Design, fabrication, and locomotion analysis of an untethered, miniature, legged, compressible, soft robot: CSQUAD
Kablosuz, minyatür, bacaklı, sıkışabilen ve esnek robot CSQUAD'ın tasarımı, üretimi ve yürüyüş analizi
- Tez No: 694063
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- 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: 125
Özet
Geleneksel robotik hızlı ve hassas üretim uygulamaları ve sofistike kontrole sahip endüstriyel sistemler için son birkaç yüzyıldır efektif olmuştur. Robotların insanlar tarafından kullanımının yaygınlaşması ile birlikte geleneksel robotiğin dezavantajları daha çok gün yüzüne çıkmaya başlamıştır. Yumuşak ve esnek robotların çözdüğü en büyük problemlerden biri de robotların insanlarla olan güvenli etkileşimleridir. Bu robotlar ameliyatlarda veya enkaz altında arama kurtarma çalışmaları gibi faaliyetler sırasında katı ve rijit robotlara kıyasla özellikle esneklik ve uyumluluk konusunda daha yüksek performans sunmaktadır. Bu çalışmada sunulan kablosuz, minyatür, bacaklı ve sıkışabilme kabiliyetine sahip dörtayaklı robot (cSQuad), özellikle arama kurtarma çalışmalarına destek olmak fikri ile tasarlanmıştır. Bu robot, bozuk yüzeylerde daha iyi yürüme performansına sahip olması için C şeklindeki bacaklarla donatılmıştır. cSQuad, PDMS (polidimetilsiloksan) gibi çoğunlukla esnek olan malzemelerden üretilmiştir. Robot gövdesi, bacakları ve elektronik kartı esnek iken sadece sensörler, motorlar ve bazı elektronik parçalar rijit materyallerden üretilmiştir. Bu robotun temel amacı kendi orijinal kesit alanından daha dar geçitlerden geçebilmektir. Bu amaca ulaşabilmek için robotun sıkışabilir olması gerekmektedir. Robotun gövde ve C şeklindeki bacaklarına şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA) sayesinde sıkışabilme yeteneği kazandırılmıştır. cSQuad'ın bütün tasarım ve üretim aşamaları detaylı bir şekilde açıklanmış ve deneyleri yapılmıştır. Deneyler sonucunda robotun kesit alanını en az %25 küçültebildiği doğrulanmıştır. cSQuad, kendisi gibi esnek, C bacaklı ve dörtayaklı bir robot olan SQuad robotu ̈uzerine inşa edilmiştir. cSQuad'ın tasarımına başlamadan ̈once SQuad üzerinde yapılan yürüme deneylerinden elde edilen sonuçlardan istifade edilmiştir. Bu deneyler sırasında esnek bir robot olan SQuad ile aynı tasarıma sahip fakat tamamen rijit veya kısmen rijit materyallerden ̈uretilmiş farklı robot versiyonları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada robotun hızı, yunuslama açısı, yatış açısı, gövdenin geometrik merkezinin pozisyonu ve robotun engel aşma performansı gibi parametreler kullanılmıştır. Bu deneyler yumuşak robot olan SQuad'ın diğer robotlara kıyasla daha yavaş olsa da engel tırmanma kabiliyeti ve sarsıntısız yürüme performansı konularında daha üstün olduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar sayesinde SQuad'ın gelişme potansiyeline sahip olduğu anlaşılmış ve cSQuad tasarlanmıştır. cSQuad'ın ŞHA materyalinden ̈uretilen yayları, robotun gövdesi ve bacakları üzerinde spesifik olarak belirlenen pozisyonlara bağlanmıştır. Bu sayede optimum sıkışma performansına ulaşmak hedeflenmiştir. Özellikle bacaklar ̈uzerinde bulunan ŞHA yaylarına elektrik akımı aktarabilmek için pogo pin isimli yaylı pinler kullanılmıştır. Bu pinler bacaklar ̈uzerine bağlanmıştır ve gövde ̈uzerine yerleştirilen kontak bilezikleri ile bacağın dönüşü esnasında sürekli temas halinde olmaları ve bacak ̈uzerine sürekli elektrik aktarımı sağlanmıştır. İlk önce bacak sıkışması ve gövde sıkışması ayrı olarak robota entegre edilmiş ve testleri yapılmıştır. Daha sonra ise bütün sistemler birleştirilerek hem gövde hem de bacak sıkışmasına sahip olan cSQuad'ın ̈uretimi ve testleri başarıyla tamamlanmıştır. Sonuç olarak kesit alanını en az %25 küçültebilen bir esnek robot ̈uretilmiş ve test edilmiştir. Bu robotun tasarımı ve ̈uretimde kullanılan yöntemler gelecekte üretilecek yeni nesil arama kurtarma robotları için bir temel olarak kullanılabilir. Ayrıca cSQuad, spesifik görevleri gerçekleştirmek için spesifik sensörlerle donatılabilme potansiyeline da sahiptir. Robotun üretim ve tasarım aşamalarında paylaşılan bilgiler ve yöntemler, esnek robot üretimi için genel bir kılavuz olarak da kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Conventional robotics has been effective for industrial applications such as fast, precise and accurate production or for sophisticatedly controlled systems for the last couple of centuries. However, as the robots become more ubiquitous in everyday lives of people, the drawbacks of conventional and rigid robots have become more and more apparent. One of the biggest problems that soft robots solve is the safe interactions with humans. Whether it be a minimally invasive surgery or a search and rescue operation under rubble, the soft robots offer better performance especially in terms of compliance compared to their rigid counterparts. With especially the search and rescue environments in mind, this study presents an untethered, miniature, legged and compressible soft quadruped (cSQuad). This robot is equipped with C-shaped legs for better locomotion performance on unstructured surfaces. It is made out of soft materials, mainly from polydimethylsiloxane (PDMS), it utilizes a flexible printed circuit board (PCB) and only some small sensors, actuators and electronic components are made out of rigid materials. The main goal of this robot is to have the ability to pass through openings that are smaller than its cross-section. In order to achieve this goal, the robot is designed to be compressible. Both the body of the robot and its C-shaped legs can compress themselves using shape memory alloy (SMA) springs. The design and fabrication steps of cSQuad is explained in detail and the tests have been done to verify that the robot can reduce its cross-section area by at least 25%. cSQuad is the successor of SQuad which is also a soft quadruped with C shaped legs. Before starting the design of cSQuad, the locomotion performance of SQuad was studied to make sure that it would be worth continuing to design new generation of soft quadrupeds. This study was a comparative study between the soft quadruped (SQuad) and its rigid and hybrid twins. The study consisted of speed, pitch and roll angle, body centroid position and obstacle climbing performance analysis. The results of this analyses showed that even though the soft robot was slower it gave better performance in terms of obstacle climbing and smooth locomotion. This gave us the confidence to continue improving the robot which resulted in designing of cSQuad. SMA springs of cSQuad are placed on especially calculated locations on the body and the legs of the robot to achieve optimum compression performance. To transmit power to the SMAs on continuously rotating legs, a custom slipring device was built utilizing pogo pins. The compression tests for the legs and the body were conducted separately. Then, a robot with both leg and body compression was built and tested. As a result, a robot with the capability of reducing its cross-section area by at least 25% is built and tested. This robot can be used as a base design for the new generation of robots that could be used in search and rescue operations. It has the potential to be equipped with specific sensors for specific tasks. The fabrication and design steps can also be considered as a framework for fabricating soft robots in general.
Benzer Tezler
- Design, control, fabrication and maneuverability analysis of an untethered miniature soft robot
Kablosuz minyatür bir yumuşak robotun dizaynı, kontrolü, üretimi ve manevra kabiliyeti analizi
CEM AYGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Design of mini swimming robot using piezoelectric actuator
Piezoelektrik eyleyici kullanarak yüzen robot tasarımı
ŞAFAKCAN TUNÇDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FARUK ARINÇ
PROF. DR. ABDULKADİR ERDEN
- Metayüzey polarizasyon dönüştürücü ve radar soğurucu tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of metasurfaces polarization converter and radar absorber
AYKUT COŞKUN
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL
PROF. DR. UĞUR CEM HASAR
- Design, fabrication and measurement of hybrid frequency selective surface (FSS) radomes
Hibrit frekans seçici yüzey (FSY) radom tasarım, üretim ve ölçümü
ÖZKAN SAĞLAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. VAKUR B. ERTÜRK
- Design, fabrication and characterization of novel metamaterials in microwave and terahertz regions: Multi-band, frequency-tunable and miniaturized structures
Mikrodalga ve terahertz bölgelerinde özgün metamalzemelerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu: Çok-bantlı, frekansı-ayarlanabilir ve küçültülmüş yapılar
EVREN EKMEKÇİ
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. GÖNÜL TURHAN SAYAN