KonjugeTip Bir Elektro-Aktif Polimer Eyleyicinin Görüntü Tabanlı Kontrolü

Transkript

1 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran 15 KonjugeTip Bir Elektro-Aktif Polimer Eyleyicinin Görüntü Tabanlı Kontrolü M.Y. Coşkun * M. İtik Karadeniz Teknik Üniversitesi Karadeniz Teknik Üniversitesi Trabzon Trabzon Özet Bu çalışmada konjuge tip bir elektro-aktif polimer (EAP) eyleyici bir ucundan sabitlenip diğer ucu serbest bırakılarak uç noktasının görüntü tabanlı konum kontrolü yapılmıştır. Eyleyicinin uç noktasının yer değiştirmesi bir kamera yardımı ile ölçülerek ayrık zamanlı olarak tasarlanan PID kontrolcüde geri besleme sinyali olarak kullanılmıştır. Kamera ile elde edilen sistem cevabı, literatürde polimer eyleyicilerin kontrolünde konum ölçer olarak yaygın bir şekilde kullanılan hassas lazer mesafe ölçerden elde edilen konum bilgisi ile karşılaştırılmıştır. Kamera ile elde edilen sonuçlar, polimer eyleyicinin uç noktasının konum bilgisinin kamera ile yüksek doğrulukla elde edilebileceğini ve görüntü tabanlı kontrolün EAP eyleyicilerin uygulamalardaki yaygınlığını artırabileceğini göstermektedir. Anahtar kelimeler: eyleyici, görüntü tabanlı kontrol, ieap, iyonik elektro-aktif polimer Abstract In this study, the tip displacement of a conjugated electro-active polymer (EAP) actuator which is fixed at one end has been controlled by using vision based control method. Actuator s end-point displacement which is measured with a camera is used as the feedback signal to the discrete time PID controller. The actuator s displacement response is obtained via the camera and compared with that obtained using a sensitive laser displacement sensor. Results show that, using vision based control may give accurate results in controlling the EAP actuator s displacement and widen it s use in applications. Keywords: actuator, vision based control, ieap, ionic electro-active polymer I. Giriş İyonik elektro-aktif polimer (EAP) eyleyiciler yeni nesil bir akıllı eyleyici türü olup üzerlerine uygulanan düşük elektrik gerilimi uyarılarına yüksek gerinim değişimleri gösterirler. İyonik EAP lerin potansiyel uygulama alanları arasında mikro-nano manipülasyon [1], mini pompa, ilaç iletim sistemleri [] ve hücre manipülasyon ve enjeksiyonu [3] bulunmaktadır. İyonik EAP eyleyicilerin belirtilen uygulamalardaki performansını arttırmak için geri beslemeli kontrol yöntemleri kullanılmıştır [4]. Bu çalışmalarda bir ucu sabitlenen ve diğer ucu serbest bırakılan eyleyicinin uç noktasının konum bilgisini elde etmek amacıyla yaygın olarak lazer mesafe ölçer kullanılmıştır. Lazer mesafe 1 ölçerler büyük boyut, yüksek maliyet ve genelde tek eksendeki hareketi ölçmeleri gibi olumsuzlukları sebebiyle iyonik EAP eyleyicilerin endüstriyel uygulamalarda yaygınlaşmasında engel teşkil etmektedir. Görüntü tabanlı konum kontrolü, kameradan elde edilen görüntülerden görüntü işleme algoritmalarıyla konum bilgisinin çıkarılarak kontrolcüye geri beslenmesidir. Özellikle hücre manipülasyonu ve enjeksiyonu gibi uygulamalarda görüntü tabanlı kontrol hücrenin konumlandırılması ve hücreye temasın belirlenmesinde büyük önem taşımaktadır [5]. Bu çalışmada, EAP eyleyicilerin serbest bırakılan ucundaki yer değiştirmeyi ölçmek amacıyla yaygın olarak kullanılan lazer mesafe ölçer yerine kamera ile görüntü tabanlı konum belirleme sistemi önerilmiştir. Serbest ucundaki konum değişikliği kontrol edilmek istenen konjuge iyonik EAP ve eyleyicinin serbest ucundaki konum bilgisini elde etmek için kullanılan görüntü işleme teknikleri sırasıyla II. ve III. kısımlarda detaylı olarak anlatılmıştır. Ayrık zamanlı olarak tasarlanan PID kontrolcünün belirlenmesine yönelik deneysel çalışmalar ve kamera ile hassas lazer konum ölçer kullanılarak belirlenen konum değerleri IV. kısımda verilmiştir. Görüntü tabanlı konum belirleme sistemi ile ilgili sonuçlar ise V. kısımda ortaya konmuştur. II. Üç Katmanlı Konjuge İyonik Elektro-Aktif Polimer Bu çalışmada kullanılan konjuge iyonik EAP eyleyici üç katmanlı bir yapıya sahiptir. Dış katmanlarda iletken polipirol (PPy) ara kısımda ise yalıtkan olan polyvinylidene fluoride (PVDF) bulunmaktadır (Şekil 1). PPy katmanlar eyleyicinin aktif kısımları oluşturmaktadır ve her birinin kalınlığı yaklaşık 3 μm dir. PVDF katmanın kalınlığı ise yaklaşık 11 μm dir ve gözenekli bir yapıya sahiptir. PVDF katmanın her iki yüzeyinde de iletkenliği arttırmak amacıyla. μm kalınlığında altın tabakası kullanılmaktadır. Eyleyicinin hareketi katmanlar arası iyon geçişi ile sağlanırken, PVDF gözenekli yapısı sayesinde elektrolit sıvı için hazne görevi görerek hareket anında gerekli olan iyonları sağlamaktadır.

2 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran 15 III. Görüntü İşleme Konjuge iyonik EAP uç noktasının koordinatlarının elde edilmesinde kullanılan görüntü alma ve işleme adımları şekil 3 te verilmiştir. Şekil 1. Üç katmanlı konjuge iyonik EAP'ın yapısı Renkli (RGB) Görüntü Griye Dönüştürme Gri Görüntü Eşikleme Siyah-Beyaz Görüntü Konjuge iyonik EAP eyleyicilerin üzerine uygulanan yeterli elektrik gerilimi sonucunda indirgenmeyükseltgenme (redoks) tepkimesi meydana gelir. Bu tepkimeye göre içyapıdaki iyonların ve elektronların katmanlar arasında geçişi şekil değişimine sebep olur. Burada, pozitif gerilimin uygulandığı PPy katmandan diğer PPy katmana doğru elektron geçişi olur. Elektronların ayrıldığı bu katmandaki yük dengesini nötr hale getirilebilmesi için elektrolit sıvıdaki eksi yüklü iyonlar (anyonlar) yükseltgenmiş katmana geçerek bu katmanın genişlemesine sebep olurken diğer katman artı yüklü iyonların (katyonların) çıkışı sebebiyle daralır. PPy katmanlar arasında gerçekleşen redoks tepkimesi aşağıda verilmiştir; - Yükseltgenme PPy+TFSI PPy TFSI +e (1) İndirgenme Redoks tepkimesi sonucunda eyleyici daralma olan taraftaki elektroda (PPy katman) doğru bükülür (Şekil ). Uygulanan elektriksel gerilime bağlı olarak bükülmenin miktarı kontrol edilebilir. Takip Edilecek Bölgenin Koordinatları Koordinat Çıkarımı Takip Edilecek Bölge Belirleme Şekil 3. Koordinat eldesi için yapılan işlemler Kapama İç Boşlukları Giderilmiş Bölgeler A. Griye Dönüştürme Web kamerasından alınan görüntü kırmızı, yeşil ve mavi (RGB) renklerden oluşan piksellerden meydana gelmektedir. Elde edilen görüntüde 3 farklı renk grubunun bulunması işlenmesi gereken piksel sayısını arttırmaktadır. Koordinat çıkarımı gerçek zamanlı yapılarak sonrasında ayrık zamanlı PID kontrolcüye geri besleneceği için işlem zamanının kısa tutulması gerekmektedir. Bu gereksinimden dolayı RGB formundaki görüntü griye çevrilerek 3 farklı renk grubu yerine gri üzerinde işlem yapılması sağlanmıştır [6]. RGB piksel değerleri, gri piksel değerlerine dönüştürülürken aşağıdaki eşitlikten yararlanılmıştır [7], Gri.989xR.587xG.114xB () Şekil. Şekil değişikliği gösteren üç katmanlı konjuge iyonik EAP B. Eşikleme Griye dönüştürme işlemi bir önceki bölümde belirtildiği üzere görüntü üzerinde yapılan işlem süresinin kısaltılmasını sağlarken diğer taraftan ilgilenilen nesneyi arka plandan ayırmak için gerekli olan eşikleme işleminin ön safhasını da oluşturmaktadır [6]. Eşikleme, gri seviyeleriyle ifade edilen görüntünün siyah-beyaz olarak ifadesi için yapılması gereken işlemleri kapsar. İlk olarak, arka plan ile nesneyi birbirinden ayırmak için gerekli olan gri seviyesi değeri seçilir. Uygun gri seviyesi seçilirken gri seviyesi histogramına bakılarak elle seçim yapılabilir ya da otomatik olarak seçim yapılması isteniyorsa Otsu eşikleme yöntemi [8] kullanılabilir. Otsu eşikleme yöntemi görüntünün her bir karesi için eşik değerini tekrar hesaplar. Bu çalışmada, deneyin yapıldığı ortam uygun şartlara ayarlandığı için eşik değeri seçimi gri seviyesi histogramı kullanılarak elle yapılmıştır. Seçilen gri seviyesinin altında kalan piksellere, üstünde kalanlara 1 değeri atanır. Siyah-beyaz gösterimde değeri siyah ve 1 değeri beyaza karşılık gelmektedir. Ortam şartlarına bağlı olarak hangi piksel grubunun 1 ve değeri alacağı değiştirilebilir.

3 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran 15 C. Kapama Kapama, matematiksel morfolojik işlemlerden genleşme (dilation) ve aşınma (erosion) adımlarının sırayla uygulanması sonucu elde edilen bir işlemdir. Kapama işlemi vasıtasıyla görüntü içindeki bölgelerde bulunan boşluklar kapatılır. Böylelikle her bir bölge tam kapalı alan haline gelir. Kapama işlemi A B ( A B) B (3) olarak ifade edilir. terimi kapama işlemini, terimi genleşmeyi ve terimi aşınmayı ifade etmektedir. A, üzerinde işlem yapılacak olan siyah-beyaz görüntüyü; B, siyah-beyaz görüntü üzerinde yer alan piksellerin nasıl değerlendirileceğini belirleyen yapısal elemanı simgelemektedir. Bahsedilen genleşme ve kapama işlemleri sırasıyla C1 ve C kısımlarında açıklanmıştır. C1. Genleşme Siyah-beyaz görüntüdeki nesnenin hatlarını genişletmek için kullanılan morfolojik bir işlemdir. Genleşme işlemi için uygun bir yapısal elemana ihtiyaç duyulur. Yapısal elemanın merkezi, görüntüdeki 1 değerine sahip bütün piksellerin üzerine getirilir ve yapısal eleman matrisinde 1 değerine sahip olan alanlara denk gelen piksellerin değeri 1 olarak değiştirilir [9]. Genleşme işlem sonucunda görüntüdeki boşlukların dolduğu ve köşelerin yumuşadığı gözlenir. Genleşme işlemi A B z Z z a b, a A, b B (4) şeklinde ifade edilir. Bu işleme göre, Z iki boyutlu uzayı z yi içinde barındırmaktadır. z, B yapısal elemanının içerisinde bulunan b değerine ve A siyah-beyaz görüntüsünde bulunan a pikseline göre değer alan genleşme işleminin sonucudur. C. Aşınma Siyah-beyaz görüntüdeki nesnenin hatlarını daraltmak için kullanılan morfolojik işlemdir. Aşınma işleminde, genleşme işleminde olduğu gibi yapısal eleman görüntüdeki bütün piksellerde gezdirilir. Eğer yapısal eleman matrisinde 1 değerine sahip kısımlardan herhangi birisi değerine sahip pikselin üzerine gelirse yapısal elemanın merkez noktasının geldiği pikselin değeri olarak değiştirilir [8]. Aşınma işlemi sonucunda nesneler arasındaki boşluklar daha belirgin hale getirilir ve nesnenin hatları keskinleşerek ortaya çıkar. Aşınma işlemi A B z z b A, b B (5) olarak verilir. C3. Yapısal Eleman Yapısal eleman genleşme ve aşınma işlemlerinin siyah-beyaz görüntüye uygulanması esnasında kullanılan 1 ve değerlerinden oluşan maskedir. Maske içerisindeki değerler görüntüdeki piksellerin nasıl değerlendirileceğini belirler [8]. Yapılan çalışmada kullanılan yapısal eleman 3 x 3 boyutlarında olup içerisinde barındırdığı değerler, 1 B olarak belirlenmiştir. D. Belirleme Kapama işlemi ile elde edilen siyah-beyaz görüntüde nesnelerin bulunduğu yerler ve kapladıkları alanlar belirlenmiş olur. Birbiri ile komşu olan 1 değerine sahip piksellerin kapladığı alanlar ayrı ayrı hesaplanarak, takip edilmek istenen nesnenin alanını kapsayacak bir aralık seçilir. Aralığın içindeki alan, takip edilecek alandır ve bu alanın orta noktasının koordinatları belirlenir. Belirlenen koordinat bilgileri takip edilmek istenen konjuge iyonik EAP eyleyicinin uç noktasının pozisyonunu vermektedir. Bu değer, kontrolcüye geri beslenmeden önce belirlenen bir katsayıyla çarpılarak pikselden istenen uzunluk birimine (bu çalışmada milimetre) dönüşüm sağlanmış olur. IV. Deneysel Çalışmalar Konjuge iyonik EAP ın uç noktasının görüntü tabanlı kontrolü için kullanılan deney düzeneği şekil 8 de verilmiştir. Burada, hassas mesafe ölçümü için Baumer firmasına ait OADM I646/S14F lazer mesafe ölçer, lazerden bilgi alınması için National Instuments firmasına ait NI-61 PCI veri toplama (DAQ) kartı ile NI-SC 345 bağlantı kutusu ve görüntü alabilmek için Logitech firmasına ait C31 web kamerası kullanılmıştır. Elde edilen verilerin değerlendirilmesi, istenen bilginin çıkarılması ve eyleyicinin kontrolü için Mathworks firmasına ait MATLAB Simulink Real-Time altyapısından faydalanılmıştır. İlk olarak eyleyicinin sistem tanılama ile doğrusal matematiksel modeli elde edilmiş ve ardından bu model yardımı ile ayrık zamanlı PID kontrolcü tasarlanmıştır. A. Konjuge İyonik EAP ın Doğrusal Modelinin Belirlenmesi PID kontrolcü parametrelerini belirlemek amacıyla konjuge iyonik EAP ın doğrusal sistem modeli, sistem tanılama yöntemi kullanılarak çıkarılmıştır. Eyleyicinin serbest ucunun takip etmesi istenilen referans sinyalinin frekansı ve genliği göz önünde bulundurularak sistem tanılamada kullanılacak giriş sinyalinin genliği ve band genişliği belirlenir. Kontrol esnasında referans sinyali olarak.1 Hz frekans değerine sahip sinüs sinyali 3

4 Yer değiştirme [mm] Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran 15 kullanıldığı için, sistemin bu çalışma frekansında girişçıkış dinamiğini elde edebilmek amacı ile sisteme.3 Hz band genişliğinde ve.5 genliğinde elektrik gerilimi rastgele bit dizisi (Pseudorandom binary sequence, PRBS) sinyali şeklinde giriş olarak uygulanmıştır. PRBS sinyali, içerisinde rastgele 1 ve ikili değerini bulunduran yapıya sahip bir sinyal türüdür. Eyleyicinin bu girişe verdiği açık çevrim cevabı deneysel olarak elde edilmiştir (Şekil 4). Şekil 4. Eyleyicinin.3 Hz ve.5 genlikli PRBS sinyaline verdiği açık çevrim konum cevabı Elde edilen deneysel veriler kullanılarak MATLAB System Identification Toolbox yardımı ile eyleyicinin giriş-çıkış ilişkisini veren transfer fonksiyonu aşağıdadır,.581z - 1.4z.514 G(z) (6) 3 z -.94z Eyleyici modeli (6) nın doğrulanması amacıyla eyleyicinin deneysel olarak elde edilen adım ve frekans cevabı ile modelin adım ve frekans cevabı ile sırasıyla şekil 5 ve şekil 6 da karşılaştırılmıştır. Büyüklük (db) Faz (deg) Deneysel Model Şekil 6. Sistem cevabının ve elde edilen transfer fonksiyonlarının bode diyagramı B. Kontrolcü Parametrelerinin Belirlenmesi PID kontrolcünün parametrelerinin belirlenmesi için MATLAB Simulink PID Tuner arayüzü kullanılmıştır. Arayüz üzerinde tasarım frekans alanında yapılmış olup eyleyicinin.1 Hz ve genlikli sinüs sinyalini en iyi şekilde takip edebilmesi için gerekli kontrolcü katsayıları P=.45, I=.4, D=-.94 ve N = olarak belirlenmiştir. Elde edilen kontrolcü ayrık zamanlı hale çevrildikten sonra ayrık zamanlı transfer fonksiyonuna (7) dönüştürülerek sisteme eklenmiştir. C(z) From: u1 To: y Frekans (Hz).37z.5643z.1 z 1.654z.654 Yapılan çalışmada sistemdeki gecikmeleri kompanze edecek herhangi bir metod kullanılmamıştır. Bunun sebebi sistemin düşük frekanslardaki referans girişlerininin takip edilmesi işlemi esnasında bu gecikmelerin kontrolcü performansına etkisinin çok fazla olmadığının görülmesidir. (7) Sistem cevabı [mm] (Deneysel) Model cevabı [mm] (Teorik C. Görüntü Tabanlı Konum Kontrolü Tasarlanan kontrolcü sisteme dahil edildikten sonra.1 Hz frekans ve genlik değerlerine sahip sinüs frekansı takip sinyali olarak sisteme verildi. Deneye başlamadan pikselden milimetreye dönüşüm katsayısını belirlemek amacıyla görüntü alındı ve deneyin yapılacağı şartlar için 4 piksellik mesafenin 1 mm ye denk geldiği belirlendi (şekil 7) Zaman [s] Şekil 5. Eyleyicinin ve modelin adım cevabı 4

5 Yer değiştirme [mm] Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran Referans sinyali [mm] Lazer ile mesafe ölçümü [mm] Kamera ile mesafe ölçümü [mm] Zaman [s] Şekil 7. 1mm lik kareler ve dairelerden oluşan kalibrasyon levhası ve bir karenin siyah-beyaz görüntüsü Şekil 9. Web kamerası ve lazer mesafe ölçerden alınan veriler Görüntü işlemeyi kolaylaştırmak amacıyla eyleyicinin uç noktası ve arka plan arasında karşıtlık oluşturacak renkler (siyah-beyaz) seçildi (şekil 8). Yer değiştirme [mm] Toplam yer değiştirme [mm] X ekseni [mm] Y ekseni [mm] Zaman [s] Şekil 1. Kamera ile yer değiştirmenin iki eksende ölçülmesi Şekil 8. Deney düzeneği Görüntü tabanlı kontrol ile elde edilen sonuçlar şekil 9 da verilmiştir. Ayrıca şekil üzerinde lazer hassas mesafe ölçerden alınan bilgiler de gösterilmiştir. Lazer hassas mesafe ölçerden alınan konum bilgisinin kameradan alınandan farklı olduğu açık bir şekilde görülmektedir. Eyleyicinin uç noktasının yer değiştirmesi iki eksende olmaktadır, lazer ise tek eksende olan değişimi ölçebilmektedir. Lazerden farklı olarak kameradan gelen görüntüden her iki eksendeki yer değişimi hesaplanarak toplam yer değiştirme belirlenmektedir (şekil 1). V. Sonuçlar Bu çalışmada bir ucu sabitlenmiş konjuge iyonik EAP eyleyicinin serbest olan uç noktasının konum kontrolü görüntü tabanlı olarak yapılmıştır. Yapılan çalışma bu tür eyleyiciler için bir ilk olma özelliği taşımaktadır. İlk çalışma olmasına rağmen elde edilen sonuçlar umut vadetmektedir. Kamera yardımı ile eyleyicinin uç noktasının deplasmanı iki boyutlu uzaysal koordinatlarda belirlenmesi eyleyicinin büyük deplasmanlar gerektiren veya lazer sensörün boyut veya maliyet fazlalığı getireceği kontrol uygulamalarında büyük avantaj sağlayacaktır. İlerideki çalışmalarda gecikmeler göz önüne alınarak bunların kompanzasyonu için Smith öngörücüsü gibi tahmin etme metotları kullanılabilecektir. Teşekkür Çalışmada kullanılan konjuge iyonik EAP eyleyicilerin temin edilmesindeki yardımlarından dolayı Wollongong Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Gürsel Alıcı ya ve çalışmalar sırasında yardımcı olan Arş. Gör. Caner Sancak a teşekkür ederiz. 5

6 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, Izmir, Haziran 15 Kaynakça [1] Lee K.K.C, Munce N.R. ve Shoa T., Fabrication and characterization of laser-micromachined polypyrrole-based artificial muscle actuated catheters, Sensors and Actuators A: Physical, 153():3-36, 9. [] Low L., Seetharaman S. ve He K., Microactuators toward microvalves for responsive controlled drug delivery, Sensors and Actuators B, 67(1-): ,. [3] Jager E.W.H., Inganäs O. ve Lundström I., Microrobots for micrometer-size objects in aqueous media: potential tools for single-cell manipulation, Science, 88: ,. [4] Yao Q., Alici G. Ve Spinks G.M., Feedback control of tri-layer polymer actuators to improve their positioning ability and speed of response, Sensors and Actuators A: Physical, 144(1): , 8. [5] Sun Y., Nelson B. J., Biological Cell Injection Using an Autonomous MicroRobotic System, The International Journal of Robotics Research, 1(1-11): ,. [6] Leta R.L., Feliciano F.F., de Souza I.L. ve Cataldo E., Discussing accuracy in an automatic measurement system using computer vision techniques, Prooceedings of COBEM, 5. [7] Kanan C. ve Cottrell G. W., Color-to-Grayscale: Does the Method Matter in Image Recognition?, PLoS ONE 7(1):e974, 1. [8] Otsu N., A threshold selection method from gray-level histograms, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 9(1):6-66, [9] Gonzalez R. C. ve Woods R. E., Digital Image Processing, Prentice Hall,. Baskı,. 6