization process of a seamless knitted actuator that has reduced weight and volume with respect to elastomeric and tendon actuators. The actuator was manipulated via a compressed fluid such as air to assist hand movements by mimicking fingers' flex and extend motion. For the first time in literature, wholegarment knitting techniques have been utilized to manufacture a seamless fully knitted pneumatic flexing and extending actuator. Two knitting parameters, namely stitch densities and yarn types were varied to create anisotropic actuator structures by controlling the extensibility of the top and bottom fabric layers. To determine the characteristics of the actuators with different parameters, portable control systems are developed and several tests have been conducted to obtain the curvature value, tip force, grip force, and torque values of the fabricated actuator. To demonstrate the functionality of the seamless knitted actuators in wearable assistive device applications, they were integrated into an adjustable glove. Five identical actuators were selected according to their performance in terms of the conducted experiments, and then fastened on each finger of a custom-made glove. The functionality of the actuator has been demonstrated through conducting a range of flexion and extension actuator motions by grasping different objects of daily living. By recording the muscle activity of a healthy participant both with and without the glove using the surface electromyography (EMG) signals, the force exerted by the glove has been evaluated. It is noteworthy to mention that no significant muscle activity contributed to the grasp and release force while wearing the glove. The achieved curvature range when pressurizing the actuators up to 150 kPa was sufficient to grasp objects down to 3 cm in diameter and up to 125 g in weight.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    909709

    Production of composite structures consist of hydrogels and textile materials and the evaulation of their potential as actuator

    Hidrojel ve tekstil malzemesinden oluşan kompozit yapıların üretilmesi ve aktuatör olarak kullanım olanaklarının araştırılması

    AYLİN SAADET TOKYÜREK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLDEMET BAŞAL BAYRAKTAR

  2. Tez No

    849110

    Yumuşak zırh üretiminde kullanılan kumaşların balistik koruma özellikleri ve hareket kabiliyetinin incelenmesi

    Investigation of ballistic protection features and mobility of fabrics used in soft armor production

    ADEM VERDİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Savunma ve Savunma TeknolojileriSüleyman Demirel Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞULE SULTAN UĞUR

  3. Tez No

    478670

    Synthesis and characterization of branched, functional polyurethane dispersions as a technology platform for self-crosslinking textile coatings

    Kendiliğinden çapraz bağlanan tekstil kaplamaları için bir teknoloji platformu olarak dallanmış, fonksiyonel poliüretan dispersiyonlarının sentezi ve karakterizasyonu

    AYŞE DURMUŞ SAYAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SERKAN ÜNAL

    PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU

  4. Tez No

    653012

    Polystyrene-based and carbon fabric-reinforced polymer composites containing carbon canotubes: Preparation, modification and characterization

    Polistiren bazlı ve karbon kumaş ile güçlendirilmiş karbon nanotüp içeren polimer kompozitleri: Hazırlanması, modifikasyonu ve karakterizasyonu

    BERRAK ERKMEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKNUR BAYRAM

  5. Tez No

    181305

    SIxD: A configurable and customizable SISD/SIMD microprocessor soft core

    SIxD: Yapılandırılabilir ve uyarlanabilir bir TKTV/TKÇV yumuşak mikroişlemci çekirdeği

    NEHİR SÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ARDA YURDAKUL

Geri Dön