Design and validation of mechanical multi-axis force/moment sensors
Mekanik çok eksenli kuvvet/moment algılayıcılarının tasarımı ve doğrulaması
- Tez No: 921406
- Danışmanlar: PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ, DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Çok eksenli kuvvet/moment algılayıcıları, üç boyutlu uzayda zamana bağlı olarak üç kuvveti (Fx, Fy, Fz) ve üç momenti (Mx, My, Mz) ölçme yeteneğine sahiptir. Bu algılayıcılar kuvvet ve moment yüklerinin sehim ve gerinim oluşturduğu mekanik bir yapıya sahiptir. Bu fiziksel değişiklikler elektrik sinyallerine dönüştürülerek kuvvet ve momentleri ölçebilen bir algılayıcı elde edilir. Victor Scheinman, 1960'ların sonlarında Stanford robotik kolu için gerinim ölçerlere sahip çapraz kiriş mekanizması ile ilk altı eksenli kuvvet/moment algılayıcısını geliştirmiştir. O zamandan beri, çok eksenli kuvvet/moment algılayıcıları çeşitli robotik ve otomasyon sistemlerinde kullanılmaktadır. Yıllar içinde çeşitli mekanik yapılar ve ölçüm prensipleri test edilmiş ve algılayıcılar teknolojik gelişmelerle birlikte daha verimli hale getirilmiştir. Araştırmacılar farklı mekanik yapıları incelenmiş ve bu yapıların çok eksenli kuvvet/moment ölçümü için avantajlarını ve dezavantajlarını ortaya koymuştur. Yıllar boyunca, çapraz kiriş yapısı, sütun kiriş ve Stewart platform yapısı alternatiflerine kıyasla çok eksenli kuvvet/moment algılayıcıları için tercih edilen bir tasarım olarak ortaya çıkmıştır. Çapraz kiriş ve y şeklindeki kiriş yapıları, çok eksenli kuvvet/moment algılayıcıları için en yaygın ve uyumlu mekanizmalardır. Bu algılayıcı yapıları kompakttır, talaşlı imalat ile kolayca işlenebilir ve tüm kuvvet ve moment eksenlerinde iyi bir hassasiyete sahiptir. Piezorezistif etki, çok eksenli kuvvet/moment sensörleri için uygulanan en yaygın algılama teknolojisidir. Gerinim ölçerler, kapasitif, piezoelektrik ya da fiber Bragg ızgara karşıtlarına kıyasla basit, güvenilir ve düşük maliyetli olan algılama elemanları olarak kullanılır ve iyi çözünürlüklü algılayıcılar sunarlar. Metal alaşımlarından ya da yarı iletkenlerden yapılabilirler. Gerinim ölçerler genellikle daha yüksek güç tüketimine, daha düşük frekans bant genişliğine ve elektromanyetik gürültülere karşı hassasiyete sahiptir. Gerinim ölçerler mekanik gerinimleri elektriksel direnç değişimi nedeniyle voltaj sinyallerine dönüştürür. Bu tez, piezorezistif tip mekanik çapraz kiriş ve y şeklindeki kiriş yapısına sahip çok eksenli kuvvet/moment algılayıcılarının tasarımı ve optimizasyonu için yenilikçi bir modelleme ve optimizasyon problemi formülasyonu önermektedir. Bu yenilikçi metodoloji ile tasarım sürecinin doğruluğu, yeteneği ve süresi geliştirilmektedir. Önerilen teorik model kiriş bağlantılarının rijitliğini de dikkate alarak Timoshenko kiriş teorisini tüm mekanik yapıya uygular. Bu yaklaşım ile, malzeme özelliği, kuvvet/moment oranı ve yapı şekli farketmeksizin, sonlu elemanlar yöntemi modellerine kıyasla kabul edilebilir bir hata payı içinde gerinim, rijitlik, doğal frekans ve eşdeğer gerilme hesaplanabilir. Mevcut teorik modeller gerekli doğruluğa sahip değildir çünkü modelde tüm kirişleri ve kirişlerin bağlantı rijitliğini dikkate almamaktadır. Bu sebep ile eşdeğer gerilme ve doğal frekansı tahmin de edemez. Ayrıca, bu teorik modellerin doğruluğu kapsamlı bir istatistiksel analizle doğrulanmamıştır. Ek olarak, y şeklindeki kiriş yapısı üzerine mevcut literatür sınırlıdır. Bu tez çalışması y şeklindeki kiriş yapısının özelliklerini de kapsamlı bir şekilde analiz etmektedir ve çapraz kiriş yapısıyla karşılaştırarak avantajlarını da incelemektedir. Teorik modellerin eksiklikleri, algılayıcı optimizasyonunu da etkilemektedir. Literatürdeki çok eksenli algılayıcı optimizasyonu, mevcut algılayıcı tasarımınındaki algılayıcı özelliklerinin sınırlı bir boyut alanında iyileştirilmesinden ibarettir. Algılayıcıyı yapısal olarak güvenli tutacak ve optimizasyon sırasında algılayıcının doğal frekansını dikkate alacak kısıt denklemleri mevcut değildir. Bu tez çalışması algılayıcı optimizasyonu ile de ilgilenmektedir. Sunulan yeni optimizasyon problemi formülasyonları ile, çapraz kiriş yapıları istenilen yapısal güvenliğe ve dinamik cevaba sahip olurken algılayıcı hassasiyeti korunmuştur. Teorik modelin faydaları, literatürdeki tek hedefli optimizasyon çalışmaları ile karşılaştırılarak ifade edilmiştir. Ayrıca, yeni bir optimizasyon problemi formülasyonu ile mekanik çapraz kiriş ve y şeklindeki kiriş yapılarının Pareto optimizasyonu literatürde ilk kez gerçekleştirilmiştir. Bu önerilen optimizasyon problemi formülasyonu, gerekli sensör özelliklerini tahmin edemedikleri için önceki teorik modellerle mümkün değildir ve çok zaman alıcı olduğu için sonlu elemanlar yöntemi modelleriyle de uygulanabilir değildir. Çok amaçlı optimizasyon sonuçları sensör boyutu, akma dayanımı ve doğal frekansa göre istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Optimal algılacıyı boyutları, herhangi bir başlangıç tasarımı olmaksızın TOPSIS aracılığıyla Pareto sonuçlarından seçilir. Yeni teorik model ve çoklu hedef optimizasyonu problemi formülasyonu uygulanarak, mekanik çapraz kiriş ve y şeklindeki kiriş yapılar ile yüksek yapısal güvenliğe, doğal frekansa, ve hassasiyete sahip algılayıcılar elde edilmiştir ve iki algılayıcı tasarımı sunulup prototipleri üretilmiştir. Teorik sonuçlar, algılayıcı prototiplerinin sonlu elemanlar yöntemi modeli ve deneylerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, deneyler ve FEM modelleri ile tutarlılık göstermektedir. Bu da teorik modeli ve optimizasyon problem formülasyonunu doğrulamıştır. Sonuç olarak, mekanik çok eksenli kuvvet/moment sensörlerin modelleme ve optimizasyon metodolojisi açısından bu tez literatüre katkıda bulunmuştur. Ayrıca, algılayıcı prototipleri tezde sunulan metodolojiye göre kalibre ve karakterize edilmiştir ve algılıyıcıların doğrulukları ortaya konulmuştur. Mekanik çapraz kiriş ve y şeklindeki kiriş prototipleri %1 civarında benzer bir doğruluğa sahiptir, ancak y şeklindeki kiriş prototipi daha yüksek hassasiyete sahiptir. Ayrıca, y şeklindeki kiriş yapısının merkez göbek çapı ve kiriş boyutları daha büyüktür. Bu da üst kapak ve gerinim ölçer montajını kolaylaştırır. Bu çalışma, mekanik y şeklindeki kiriş yapısını çapraz kiriş yapısına göre üstün olarak değerlendirmektedir. Gelecekteki çalışmalarda, modelleme ile ilgili olarak, artan makine öğrenimi algoritmaları ve fizik bilgili sinir ağları ile birlikte teorik modelde sunulan kiriş katsayıları eğitilerek modelin doğruluğu artırılabilir. Ek olarak, teorik model makine öğrenimi ile birleştirilerek basitleştirilebilir. Ayrıca, sensör tasarımı ve optimizasyonunda tezde de sunulan istatistiksel regresyon modellerinden faydalınabilir. Benzer teorik model ve regresyon teknikleri, farklı çapraz kiriş yapıları ve kolon kiriş yapıları için de genişletilebilir. Optimizasyonla ilgili olarak, Pareto optimizasyonunda algılayıcı izotropisi de değerlendirilebilir ve alternatif yapılarla karşılaştırılabilir. Kalibrason ve karaterizasyon ile ilgili olarak, doğrusal olmayan regresyon modelleri ve makine öğrenimi ile mekanik çok eksenli kuvvet/moment algılayıcı prototiplerinin kalibrasyon ve karakterizasyon süreci hızlandırılabilir ve algılayıcıların doğruluğu arttırılabilir.
Özet (Çeviri)
Multi-axis force/moment sensors are capable of measuring three forces (Fx, Fy, Fz) and three moments (Mx, My, Mz) in three-dimensional space over time. They are mechanical sensors in which force and moment loads create deflection and strain. These physical changes are converted into electrical signals, producing a sensor that can measure forces and moments. Victor Scheinman introduces the first six-axis force/moment sensor that has a cross-beam compliant mechanism and strain gauges for the Stanford Arm in the late 1960s. Since then, these multi-axis force/moment sensors have been used in various robotics and automated systems. Over the years, various mechanical structures and sensing principles have been tested, and the sensors have been improved, becoming more efficient along with the technological development. Cross-beam and y-shaped-beam structures are the most common compliant mechanisms for the multi-axis force/moment sensors. The sensor structures are compact, easily machined with high precision, and have good sensitivity across all force and moment axes. The piezoresistive effect is the most common sensing technology implemented for multi-axis force/moment sensors. Strain gauges are used as sensing elements that are simple, reliable, and cost-effective. This thesis aims to design and optimize mechanical cross-beam and y-shaped-beam multi-axis force/moment sensors by proposing a new theoretical model that can rapidly predict sensor properties within an acceptable error margin compared to finite element method models. Current theoretical models lack the required accuracy and cannot estimate the equivalent stress and natural frequency. Moreover, the accuracy of these theoretical models is not validated by a comprehensive statistical analysis. The shortcomings of the theoretical models affect the sensor optimization. Multi-axis sensor optimization at the current state is stuck in a local domain of the initial sensor design, optimizing a few numbers of sensor dimensions. This thesis also deals with this optimization problem. Benefits of the proposed theoretical model are demonstrated by comparing the single-objective optimization cases from the literature. Moreover, a novel optimization problem formulation for multi-objective optimization without any initial design is suggested. This proposed optimization problem formulation is not possible with prior theoretical models because they cannot estimate the required sensor properties and is not feasible with finite element method models because the optimization problem is very time-consuming. The new theoretical model and optimization problem formulation are applied for cross-beam and y-shaped-beam sensor structures, and two compact sensor designs that have high structural reliability and natural frequency and are optimized for higher sensitivity are offered. Sensor prototypes are built in order to validate the proposed theoretical model and the problem formulation.
Benzer Tezler
- Önburulmalı fonksiyonel olarak derecelendirilmiş çubukların statik ve dinamik davranışlarının incelenmesi
Investigation of static and dynamic behaviors of functionally graded pretwisted beams
ÖMER EKİM GENEL
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Design, analysis and verification of conventional and non-conventional cylindrical cfrp composite shell with optimized cutout under the effect of combined loading
Üzerinde kesitler olan geleneksel ve geleneksel olmayan silindirik karbon fiber kompozit polimer kabuğun bileşik yükleme altında tasarım, analiz ve doğrulanması
MANSUR ÇELEBİ
Doktora
İngilizce
2017
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
PROF. DR. ZAFER GÜRDAL
- Kıvrım geometrisi ve felsefesi: Bir türev olarak mimarlık
Geometry and philosophy of folding: Architecture as a derivative
TUĞBA MENŞUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURBİN PAKER KAHVECİOĞLU
- Turboprop motorlar için akçaağaç tohumu yaprağından esinlenmeli biyomimetik pervane tasarımı
Biomimetic propeller design inspired by maple seed leaf for turboprop engines
YUNUS MEŞECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TURAN
- Uzay araçlarında kullanılan malzemelerde temas basıncının ısıl dirence etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical examination of the effect of contact pressure on thermal resistance i̇n materials used i̇n space vehicles
SEZAİ KOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
EnerjiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEDİM SÖZBİR