Design, characterization, and applications of soft 3d printed strain gauges
Yumuşak üç boyutlu yazdırılmış gerinme ölçerlerinin tasarımı, karakterizasyonu ve uygulamaları
- Tez No: 828550
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 119
Özet
Kablosuz minyatür robotlara entegre edilebilen yumuşak sensörlerin geliştirilmesi, özellikle deprem sonrası yıkılmış binalarda çevresel algılamayı artırmak açısından önemlidir. Temel amaç, makine öğrenmesi, yapay zeka veya optimizasyon gibi veri tabanlı yöntemlere ihtiyaç duymadan, robotlarda yapısal ve algısal işlev gören güvenilir yumuşak sensörler tasarlamak ve üretmektir. Yumuşak sensörler, gerilim ölçerlere benzer şekilde direnç ölçümü yaparak mekanik hareket veya şekil değişiklikleri altında direnç değişimini voltaj değişimine dönüştüren Wheatstone köprüsü kullanmaktadır. Çalışma, iki farklı yumuşak sensör tasarımını araştırmaktadır: levha tipi ve üç boyutlu sensörler. Levha tipi sensörler, bir yumuşak dört ayaklı robotun (SQuad) C-bacaklarına gömülerek yürüme kontrolünü sağlamaktadır. üç boyutlu sensörler ise robotlara yapısal olarak entegre edilerek çevresel algılamayı artırmaktadır. Yumuşak sensörlerin üretimi, iletken Termoplastik Poliüretan (cTPU) malzemesinin kullanıldığı üç boyutlu (3B) baskı teknolojisiyle kolaylaştırılmıştır. Yumuşak sensörlerin, robotlara entegrasyonunda yumuşak yapının, hareket kabiliyetinin ve çevikliğin korunması gibi zorluklar ortaya çıkmaktadır. Bu tez, yumuşak sensör kavramını farklı robotlara ve bileşenlerine uygulayarak bu zorluklara çözüm getirmektedir. Uygulanan robotlar ve bileşenler arasında SQuad robotunun C-bacağı, modüler yumuşak dört ayaklı (M-SQuad), süspansiyonlu yumuşak dört ayaklı (S-SQuad), Sensörlü Çarpışmaya Dayanıklı Robot (SCoReR) ve Yeniden Yapılandırılabilir Minyatür Modüler Robot (ReMBot) için bir kuyruk bulunmaktadır. Yumuşak sensörler, bu robotlara yürüme kontrol geri bildirimi, engel tespiti, eğim tespiti ve çarpışma algılama gibi çeşitli işlevler sağlayarak robotların fiziksel olarak zorlu ortamlarda daha uyarlanabilir olmasını sağlamaktadır. Tez, 3B baskıyla üretilebilen yumuşak üç boyutlu gerilme ölçerlerinin potansiyelini vurgulamaktadır. Bu sensörlerin kolay üretilebilmesi ve maliyet-etkin olması, giyilebilir robotlar ve insan-bilgisayar arayüzleri gibi uygulamalarda umut vaat etmektedir. Gelecek yönelimler, sensör karakterizasyon deneylerinin detaylı olarak yapılması ve güvenilirliği artırmak için algılama algoritmalarının geliştirilmesi gerekliliğine vurgu yapmaktadır. Ayrıca, bobin şekilli sensörlerin dinamik bir modelinin önerilerek, tasarım sürecinin tekrarlayan üretim aşamaları olmadan daha verimli hale getirilmesi hedeflenmektedir. Sonuç olarak, bu tez, güvenilir yumuşak sensör tasarımını, üretimini ve kablosuz minyatür robotlara entegrasyonunu sunmaktadır. Bu çalışmanın sonucunda, yumuşak sensörlerin çevresel algılamayı artırmada etkinliği kanıtlanmış ve kuvvet ölçümü uygulamaları ve insan-bilgisayar etkileşimlerinde yenilikçi çözümlere yol açabilecek potansiyeli ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
The development of soft sensors for integration into untethered miniature robots is significant for improving their environmental perception in physically challenging scenarios, such as collapsed buildings after an earthquake. The primary objective is to design and manufacture reliable soft sensors that serve as structural and sensing elements within the robots, eliminating the need for postprocessing methods like data-driven learning and optimization. The soft sensors employ resistive sensing, similar to strain gauges, and are implemented on a Wheatstone bridge to convert resistive changes into voltage changes under mechanical actuation or deformation. The study explores two categories of soft sensor designs: sheet-type and 3D shaped sensors. Sheet-type sensors are embedded in the C-legs of a soft quadruped robot (SQuad), enabling gait control, while 3D shaped sensors are structurally integrated into the robots to enhance environmental perception. Manufacturing of the soft sensors is made accessible and efficient through 3D printing technology, using conductive Thermoplastic Polyurethane (cTPU) as the printing material. Challenges arise in integrating the soft sensors into the robots while preserving their soft nature, locomotion, and agility. The thesis addresses these challenges by implementing the soft sensor concept in various robots and their parts, including the C-leg of SQuad, Modular Soft Quadruped (M-SQuad), Suspensionized Soft Quadruped (S-SQuad), Sensorized Collision Resilient Robot (SCoReR), and a tail for Reconfigurable Miniature Modular Robot (ReMBot). The soft sensors enable different functionalities to these robots, such as gait control feedback, obstacle detection, inclination detection, and collision detection, enhancing the adaptability of the robots in physically challenging environments. The thesis highlights the potential of soft 3D printed strain gauges. The ease of manufacturing and cost-efficiency of these sensors make them promising for applications in wearable robots and human-computer interfaces. Future directions are highlighted, emphasizing the need for detailed sensor characterization experiments and the development of detection algorithms to improve reliability. Additionally, a dynamic model of the coil-shaped sensors is proposed to simulate resistance changes, streamlining the design process without repetitive manufacturing iterations. As a result, this thesis presents a reliable soft sensor design, manufacturing, and integration into untethered miniature robots. The outcome of this work demonstrates the effectiveness of soft sensors in enhancing environmental perception, paving the way for innovative solutions in force measurement applications and human-computer interactions.
Benzer Tezler
- Design process, manufacturing and material characterization of a prosthetic polymer aortic heart valve
Protez polimer aort kalp kapağının tasarım süreci, üretimi ve malzeme karakterizasyonu
MÜGE YAREN YAŞARTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ
- Design, fabrication and control of a novel shape memory alloy (SMA)-wire-based flexible composite actuator
Ozgün bir şekil bellek alaşım (ŞBA) tabanlı esnek kompozit eyleyicinin tasarımı, üretimi ve denetimi
ERAY TEOMAN ÖNDER
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI
DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Design of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties
Farklı kimyasal ve mekanik özellikte bölgeler içeren biyouyumlu hidrojel tasarımları
ASLIHAN ARĞUN
- Sıcaklık ve pH'ya duyarlı poliakrilik asit/pluronik içiçe geçmiş ağ yapıların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of ph and temperature sensitive polyacrylic acid/pluronics F127 based interpenetrating hydrogels
TUBA BAŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Bölümü
PROF. DR. GÜLAÇTI TOPÇU
PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Development of mechanically robust, biodegradable bioink formulations for 3D bioprinting
3B biyobaskı için mekanik stabiliteye sahip, biyobozunur biyomürekkep formülasyonlarının geliştirilmesi
IŞIL YAZGAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikAnkara ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PINAR YILGÖR HURİ