YİBO Öğretmenleri (Fen ve Teknoloji-Fizik, Kimya, Biyoloji- ve Matematik) Proje Danışmanlığı Eğitimi Çalıştayı FİZİK MANYETİK MANİPÜLATÖR İLE YAPAY KAS TASARIMI Ersen ÇIĞRIK Eleşkirt Y.İ.B.O (Eleşkirt Ağrı) PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Bekir AKTAŞ Prof. Dr. Yaşar YILMAZ GEBZE ŞUBAT- 2010
Proje Adı: Manyetik Manipülatör ile Yapay Kas Tasarımı PROJENİN AMACI Manipülatörler robotik eklemlerde hareketi sağlayan sistemlerdir. Mevcut manipülatör sistemlerin bazı durumlarda yetersiz kalması ve organik kas mekaniğine uygun hareket gereksinimi alternatif manipülatörlerin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu araştırmada amaç kas hareketlerinin benzeri şekilde kasılıp gevşeme hareketi sağlayacak bir manipülatör sistemi geliştirmektir. Bu hareketi sağlamak için elektro manyetik etkiden yararlanılmıştır. GİRİŞ Günümüzde teknolojinin robotik uygulamaları sanayi, savunma ve eğlence amaçlı olarak birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Robotlar sanayi de çok hassas üretimlerin yapılması ve hata payını en aza indirilmesi, savunmada ise bilgi toplama veya bomba imha gibi uygulamalar için yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu doğrultuda yapılan her türlü çalışma robotik uygulamaların ve bu uygulamaların araştırma alanlarının genişlemesine katkıda bulunacaktır. Konunun çok geniş perspektife sahip olması robotik uygulamaların her bir alt dalının farklı bir araştırma konusu haline gelmesine sebep olmuştur. Günümüzde yapılan çalışmalarda bu alt araştırma konuları genel olarak; kullanıcı-robot ara yüzleri, denetim-karar blokları, hareket blokları olarak gruplandırılmaktadır. Hareket bloklarının geliştirilmesi için yapılan araştırmalarda farklı çalışma sistemleri geliştirilmiştir. Araştırmacıların geliştirmiş oldukları farklı yapılı robot eklem uygulamaları Tablo 1. de görülmektedir [1]. Tablo 1. Farklı Hareketlendirici Tiplerine Sahip Robotik Eklemler ÖZELLİK ROBOT EL Hareketlendirici Parmak Sayısı Başparmak Toplam Ser. Hareket İletimi Tipi Eklemi Derecesi UTAH/MIT Pnömatik 4 4 16 Makara - İp Belgrad/ USC Model II Elektrik 5 2 16 Özel Mekanizma JPL Standford Elektrik 3 3 9 Makara - İp METUHAND Elektrik 3 3 9 Makara - İp MAT)ODTÜ Pnömatik 4 2 4 Makara - İp SMA Hand Elektrik 3 Şekil Bellek Etkisi Özel Yapı Isıtmasoğutma Robot eklemlere bu şekilde hareketi sağlayan sistemlere manipülatör denilmektedir. Burada eklem hareketlerinin sağlanmasında özellikle elektrik motorlarının tercih edildiği görülmektedir. Elektrik motorlarının kullanılma nedeni olarak ise, motorun dönüş eksenine göre bir moment oluşturması ve kol belli bir noktaya geldikten sonra motor frenlenerek hareketin durması sağlanması görülebilir. Bununla birlikte küçük boyutlara inildikçe bu motorların küçültülmesi zorlaşmaktadır ve motorun oluşturacağı tork de buna bağlı olarak azalacaktır. DC motorlarının bir özelliği de motor momentinin, devir sayısı arttıkça düşmesi ve böylece motor gücünün takriben sabit kalmasıdır [2]. Ayrıca elektrik motorları ile çalışan eklem sistemlerinde ses kirliliği ve motorun verimine bağlı olarak ta aşınımlar meydana gelebilmektedir. Robotik eklemlerde kullanılan diğer bir manipülatör ise hidrolik kuvvettir. Hidrolik sürücüler yüksek burulma momentlerinde hızlı hareket beklenildiği durumlarda, yüksek güç
ihtiyaçlarının fazla olduğu, azda olsa yağ kaçağının kabul edilebileceği yerlerde kullanılır [2]. Bu da küçük boyutlarda yapılacak sistemlerde kullanılmasını verimli kılmaz. Geliştirilen sistemler giderek canlı organizmalara benzer şekilde tasarlanmaktadır. Günümüzde insansı robotların tasarımı yaygınlaşmaktadır. Canlılık özelliklerini taklit etmek robot sistemlerinde gelişmişliğin bir göstergesi olarak görülmektedir. Bu da yüzey kaplama malzemeleri ve özellikle hareket sağlayıcı sistemlerinin gerçekçi ve hassas tasarlanmasını gerektirmektedir. İnsan eklemlerinde hareket kasılıp gevşeme ile sağlanmaktadır. Uygulamaya bağlı olarak çok değişik tipte robot manipülatörleri tasarlanmaktadır, ancak robotun kol şekli kadar önemli olan bir nokta da, robota istenen hareketi en az hata ile yaptırabilecek olan kontrolörün tasarlanmasıdır [3]. İnsansı robot araştırmaları için kasılıp gevşeme özelliğine sahip bir manipülatör gerçekleştirme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu araştırmada amaç kas hareketlerinin benzeri şekilde kasılıp gevşeme hareketi sağlayacak bir manipülatör sistemi geliştirmektir. Bu hareketi sağlamak için manyetik etkiden yararlanılmıştır. MATERYAL VE YÖNTEM Geliştirmeye çalıştığımız model aşağıdaki şematik resimde gösterilmektedir. Tasarımın ilk olarak sanal ortamda benzeşim ile modellenmiştir. Böylece çalışma sisteminin görülmesi ve tasarımın güçlendirilmesi sağlanmıştır. Şekil 1 Manyetik manipülatör benzeşimi Şekilde tek eksen üzerinde hareketi sağlayan manyetik manipülator sistemi görülmektedir. İki kol kemiği arasında manivela kulanılarak kemiklerin hareketlerinin kolay bir şekilde gerçeklemesi sağlanacaktır. Alt kol kemiği içinde bulunan manyetik manipülator manyetik kuvveti yapay kas liflerinde gerilmeye dönüştürecektir. Kasılan lifler ön kol kemiğinin eksen etrafında hareketini sağlayacaktır. Farklı gerilimler uygulanması ile oluşturulacak manyetik kuvvet değiştirilebilecek ve böylece ön kol kemiğinin yapacağı eksen hareketi ayarlanabilecektir. Bunun sonucunda sistem hareketleri hassas bir şekilde sağlanabilecektir. Akım kesildiğinde ise ön kol eski açısına tekrar dönecektir. Sistemin çalışmasını ölçmek için farklı akımlarda eksenler arasında oluşan açılar ölçülecektir. Sabit gerilimlerde oluşacak manyetik akımlarla, kolda oluşacak açı ölçülerek sistemin tutarlılığına bakılacaktır. Manyetik alan kuvvetinin uyguladığı moment hesaplanmıştır. Ayrıca sistemin tepki süresi ölçülmüştür. Yapım Aşamaları
1. Aşama İlk olarak çalışma 3 boyutlu ortamda benzeşimler ile tasarlanmıştır. Şekil 2 Manyetik Manipülatör Gevşek Şekil 3 Manyetik Manipülatör Kasılı 2. Aşama Projenin tasarlanması için gerekli malzemelerin siparişi verilmiştir. 3. Aşama Proje tasarlanmıştır. Bu aşamada ilk olarak yapay eklem iskeletleri oluşturulmuştur. Daha sonra manyetik kuvveti oluşturacak bobin yapılmıştır. Şekil 4 Manyetik Manipülatör Tasarımın Son Hali 4. Aşama Deneyler yapılmıştır. Bu aşamada manyetik kuvvetin kolda ne kadarlık bir moment oluşturduğu hesaplanmış ve sistemin çalışmasına ilişkin grafikler çizilmiştir. 5. Aşama Bu aşamada araştıma raporu ve sunumu hazırlanmıştır. BULGULAR
Araştımanın bu bölümünde tasarım ile ilgili yapılan deney bulgularına yer verilmiştir. İlk olarak oluşturduğumuz manyetik kuvvetin ne kadar olduğunu ve bu kuvvet ile ön kolda bulunan yükün uyguladığı kuvvetin oranı hesaplanmıştır. Aşağıda bu hesaplamalara ilişkin grafik ve formüller görülmektedir. F 1,5 cm 22 cm 8 cm K=5,83 g Şekil 4 Manyetik Manipülatör Tasarımın Son Hali Ön kol kemiği ağırlığı (K) hassas terazi ile ölçülmüştür. Uzunluklar ise cetvel ile ölçülmüştür. Aşağıdaki hesaplamalar yapılmıştır. F. 1,5 cm = K. 8. cm F. 1,5 cm = 58,3 N. 8 cm F = 311 N Eklemdeki açı değişikliğini hesaplamak için bir referans noktası seçilmiş ve bu noktanın uzaklıkları kas gevşek ve kasılı durumlardayken cetvel ile ölçülmüştür. α 7 cm 15 cm Şekil 5 Ön Koldaki Referans Noktasının Kas Gevşek Haldeyken Konumu Tanα = 0,46 α = 25 ß 8,5 cm
15 cm Şekil 6 Ön Koldaki Referans Noktasının Kas Kasılı Haldeyken Konumu Tan ß = 0,56 ß = 30 Kasılıp gevşeme açısı arasındaki fark; ß- α = 30 25 = 5 Manipülatör sisteminin tepki süresi hesaplamalarında ise kasılma süresinin 1 s, gevşeme süresinin ise 2 s olduğu ölçülmüştür. Son olarak ise sistemin tork hesaplamaları yapılmıştır. tork = kuvvet. mesafe tork = 311 N. 0,015 m tork = 4,65 N.m SONUÇ VE TARTIŞMA Bu çalışmada robot eklemler için organik kas hareketini taklit eden bir manipülator sistemi geliştirmek amaçlanmıştır. Manyetik kuvvetten faydalanılarak kasılma hareketi gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneylerde hazırlanan bobin ve mıknatıs ile 311 N luk bir kuvvet oluşturulmuştur. Oluşturulan bu kuvvet ile 58 N luk bir ön kol kemiğine 5 lik bir açı yaptırılmıştır. Bu bulgular manipülator sisteminin istenilen düzeyde çalıştığını göstermektedir. Eklemde oluşturduğumuz açı farkı manyetik kuvveti ile doğru orantılıdır. Manyetik kuvveti arttırmak için bobindeki sarım sayısını veya bobinden geçen akım mikktarını arttırdığımız zaman oluşacak açı farkıda artacaktır. Değişken dirençlerle bobinden geçen akım şiddeti değiştirildiği zaman eklemin istenilen açıyı alması sağlanacaktır. Bu da robot kolun çok hassas hareketler yapmasına imkan tanıyacaktır. Tasarlandığımız sistemin önemli özelliklerinden biride sessiz çalışmasıdır. DC motorlar ile oluşturulan manipülatör sistemlerde motor hareketine ve motorun frenlemesine bağlı olarak bir miktar gürültü oluşmaktadır. Bu da robot sistemlerinin çalışırken gürültü kirliliği oluşturmasına neden olmaktadır. Tasarladığımız sistem ile gürültü kirliliğininde önüne geçilmiş olacaktır. Manipülatör sistemlerinin sağlaması gereken diğer konu ise kolda oluşacak hareket için tepki süresinin yeterli olmasıdır. Tasarladığımız manyetik manipülatör ile kasın kasılma süresi 1 s, gevşeme süresi ise 2 s olarak hesaplanmıştır. Kasın gevşemesi için yerçekimi kuvvetinden yararlanılmıştır. Böylece gevşeme için enerji harcanmayacak ve enerji rasarrufu sağlanacaktır. Robot kolun torku 4, 65 N. m olarak hesaplanmıştır. Torkun artması daha fazla yük taşıması anlamına gelmektedir.
Kaynaklar [1] Savaş, D., Ertan G. (2000) Üç Parmaklı Şekil Bellek Alaşımlı (Sma) Robot Elin Yapımı Ve Uygulama Analizi, Deü Mühendislik Fakültesi Fen Ve Mühendislik Dergisi Cilt:2 Sayı:1 [2] Türkeş E., Orak S. (2008) Takım Tezgahı Tasarımında Elektrik Motoru Seçimi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, sy. 17 [3] Yamaçlı H., Canpolat S. (2007) Bir SCARA Robotun Adaptif/Öğrenme ve PD Denetleyiciler ile Kontrolünde Konum İzleme Performanslarının Karşılaştırılması. Elektrik- Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 12. Ulusal Kongresi ve Fuarı. Teşekkür Çalıştayı düzenleyerek bu önemli organizasyonda yer almamızı sağlayan Sayın Hocamız Prof. Dr. Mehmet Ay a, çalıştay süresince bize danışmanlık yapan Prof. Dr. Yaşar Yılmaz ve Prof. Dr. Bekir Aktaş hocalarımıza, çalıştay programında sunumlar ve etkinlikler ile bizleri bilgilendiren hocalarımıza, tüm bu süreçte ellerinden gelen tüm yardımları bize sunan teknisyen ve rehber arkadaşlarımıza teşekkür ederim.
ÖZGEÇMİŞ Ersen ÇIĞRIK Doğum Yeri ve Yılı : MALATYA 1984 Öğr.Gördüğü Kurumlar : Başlama Yılı Bitirme Yılı Kurum Adı Lise : 1999 2003 Turgut Özal Anadolu Lisesi Lisans : 2003 2007 Uludağ Üniversitesi Yüksek Lisans : 2008 Uludağ üniversitesi Doktora : Medeni Durum : Bekar Bildiği Yabancı Diller ve Düzeyi: : İngilizce Upper Intermediate Çalıştığı Kurum (lar) : Başlama ve Ayrılma Tarihleri Çalışılan Kurumun Adı 1. 2008 Davut Dörtçelik İlköğretim Okulu Yurtdışı Görevleri : Kullandığı Burslar : Aldığı Ödüller : Üye Olduğu Bilimsel ve Mesleki Topluluklar : Editör veya Yayın Kurulu Üyelikleri : Yurt İçi ve Yurt Dışında katıldığı Projeler : Tübitak orta Öğretim Proje Yarışması ( Rehberlik) Uludağ Milli Parkı, Bursa ve Çevresi Ekoloji Temelli Doğa Eğitimi III. ( Katılımcı ve Web Tasarım Sorumlusu) Uludağ Milli Parkı, Bursa ve Çevresi Ekoloji Temelli Doğa Eğitimi IV. (Web Tasarım Sorumlusu) Katıldığı Yurt İçi ve Yurt Dışı Bilimsel Toplantılar: Management and Education Conference ( Bulgaristan) World Conference of Education Educational Science 2009 ( Girne Kıbrıs) World Conference of Education Educational Science 2010 (İstanbul) Yayımlanan Çalışmalar : A Study investigation into the view of pre-service science and elemetary teacher on the use of webquest in sicence education, Management and Education, sy. 4, Yıl.3 The investigation of the effect of simulation based teaching on the student achievement and attitude in electrostatic induction Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 1, Issue 1, 2009,