Development of a novel variable stiffness device based on magneto-rheological elastomers for soft robots
Yumuşak robotlar için manyetoreolojik elastomer esaslı yeni bir değişkenli sertlik cihazının geliştirilmesi
- Tez No: 877502
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EVREN SAMUR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Yumuşak robot teknolojisindeki en büyük zorluklardan biri sertliğin değişkenliği ve kontrol edilebilirliğidir. Yumuşak robotların çevre ile hünerli ve güvenli etkileşimler sağlaması için yumuşaklık gerekirken, gerektiğinde de kuvvetleri iletmek için sertlik gerekir. Yumuşak robotların sertlik değişimi, aktif elemanların antagonistik düzenlen-mesi, vakumla sıkışma ve manyetik alan altında viskozite değişimi gibi sertleştirme yöntemleriyle elde edilmiştir. Bu metotlar, sertleşme hızı, sertleşme modları ve sertlik değişimi açısından karşılaştırılabilir. Manyetoreolojik elastomerler (MRE'ler) yanıt süresinde iyidir ve eğilme, çekme ve sıkıştırma gibi farklı sertleştirme modları için uygundur. Ancak sertlik değişim verileri çok yüksek bir manyetik alan uygulandığında yüksek değerlere ulaşabilir. Sıkıştırma bazlı yöntemleri cazip kılan ise imalat, düşük maliyet ve setlik değişimi özellikleridir. Ancak bu teknoloji kayda değer bir hıza sahip değildir ve dahası bu yöntem, sistem entegrasyonunu karmaşık hale getiren bir vakum poşeti kullanmayı gerektirir. Yumuşak robotlar ile ilgili yapılan akademik çalışmalarda bu iki yöntemin bir arada kullanıldığı bir araştırmaya rastlanmamıştır. Bu tezde, yumuşak robotların sertleştirilmesi için sıkışmaya dayalı bir yaklaşımı viskoziteye dayalı bir yaklaşımla birleştiren hibrit bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem MRE'lerin manyetik sıkışmasının avantajlarından yararlanılarak sertlik değişimi yarattığı için yenilikçidir. Bu yöntemi kanıtlamak için birtakım adımlar atılmıştır. İlk olarak, manyetik parçacıkların hacimsel oranının sertlik değişimi üzerindeki etkisini analiz etmek için MRE'lerin bükülme davranışı analitik, sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. İkincisi, hem sıkıştırma hem de viskoelastisite değişkenliği nedeniyle sertlik değişimini kontrol ederek MRE tabakalarının manyetik sıkışmasındaki benzersiz mekaniği araştırmak için iki adet esnek Neodimyum-Demir-Bor (NdFeB) mıknatıs ile MRE'lerden oluşan çok katmanlı bir sıkıştırma yapısı geliştirilmiştir. Üçüncüsü, MRE'lerden ve bir adet esnek NdFeB mıknatıstan oluşan fiber sıkıştırma yapısı geliştirilmiş ve yumuşak bir robot olan STIFF-FLOP'a entegre edilmiştir. MRE liflerinin manyetik sıkışması durumunu kanıtlamak için robot üzerinde gerekli sertleştirme testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen yöntem ile bükme ve sıkıştırmada sertlik kazancının olduğunu göstermektedir. Son olarak, elektronik olarak kontrol edilen manyetik sıkıştırma ve sertleştirmenin olası bir uygulaması, sürekli elektro-kalıcı mıknatısların STIFF-FLOP robotuna yerleştirilmesi ile ispat edilmiştir. Bu tezin bulguları, sıkıştırma ve viskoelastisite değişikliğinin birleştirilmesi ile oluşturulan, sertleştirme için önerilen hibrit yöntemin, yumuşak robotlarda değişken ve kontrol edilebilir sertlik elde etmek için umut verici bir yaklaşım olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
One of the biggest challenges in soft robotics is the variability and controllability of stiffness. Compliance is required for soft robots to enable dexterity and secure interactions with the environment, whereas rigidity is required to transmit forces when necessary. Stiffness variation of soft robots has been achieved through stiffening methods such as antagonistic arrangement of active elements, jamming by vacuum, and viscosity change under magnetic field. The methods can be compared in terms of speed of stiffening and destiffening, modes of stiffening, and stiffness variation. Magnetorheological elastomers (MREs) are effective in response time and suitable for different stiffening modes, such as bending, tension, and compression. However, stiffness variation data can only reach high values if a very high magnetic field is applied. Jamming-based methods appeal due to fabrication, low cost, and stiffness variation. However, the speed of this technology is not particularly remarkable. In addition, it requires an external membrane, creating design complications for system integration. No research that utilizes both methods simultaneously is found in the soft robotics literature. In this thesis, a hybrid method is proposed that combines a jamming-based approach with a viscosity-based one for stiffening of soft robots. The proposed method is innovative because stiffness variation is boosted by exploiting the advantages of magnetic jamming of MREs. In order to prove the proposed method, a number of steps was taken. First, the bending behavior of MREs is analytically, numerically, and experimentally investigated to analyze the effect of volume fraction of magnetic particles on stiffness variation. Second, a multi-layer jamming structure consisting of MRE layers and two flexible Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets is developed to investigate the unique mechanics of magnetic jamming of MRE sheets exploring stiffness change both due to jamming and variable viscoelasticity. Third, a fiber jamming structure consisting of MRE fibers and a flexible NdFeB magnet is developed and integrated into a soft robot, the STIFF-FLOP manipulator. Stiffening tests are performed on the manipulator to prove the concept of magnetic jamming of MRE fibers. Results show that stiffness gain in bending and compression is achieved with the proposed method. Finally, a possible implementation of electronically-controlled magnetic jamming and stiffening is demonstrated on the manipulator which is embedded with electro-permanent magnets. The findings of this thesis show that the proposed hybrid stiffening method combining jamming with viscoelasticity modification is a promising approach to achieve variable and controllable stiffness in soft robots.
Benzer Tezler
- Design and development of a mechanically adjustable linear torsion spring using cams
Yay sabiti ayarlanabilir lineer burmalı yayın kam üzerine sarılan ip mekanizması ile tasarımı ve imalatı
MEHMET KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
YRD. DOÇ. DR. YİĞİT YAZICIOĞLU
- Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves
Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu
ONUR COŞKUN
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Experimental and numerical studies on replaceable links for eccentrically braced frames
Dışmerkez çelik çaprazlı perdelerde değiştirilebilir bağ kirişleri için deneysel ve numerik çalışmalar
YASİN ONURALP ÖZKILIÇ
Doktora
İngilizce
2020
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM TOPKAYA
- Katmanlı imalat teknolojileri ile ayarlanabilir rijitlikte doku iskelesi tasarımı
Design of tissue scaffold with tunable stiffness using 3d additive manufacturing technologies
BEKA ÇOTUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyomühendislikGazi ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN KÜRŞAD SEZER
- Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production
3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı
EVREN DEMİRCAN
Doktora
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK