Deformation estimation of a tendon-driven elastic actuator with soft strain sensors
Yumuşak gerilme sensörleri ile tendon kontrollü esnek aktuatörün deformasyon tahmini
- Tez No: 831745
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. MELİH TÜRKSEVEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metal Öğretmenliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Esnek robotik, biyolojik organizmalarda gözlenen elastisite ve uyarlanabilme özelliklerinden ilham alarak uyumlu ve esnek yapıya sahip robotlar oluşturmayı hedefleyen ve gelişmekte olan bir alandır. Ancak, soft robotların sonsuz derecede hareket serbestliği gibi özel karakteristikleri ve doğru kinematik bilgilerinin elde edilmesi ile kontrol algoritmalarının uygulanması gibi zorluklar, optimum performans elde etme konusunda önemli engeller oluşturmaktadır. Bu tür sistemlerde hassas kontrol ve doğru algılama özellikle zor hale gelmektedir. Bu tezin temel amacı, gerilme sensörleri ile donatılmış yumuşak tendonlu bir eyleyicinin deformasyon tahminini araştırmaktır. Bu zorlukları ele alarak, bu araştırma esnek robotik alanındaki anlayışımızı eliştirmeyi ve bu umut verici alana katkıda bulunmayı hedeflemektedir. Tendon destekli esnek aktüatörlerin kullanımı, geliştirilmiş esneklik, hafif yapı ve iyileştirilmiş uyarlanabilirlik gibi birçok avantaj sunar. Ek olarak, bu aktüatörlerin içine yerleştirilen yumuşak gerilme sensörlerinin entegrasyonu, deformasyonların gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlayarak, aktüatörün davranışı ve çevre ile etkileşimleri hakkında değerli bilgiler sunar. Bu çalışma, esnek aktüatörlere yumuşak gerilme sensörlerinin entegrasyonuna odaklanmakta ve özellikle bu sensörlerin yapımında 3D baskı teknolojisinden faydalanmayı vurgulamaktadır. Propriosepsiyon bağlamında, yumuşak gerinim sensörleri, bu sensörler tarafından toplanan veriler yardımıyla, yapılandırmasını doğru bir şekilde algılayarak aktüatörün kendi şeklini, konumunu ve uzaydaki hareketini algılamasını ve anlamasını sağlamasında çok önemli bir rol oynar. Propriosepsiyon veya öz algı, yumuşak aktüatörün şeklini ve deformasyonunu tahmin etmek için önemlidir. Aktüatör, dış sensör cihazlarına bağlı olmaktansa öz algı bilgilerini kullanarak kendi konfigürasyonunu algılayabilir. Bezier eğrisi gibi parametrik bir eğri, aktüatörün omurgasını açıklamak için uygun bir model olarak sunulur ve şeklin yeniden oluşturması için esnek bir çerçeve sunar. Ayrıca, yumuşak gerilim sensörlerinden alınan verilere dayanarak bir veri odaklı teknik, LSTM (Long Short-Term Memory) ağlarını kullanarak Bezier eğrisinin kontrol noktalarının tahmin edilmesi için incelenir ve böylece aktüatörün kinematiği elde edilir. Model, makine öğrenimi tekniklerini kullanarak sensör verileri ile aktüatör davranışı arasındaki karmaşık ilişkileri anlayabilir, bu da kesin tahmin ve kontrol imkânını sağlar. Esnek gerilme sensörlerine sahip esnek tendon tahrikli aktüatörler, geniş bir kullanım alanına sahiptir. Tarım ve minimal invaziv cerrahi (laparoskopik cerrahi) gibi hassas kontrol ve hassas dokularla etkileşim gerektiren alanlarda, bu aktüatörlerin sağladığı yeteneklerden büyük ölçüde faydalanabilir. Aktüatörün deformasyonunu değerlendirme ve fiziksel özelliklerini modelleme kapasitesi, gelişmiş kontrol algoritmaları ve artan performans için olanaklar sunar. Son olarak, bu tez çalışmasında yumuşak tendon tahrikli bir aktüatörün deformasyon tahmini üzerinde yumuşak gerilme sensörlerinin kullanımı incelenmektedir. Tez, propriosepsiyon, parametrik eğri modelleme ve veri tabanlı yöntemlerin birleştirilmesiyle birçok uygulamada hassas algılama, kontrol ve artan performans için olanakları araştırır. Bu bulgular, karmaşık ve hassas ortamlarla etkileşim gerektiren alanlarda esnek robotiği genişletme konusunda yaratıcı çözümlere yol açmaktadır.
Özet (Çeviri)
Soft robotics is an emerging field that aims to create robots with compliant and flexible architectures, drawing inspiration from the elasticity and adaptability observed in biological organisms. However, the unique characteristics of soft robots, including their infinite degrees of freedom and the challenges associated with obtaining accurate kinematics and applying control algorithms, pose significant barriers to achieving optimal performance. Precise control and correct perception become particularly challenging in such systems. Therefore, the primary objective of this thesis is to investigate the estimation of deformation in a soft tendon-driven actuator equipped with soft strain sensors. By addressing these challenges, this research aims to enhance our understanding of soft robotics and contribute to the advancement of this promising field. The usage of tendon-driven soft actuators offers numerous advantages, such as enhanced flexibility, lightweight construction, and improved adaptability. Additionally, the integration of soft strain sensors within these actuators enables real-time monitoring of deformations, providing valuable insights into the actuator's behavior and its interactions with the environment. This investigation focuses on the incorporation of soft strain sensors into soft actuators, with particular emphasis on leveraging 3D printing technology for constructing these sensors.In the context of proprioception, soft strain sensors play a crucial role in allowing the actuator to sense and understand its own shape, position, and movement in space. By accurately perceiving its configuration through the data gathered by soft strain sensors. Proprioception, or self-perception, is essential for estimating the shape and deformation of the soft actuator. The actuator can detect its own configuration by using proprioceptive information rather than depending on external sensing devices. A parametric curve, such as a Bezier curve, is presented as an appropriate model to describe the actuator's backbone, giving a flexible framework for shape reconstruction. Furthermore, based on the data received from the soft strain sensors, a data-driven technique utilizing LSTM (Long Short-Term Memory) networks is investigated to predict the control points of the Bezier curve in order to obtain the kinematics of the actuator. The model can understand the complicated correlations between sensor data and actuator behavior using machine learning techniques, allowing for precise prediction and control. Soft tendon-driven actuators with soft strain sensors have a wide range of possible uses. Agriculture and minimally invasive surgery, both of which involve interactions with delicate tissues and require precise control, might benefit tremendously from the capabilities provided by these actuators. The capacity to assess deformation and model the physical properties of the actuator opens up possibilities for enhanced control algorithms and increased performance. Finally, utilizing soft strain sensors, this thesis studies the deformation estimation of a soft tendon-driven actuator. The thesis investigates the possibilities for precise perception, control, and increased performance in numerous applications by merging proprioception, parametric curve modeling, and data-driven methodologies. The discoveries expand soft robotics by clearing the path for creative solutions in domains requiring contact with complex and sensitive settings.
Benzer Tezler
- Dilimsel dengeli konsol yöntemi ile inşa edilen köprü üstyapısının yapım aşamalarına göre analizi
Construction stage analysis of segmental balanced cantilever bridge superstructure
SHAMIL NURI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH NECMETTİN GÜNDÜZ
- Öngerilmeli betonarme köprülerde zamana bağlı yerdeğiştirmeler
Long-term deflections in pre-stressed structures
EREN YECAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH NECMETTİN GÜNDÜZ
PROF. DR. SIDDIK ŞENER
- 1975 Türk Deprem Yönetmeliği'ne göre boyutlandırılmış bir okul binasının deprem performansının belirlenmesi ve güçlendirilmesi
Estimation of seismic performance and strengthening of a school building designed according to 1975 Turkish Earthquake Code
CANER ZAFER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR GÜLER
- Killi zeminlerde NATM ile açılan tünellerin deformasyon tahmini
Estimation of surface deformations of tunnels opened with NATM in clay soils
MEHMET AKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
DOÇ. DR. MEHMET ŞÜKRÜ ÖZÇOBAN
- T4 ve T6 ısıl işlemli 6061 alüminyum levhanın iki eksenli gerilmeler altında şekil değiştirmesinin incelenmesi
Investigation of deformation of T4 & T6 heat treated 6061 aluminum plate under biaxial stress
EGEMEN UZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ