Modeling and open-loop deformation control of soft actuators with pla-embedded reconfigurable stiffness
Pla gömülü yeniden yapılandırılabilir sertliğe sahip yumuşak aktüatörlerin modellemesi ve açık döngü deformasyon kontrolü
- Tez No: 994692
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. MELİH TÜRKSEVEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Uyumlu gövdelerin yapsal rijitliinin programlanabilmesi, snrl sayda aktüatör kullanlarak karmak ekil deitirme desenlerine ulamak için umut verici bir yol sunmaktadr. kili (açk/kapal) rijitlik deiimine kyasla, sürekli rijitlik ayarlanabilirlii elde edilebilir çktlar yelpazesini geniletmekte ve daha hassas deformasyon kontrolüne olanak salamaktadr. Poliaktik asit (PLA) elemanlarnn gömülmesi özellikle caziptir; zira PLA, scaklk ile kontrol edilebilen camkauçuk geçii boyunca geni bir ayarlanabilir rijitlik aral sergilemektedir. Bu stratejinin hayata geçirilmesi, PLAnn scakla bal histeretik davrannn modellenmesini ve uygun bir kontrol çerçevesi gelitirilmesini gerektirir. Bu tez, PLA tabanl rijitlik modülasyonu için iki modelleme yaklamn gelitirmekte ve karlatrmaktadr. Temel yaysönümleyici modeli, viskoelastisiteyi dorusal ve uygulanabilir bir yaklamla temsil ederken, dorusal olmayan BoucWen histerezis formülasyonu PLAnn geçi bölgesinde baskn olan geçmie baml davranlar yakalamaktadr. Model tanmlamasn desteklemek amacyla, farkl scaklklarda PLA elemanlar üzerinde çevrimsel yükleme deneyleri gerçekletirilmi, elastik ve histeretik katklar gözlemlenmitir. Model parametreleri, scakln sürekli fonksiyonlar olarak elde edilerek, tüm aralk boyunca rijitlik ve sönüm deerlerinin öngörülmesi salanmtr. Bu modellere dayanarak, istenilen uç konumlarn uygulanabilir scaklk ve basnç girilerine eleyen açk çevrimli bir ekil deitirme kontrol yöntemi sunulmaktadr. Dorulama, PLA elemanlarna sahip 15 cm uzunluunda, tek odackl termo-pnömatik bir aktüatör (TPA) üzerinde gerçekletirilmitir. Aktüatör ucu 125 cm2lik bir çalma alann kapsam ve 58 kontrol denemesi uygulanmtr. Sonuçlar, BoucWen modelinin ortalama kon- umlama doruluunu temel modele kyasla %30 iyiletirdiini (9 mmye kar 12 mm) ve en büyük kazanmlarn kauçuk faznda elde edildiini göstermektedir. Bulgular, termomekanik modelleme ile pnömatik tahriki birletirerek yeniden yaplandrlabilir rijitlie sahip yumuak robotlarda programlanabilir ekil deitirmelerin salanmasna yönelik bir metodoloji ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Programming the structural stiffness of compliant bodies offers a promising route to achieve complex deformation patterns with a limited number of actuators. Un- like binary stiffness switching, continuous stiffness tunability expands the range of achievable outputs and enables finer deformation control. Embedding polylactic acid (PLA) elements is particularly attractive, as PLA exhibits a wide tunable stiffness range across its glass-to-rubber transition, controllable via temperature. Realizing this strategy requires modeling of PLAs temperature-dependent, hysteretic behavior and a suitable control framework. This thesis develops and compares two modeling approaches for PLA-based stiffness modulation. A baseline spring–damper model provides a tractable, linear approximation of viscoelasticity, while a nonlinear hysteretic Bouc–Wen formulation captures history-dependent behaviors dominating during PLAs transition. To support model identification, cyclic loading experiments were conducted on PLA elements across multiple temperatures, revealing both elastic and hysteretic contributions. Model parameters were regressed as continuous functions of temperature, enabling prediction of stiffness and damping values across the full range. Building on these models, an open-loop deformation control method is introduced, mapping desired tip positions to feasible temperature and pressure inputs. Vali- dation was performed on a 15 cm-long, single-chamber thermo-pneumatic actuator (TPA) with PLA elements. The actuators tip spanned a 125 cm2 workspace, where 58 control trials were executed. Results show that the Bouc–Wen model improved average positioning accuracy by 30% (9 mm vs. 12 mm) relative to the baseline, with the largest gains in the rubber phase. The findings establish a methodology for combining thermo-mechanical modeling and pneumatic actuation to achieve programmable deformations in soft robots with reconfigurable stiffness.
Benzer Tezler
- Soğuk gaz itki sistemlerinde tribolojik iyileştirme ile hassas itki kontrolu
Fine thrust control in cold gas propulsion systems through tribological improvements
FIRAT MEHMET GÜNKAN
Doktora
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. BÜLENT SÜMER
- Dönme çırpınması kararlılığının pıd kontrollü kontrol yüzeyleri ile artırılması
Whirl flutter stability augmentation via pid-controlled control surfaces
BEDİRHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TATAR
- Conformational transitions of proteins using multi-scale modeling approaches
Çok ölçekli modelleme yaklaşımları ile proteinlerin konformasyonel geçişleri
ARZU UYAR
Doktora
İngilizce
2014
BiyofizikBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PEMRA DORUKER TURGUT
- Mekanizmaların sonlu eleman yöntemi ile dinamik analizi
Dynamic analysis of mechanisms by finite element method
FATİH MEHMET BOTSALI
- Modeling and implemention of variable frequncy drive based on open-loop volt/hertz
Açık döngü volt ve frekansa dayalı değişken frekans sürücünün modellenmesi ve gerçekleştirilmesi
AHMED KHALID ALI ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGUN ERÇELEBİ