Search

Pnömatik konum kontrolü havanın sıkıştırılabilirliği ve sürecin temelde termodinamik bir süreç olması nedeniyle karmaşık bir problemdir. Ancak sistemin yüksek mertebeden olması ve darbe yutucu özellikleri, bilgisayarla kontrol durumunda düşük maliyetli donanımla akıllı kontrol algoritmalarının kullanılmasına uygundur. Bu çalışmada bu tür uygulamaların deneysel sınanmasını sağlayacak donanım tanıtılmaktadır. Hız geri beslemeli ikili kontrol, kayan rejimli ikili kontrol, darbe genişliği modülasyonu ve sürekli basınç kontrolü bu donanımla gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı biçimde irdelenmiştir. Bu çalışmada, doğrusal hareket yapan bir pnömatik silindirin, çalışma alanı içinde farklı referans konumları için katı ve hassas konumlamasını yapacak bilgisayar kontrollü, düşük maliyetli, basit donanım yapısına sahip, ancak akıllı hareket algoritmalarının da uygulanabileceği çok amaçlı bir deney tesisatı kurulmuştur. Bu amaçla kurulan deney tesisatında 1adet çubuksuz silindir, 1 adet sayısal ölçüm yapabilen bir cetvel, 2 adet basınç ölçer, kumanda valfi olarak ikili kontrol uygulamaları için 2 adet hızlı(20 Hz.), 3/2 aç-kapa valf, sürekli kontrol için ise 2 adet 3 yollu basınç oransal valfleri kullanılmıştır. Sistem bilgisayara Advantech PCL-PG-812 endüstriyel arayüz kartı ile bağlanmış ve gerekli tüm yazılım Borland C++ dilinde yazılmıştır. Tesisat üzerinde konum kontrolünün istenilen şekilde yapılabilmesi için çeşitli kontrol algoritmaları dener ek, karşılaştırmaları yapılmıştır. Araştırmada `konum kontrolunda ±0,1 mm.'den iyi kesinlik` ve `dış kuvvet değişimlerinde en fazla ±5 mm. sapma` hedef alınmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, hız geri beslemeli ikili kontrolün en hızlı cevap veren yöntem olmasına rağmen aşma meydana geldiği ve sistem mertebesinin yüksek olması sonucu birkaç salınımdan sonra referansa oturduğu, kayan rejimli kontrolde aşma yapmadan referansa oturduğu, ancak oturma zamanının hız geri beslemeli kontrole göre fazla olduğu, sistem parametrelerinin değişimine duyarsız olduğu görülmüştür. Her iki kontrol teknolojisi de referans etrafında aynı katılığa sahiptir. Darbe genişliği modülasyonunda ise valfleri sürekli aç-kapa yapmasından dolayı referans etrafında aynı derecede katı davranmadığı ve bozan etkenlere duyarlı olduğu, oransal basınç kontrolünün ise en hassas ve yumuşak davranışa yol açtığı, sistem katılığının çeşitli yöntemlerle istenilen mertebeye ayarlanabileceği görülmüştür. The purpose of this study is the realisation of accurate and robust pneumatic position control by experimental testing of new methods like Velocity Feedback On-Off Control, Sliding Mode Control, Pulse Width Modulation Control, Continuous Pressure Control. To realise an accurate and robust position control, new algorithms for pneumatic cylinders are investigated and applied to experimental test bench. The objective of this research is the determination of dimensioning, system design and control principles to realise `accuracy better than ±0,1 mm. for position control ` and `max deviation of 5 mm. under external force variations`. Pneumatic Position Control is widely used in food industry and packaging systems because it is a `clean` technology and preferred in mechanical positioning operations where large fo..e/torqi.^s are not necessary, because its components are comparatively cheap with respect to hydraulic and electromechanical components. However, pneumatic position control is more complicated than hydraulic and electrical position control. Air compressibility emerges as an important issue when accurate and robust position control is desired against of external force variations. Technological developments in measurement and control components (accuracy of measurement systems, fast switching directional valves) with advances in Intelligent Motion Control methods and increase of the computational speed prepared the necessary scientific and technological basis to develop performance and low cost solutions to this problem. To observe the effects of the developing algorithms on a real time system, an experimental test bench is constructed (Figure S.l). A sufficiently accurate linear scale (600mm,20um/pulse resolution) are coupled to a double acting rodless XIpneumatic cylinder (500mm) with high precision guide to measure the piston displacement. The cylinder is suitable to be used in robotic applications. To drive the pneumatic cylinder, for application of on-off control theory, two 3/2 on-off valves and for application of continuous time control theory, two 3 way pressure proportional valves are added to pneumatic position control system. Two pressure sensors are used to observe the changes in the pressure at the two chambers in the cylinder. The system has been controlled in `real time` by a computer (486 DX-25) using necesssary interface cards. The control program is written in the C language and the control law is implemented with a sampling period of 7,5 ms. The velocity signals are obtained by differentiating and digitally filtering the position measurements. Pb Pb Figure S. 1 General structure of pneumatic position control system Effects of technological parameters (friction, valve delays, digital measurement resolution, sampling period, external force magnitudes, dynamical behavior parameters of the system) on system performance are investigated and solution methods are developed. Results obtained from this work can be applied and generalized to Pneumatic Velocity and Force Control Systems. In the recent years, pneumatic position systems is especially used in robotic applications. This applications have caused the development of pneumatic position control systems. At the beginning although proportional valves are very expensive, Xllmanufacturers have used pneumatic proportional valves. Instead of using very expensive proportional valves to reach a high accuracy, on-off valves, cheaper than proportional valves, can be used in pneumatic position control. On the other hand, to achieve precision position control by using on-off valves, it is necessary to investigate in detail the dynamical behaviour of the system. To achieve accurate pneumatic position control, a mathematical model is derived for a symmetrical linear actuator which drives a mass with viscous and coulomb friction. By selecting, xi=y X2= V X3=Pl X4=P2 system equations may be written in state-space form as; xi =x0 ~B A / N FS X2 = x_ + - -(x, -x.) *- x3 yıo + xı -x2.x3 + R.T q A VT.a x4 = y20 ' Xl x2.x4 + RT /_ A Vf a.Y` Control technologies applied to system can be considered in three parts. These are; 1- On-off control a- Velocity feedback on-off control b- Sliding mode control 2- Pulse width modulation control 3- Continuous pressure control xiiiThe first control algorithm applied to the pneumatic system is on-off control. In this control, valve is completely on or off. Control signal is; u=sign(yref-y) This control technology causes oscillations around reference position. If dead-zone is large, load stops around the reference point. This is not accurate and robust position control. Another control algorithm is basically same with the on-off control but in addition to on-off control, velocity feedback control is added to on-off control algorithm. Control signal is; u=sign[(yref-y)-Kv.y] This type of control is applicable for position control. The behaviour of the system strongly depends on Kv. If Kv is increased, control signal changes very frequently and that will cause increasing of the settling time. Adding dead zone around the reference point is essential for stopping oscillations. The width of the dead zone must be smaller than the d

Laparoskopik ameliyatların gerçekleşme süresi, çeşitli uçları olan ve uzun bir mile sahip ameliyat aletleri kullanıldığından dolayı açık ameliyatlara göre daha uzundur ve cerrahın el hissiyatında azalma meydana gelmektedir. Ameliyat sırasında cerrahın el hissiyatının azalmasından ve de ameliyat süresince el yorgunluğunun artmasından dolayı dokuya uygulanan fazla bastırma kuvveti ve ameliyat aletinin doku üzerinde kayması doku zedelenmesine sebebiyet vermektedir. Tutucunun dokuya uyguladığı bölgesel basma kuvvetinin direk ölçülebilmesi ve net kuvvettin hesaplanabilmesi doku zedelenmesinin engellenebilmesi için gereklidir. Bu tez çalışmasında şekil hafızalı alaşımlı (ŞHAlı) bir eyleyici ile beraber laparoskopik aletin ucuna yerleştirilen bir dokunsal algılayıcı sayesinde doku-ameliyat aleti etkileşimi incelenmiş olup basma ve kayma sırasındaki doku zedelenmesine neden olan kuvvetler araştırılmıştır. Dokunsal algılayıcı entegrasyonunun tutucu-doku etkileşimine olan etkisi belirlenmiştir. Dokunsal algılayıcıdan ve milden alınan geribildirimle kuvvet kontrolü sağlanarak doku zedelenmesinin minimuma indirilebileceği ve cerrahın el hissiyatının geri kazandırılabileceği gösterilmiştir. Laparoskopik ameliyat aletleri tutma, kesme, yakma vb. işlevlere sahiptir ve her işlev için ona uygun bir uç tasarımı mevcuttur. Laparoskopik tutucu uçları dişli ve ya düz olacak şekilde tasarlanmışlardır. Laparoskopik ameliyat aletleri el tutma yeri ve uç kısmı ile bunları birleştiren 30-40 mm uzunluğundaki bir milden oluşmaktadır. El tutma yeri de uç kısım gibi farklı şekillerde olabilmektedir. Geleneksel cihazlarda el tutma yeri ve uç kaldıraç mekanizması ile birbirine bağlıdır ve cerrahın el kuvvetiyle açılıp kapanır. Uzun ameliyatlar cerrahlarda el yorgunluğuna neden olmaktadır. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için şekil hafızalı alaşımdan yapılmış bir eyleyici tasarlanmıştır. Bu eyleyici elektrik enerjisiyle tahrik edilmekte ve cerrah tarafından bir düğme ile kontrol edilebilmektedir. Bu sayede cerrahın eli tarafından uygulanması gereken mekanik enerji azaltılmış olup cerrahın el yorgunluğunun da azaltılması hedeflenmiştir. Tez çalışmasının sonunda laparoskopik ameliyat için akıllı eyleyiciye ve özel algılayıcıya sahip yenilikçi laparoskopik tutucu tasarlanmıştır. Geleneksel kaldıraç mekanizması kaldırılarak onun yerine nikel-titanyum malzemeden üretilmiş şekil hafızalı tel eyleyici olarak kullanılmıştır. Elektrik enerjisi kullanılarak ısıtılan ŞHA tel kısalmakta ve tutucu ucun kapanmasını sağlamaktadır. Bu akıllı eyleyicinin kısalıp-uzaması sürücü devresi, tetik sistemi ve ya bilgisayar ile kontrol edilmiştir. Uca göre tasarlanmış olan algılayıcı sayesinde direk olarak kuvvet ölçümü yapılmış ve tutma kuvvetinin kontrolü sağlanmıştır. Bu dokunsal algılayıcı ince film katmanlardan oluşmaktadır ve piezoresistif özelliğe sahiptir. Uygulanan basma kuvvetinin etkisiyle sensörün direnci değişmekte ve kuvvet ölçümü mümkün olabilmektedir. Piezoelektrik ve kapasitif olmak üzere başka tip dokunsal algılayıcılar da mevcuttur. 8x4 algılama hücresine (taxele) sahip Piezoresistif bir dokunsal algılayıcı laparoskopik tutucuya uygun olacak şekilde imal edilmiştir. Bu algılayıcı 32 noktadan tutucu ucun dokuya uyguladığı bölgesel kuvveti ölçebilmektedir. Bu bölgesel kuvvetler haritalandırılmış, net kuvvet ve kuvvet merkezi hesaplanmıştır. Basma kuvveti geribildirim olarak kullanılarak tutma kuvvetinin gerçek zamanlı kontrolü yapılmış ve net tutma kuvvetinin eşik değeri olan 2 N'u aşmaması sağlanmıştır. Labview ortamında yazılmış olan programlarla oransal-integral-türevsel (PID) kontrol uygulanmıştır. The aim of this study is to design an innovative laparoscopic surgical instrument using a smart actuator owing to shape memory alloy (SMA) and a tactile sensor that measures the magnitude of the tactile force of the touch.The reason of this study is to solve the two main problems encountered in laparoscopic surgery. These problems are the hand-tiredness and tissue damage caused by excessive force of the surgeon.Laparoscopic surgeries are more common than open surgeries. In laparoscopic surgery, surgical instruments with various tips and long shaft are used. The opening and closing motion of these instruments are performed by the hand of the surgeon from the hand holding place. Long surgeries cause hand fatigue in surgeons. In order to overcome this problem, an actuator made of shape memory alloy is designed. This actuator is driven by electrical energy and is controlled by a surgeon with a button. In this way, the mechanical energy required to be applied by the hand of the surgeon is reduced. Thus, the hand fatigue of surgeon is minimized.Laparoscopic surgical instruments include holding, cutting, burning, etc. functions and have an appropriate tip design for each function. The laparoscopic holder tips are designed to be threaded or flat. The laparoscopic surgical instruments consist of a hand grip, a tip, and a 30-40 mm long shaft which connects them. The hand grip can also be in different shapes for the ergonomy. In conventional devices, it is linked to the hand grip and tip lever mechanism and is opened and closed by the hand of the surgeon.Excessive force applied to the tissue due to the reduced hand feeling of the surgeon during the operation, the increased hand fatigue during the operation, and the shift of the surgical instrument over the tissue causes tissue damage. A tactile sensor and a tactile sensor integrated to the tip of the laparoscopic instrument together with a smart actuator is designed and the tissue-surgical instrument (tip) interaction is examined, the forces that may cause tissue damage during compression and slippage is determined. It is possible to prevent tissue damage by providing force control by feedback from the tactile sensor or from the shaft of the tool.In this thesis, an innovative laparoscopic tool with smart actuator and custom tactile sensor for laparoscopic surgery is revealed. The traditional lever mechanism is removed and the shape memory alloy wire produced from nickel-titanium material is used as an actuator. The wire which is activated by electric energy, heats up and shortens. Thus, the tip of the tool is closed. This smart actuator is controlled by the computer with a custom amplifier circuit. The aim of this is to reduce the hand fatigue of the surgeon.The tactile sensor will be placed at the end-effector of the tool which is the tip. This tactile sensor consists of thin film layers and is piezoresistive. With the effect of applied pressure, the resistance of the sensor changes and force measurement is possible. Other types of tactile sensors are available, including piezoelectric and capacitive. By means of the sensor designed according to tip, force measurement is done directly at tip and control of the pinch force minimized the possible tissue damage.This thesis includes five section which are, the introduction, the measurement of pinch force by distributed pressure measurement, the investigation of friction force, the design of the smart actuator and force control and the results.In the first section, a brief introduction of laparoscopic surgery and the tools are given. Available measurement techniques in laparoscopic surgery and quantities that need to be measured are explained. The resultant forces and subforces are introduced. It is followed by the presentation of the smart materials and finally, the reason of the thesis is proposed.In the second section, the characterization of the compression mechanism in the tool-tissue interaction is achieved by a tactile sensor integrated laparoscopic grasper. The main objective is to investigate and examine the total compressive force and local pressure distribution during a laparoscopic operation under ex-vivo experimental conditions. In this section a flat-tipped holder is used. Thus, the effect of the teeth on the tip is eliminated. First, the tactile sensor with 32 measuring points (taxel) is designed to fit the tip of the holder. The sensitivity of the tactile sensor and the measurement range are set according to the target force range (0-4 N) of the holder-tissue interaction. The tactile sensor is manufactured using screen printing techniques. Because of the robust and reproducible properties, piezoresistive measurement method is chosen. After the integration of the tactile sensor, polymers such as polydimethylsiloxane (PDMS) and silicone rubber have been used to test and verify the measurement capability of the tactile sensor on viscoelastic materials. Finally, an ex-vivo experiment is conducted on chicken liver and poultry to examine the soft tissue-tool interaction during the closure movement of the laparoscopic holder.In the third section, the forces during laparoscopic grasping is investigated in a flat-ended laparoscopic grasper in ex-vivo experiments. Push, pull and shaft forces are the forces that must be measured to calculate the friction force between the tip and the tissue. The pulling force while holding an elastic tissue causes the elastic deformation firstly, followed by the friction between the tissue and the tip. Additionally, adhesive effects are seen during opening of the tip of the grasper. The magnitude of the adhesive forces is compared with the pinch and pull forces during an ex-vivo grasp. The section is organized as follows: the methodology of the tests, the adhesive force tests and the friction force tests.In the forth section, the design smart actuator which replaces shaft of the laparoscopic grasper is given. One piece of shape memory alloy wire and the antagonist spring will be used as actuator in order to open and close the tip. The actuator is approximately 35 cm in length and 15 mm in diameter. The actuator is designed will apply a force of up to 20 N. A custom driver circuit is produced to activate the actuator by control signals from a computer. According to the output signal coming from the computer, the circuit board uses metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) and bipolar junction transistors (BJTs) to amplify the signal. It has a power supply of 20 V and 3 A. The current passes over shape memory alloy wire which heats and shortens the wire, is controlled. A proportional-integral-derivative (PID) controller is designed in LabVIEW. In order to increase the opening speed of the tip, it is necessary to cool the wire with air. Air cooling holes is opened on the shaft so that the air can be evacuated. Cooling air is supplied into the shaft at various pressure values, and the effect of cooling on overshoot and settling time during force control is examined. In the final section, results of the all sections are discussed. The results of the study are given below respectively to the sections:The interaction of the laparoscopic grasper with soft materials was investigated by measuring pressure distribution by using a tactile sensor in ex-vivo experimental conditions. The tactile sensor incorporates a flat-tipped laparoscopic grasper that opens and closes angularly. The closure of the tip causes an unbalanced pressure distribution over the specimens. To characterize the mechanics of the soft material between the tip and the tissue, the local pinch forces and the total pinch force and center of pressure position are measured in the different types of samples. As a result, pressure distribution measurement contributes to increase tactile sensation of surgeon in the laparoscopic surgery. In experiments on chicken liver and meat, local forces are distributed homogeneously over a larger contact area than polymer samples. It is seen that the total force is about 0.7 N. It is shown that controlling the position of the center of pressure, i.e. the total force, and the magnitude of the force, help to prevent tissue trauma during a laparoscopic operation, and improves surgical operations.The adhesion force and friction coefficient associated with the friction force of the flat-tipped laparoscopic holder were evaluated in terms of prevention of slippage and providing safe grasp in ex-vivo experiments with chicken meat samples. Two experimental setups which are the friction test setup and the laparoscopic grasper test setup, were designed to evaluate the friction and adhesive behavior of the laparoscopic tool with/out tactile sensor. The tactile sensor at the tip gives better results than the load cell at the shaft for the measurement of the pinch force due to its measurement position. Calculation of the pinch force from the shaft force measurement is less efficient due to the change in the force / pressure center and the requirement of force transfer ratio. The addition of a tactile sensor in the measurement of the coefficient of friction has negligible effect. It is possible to estimate the friction force between the tip and the tissue by using the tactile sensor with experimentally measured friction coefficients. In this study, the measured coefficient of friction (mean) between the tip and tissue in the ex-vivo experiment of chicken meat is 0.3. Laparoscopic grasper equipped with a tactile sensor that provides direct measurement of the pinch force and an estimation of the friction force are suitable for training of novice surgeons. The adhesive forces measured in the adhesion test are less than half of the minimum friction force and less than a quarter of the minimum pinch force. The integration of the tactile sensor increases the adhesive forces by 44/% on average. However, the measurement of the contact area and the stress for the examination of tissue trauma will give better results than the measurement of the magnitudes of the adhesive forces.A smart actuator is designed to reduce surgeon's hand fatigue. This smart actuator has a shape memory alloy. The designed actuator has active cooling and allows the tip to be fully opened and closed. It is thought that the surgeon can reduce hand fatigue because it works with electrical energy. To reduce tissue damage, the actuator force was controlled by a PID controller, and the effect of the cooling on the actuator performance was examined as the amount of overshoot and the settling time. Effect of the cooling system is determined that overshoot is reduced by 3/% and the settling time is shortened up to approximately 29/%. 77

Günümüzde, birbiri ile temas eden yüzeylerin en az birini modifiye ederek kontak değişkenlerini (sürtünme kuvveti, aşınma vb.) ayarlamak mümkün olmaktadır. Bu kapsamda, yüzey desenleme işlemi kontak halinde bulunan iki cisimden herhangi birisinin yüzeyinde, ayrı bir malzeme ya da kendi malzemesi ile farklı geometrilere sahip yapı ekleme, çıkarma işlemleri ile gerçekleştirilir. Bu şekilde, yumuşak (düşük elastiklik modülüne sahip) malzemelerle oluşturulan elastik kuru katı-katı kontaklarda yüzey desenleme işlemi, kontak değişkenlerinin artırılması yönünde, örnek olarak adezyon kuvvetinin arttırılması, şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Elastik kuru katı-katı kontaklarda, yüzey desenleme işlemi elastik cisim yüzeyinde küçük boyutlarda genellikle doğadan esinlenen visko-elastik malzemelerden imal edilen silindir şeklinde ve farklı uç tasarımlarına sahip, pillar diye adlandırılacak olan, yapılar kullanılarak gerçekleştirilir.Bu tezde, doğadan esinlenen, genellikle visko-elastik malzemelerden (polimer, elastomer vb.) üretilen silindirik geometrisine sahip pillarların sürtünme dinamiği karakterizasyonu gerçekleştirilerek, imalat aşamasından önce pilların pürüzsüz düz bir yüzeyde hareketi sırasında ortaya çıkacak sürtünme kuvvetinin tahmin edilmesine yönelik formülasyon sağlanmıştır. Bu kapsamda, karşıt pürüzsüz bir yüzey ile kontakta bulunan elastomerik pilların sürtünme dinamiği analitik, nümerik ve deneysel olarak mezo ölçekte incelenmiştir. Pillarlar ve karşıt yüzey arasındaki sürtünme, sabit bir hızla ya da bazı frekanslarda harmonik uyarımda bulunarak pillarlara karşıt yüzeye göre yanal yönde bir hareket sağlanması ile elde edilir. Sürtünme kuvveti-yer değiştirme histerisiz diyagramı ile pillarların sürtünme dinamiği analiz edilmiştir. Bu histerisiz diyagramından sürtünme nedeni ile ortaya çıkan kayıp enerji elde edilmektedir. Pillarların sürtünme dinamiği, iki farklı etkinin katkıları bazında incelenmiştir: 1- pillarların konstrüktif boyutsal etkisi, örnek olarak pillar çapı ya da yüksekliği; ve 2- kontak yükleme koşullarının etkisi, örnek olarak normal kuvvet altında sabit hızda kayma durumu ya da bazı frekanslarda harmonik tahrik durumu, şeklindedir. Pillarların karşıt yüzey ile arasındaki sürtünmenin sabit hız girdisi ile elde edilmesi durumunda, sürtünme-yer değiştirme histerisiz diyagramı elde etmek için farklı hızlarla, pillarlar pürüzsüz yüzey üzerinde iki yönde hareket ettirilmiştir. İlk olarak bir yönde, ileri yön diye adlandırılacak, pillarlar hareket ettirildikten sonra, ileri yönün tersi yönde pillarlar ileri hareketteki aynı hızla tekrar hareket ettirilirler. Bunun neticesinde, sürtünme kuvvet değeri ileri yönde pozitif iken, geri yönde negatif olacaktır. Bununla, sürtünme-yer değiştirme histerisiz diyagramı elde edilir. Burada, pillarların pürüzsüz yüzey üzerindeki kayma hızları 0,05 mm/sn ile 1 mm/sn aralığında, ve 0,05 mm/sn hız artırımında seçilmiştir. Ön yükleme değeri ise Euler burkulma kuvvetinin altında seçilmiştir. Tek bir pilların konstruktif özelliklerinin sürtünme dinamiğine etkisi, farklı konstrüksiyonlarda imal edilen tekil pillarları içeren üç set içinde incelenmiştir. İlk sette, aynı çap ve farklı yükseklikte üç adet pillar kullanılmıştır. İkinci sette de, aynı yükseklik ve farklı çap konfigürasyonundaki pillarlar kullanılmıştır. Son sette ise, pillar boyunun pilların çapına oranı sabit olacak şekilde, üç adet farklı boy ve çaplarda pillar kullanılmıştır. Deneysel sonuçlardan bulunduğu üzere, kinetik sürtünme kuvvet değeri, pillar çapı artımında ya da pillar yükseklinin azaltılması durumunda, artmıştır. Kinetik sürtünme kuvvet değerindeki artış, pillarların yüksek eğilme rijidliği ve buna istinaden meydana gelen yüksek elastik şekil değişim enerjisi ile ilgilidir. Kayma hızının artması durumunda ise, kinetik sürtünme kuvvet değerinde artış gözlemlenmiştir. Bu da, elastomerik pillarların visko-elastik davranışını göstermiştir.Tezde, elastomerik pillarların sabit hız ile pürüzsüz yüzey üzerinde kayma sırasında ortaya çıkan sürtünme kuvvet değeri iki yöntem ile hesaplanarak tahmin edilmiştir. Birinci yöntemde, pillar ile karşıt yüzey arasındaki kayma hareketi sırasında, pillar ve kontak ara yüzündeki enerji dengesi oluşturularak, sürtünme kuvvetinin değeri hesaplanmıştır. Burada, kayma davranışının kinematiği, ve pillar ve kontak ara yüzündeki bütün enerji bileşenleri tanımlanmıştır. Bu enerjiler, pilların kayma hareketi sırasında, sistemde normal kuvvet nedeni ile oluşan mekanik enerji, pilların elastik şekil değişim ve kinetik enerjisi, pilların yüzeyden ayrılması için gerekli yüzey enerjisi ve kayıp enerji şeklindedir. Sürtünme kuvveti değeri, bu kayıp enerjiden hesaplanmış ve bu yöntem ile hesaplanan sürtünme kuvvet değerleri deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Enerji denge yaklaşımı kullanılarak tahmin edilen kinetik sürtünme kuvveti değeri ile deneysel elde edilen sürtünme kuvvet değeri arasındaki bağıl hata, ön yükleme değerinin Euler kritik burkulma kuvvet büyüklüğüne yakın değerlerinde, %10' a kadar düşmüştür. İkinci yöntemde ise pilların, yüzey üzerindeki kayma sırasındaki olayı yönlendirecek hareket denklemi yazılmıştır. Bunun için, pilların hareketi, tek serbestlik dereceli bir sistem olarak modellenmiş ve bu sistemi içeren bileşenler kütle, elastik ve sönüm elemanları kullanılarak oluşturulmuştur. Model de kontak etkisi, karşıt yüzeye göre normal ve yanal yönde birbirinden bağımsız elastik bileşenler ile ifade edilmiştir. Bu modelde, farklı boyutlardaki pilların farklı ön yükleme durumundaki sürtünme kuvvet değeri sayısal olarak hesaplanmıştır. Modelin sürtünme kuvvet değeri hesaplama sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucu elde edilen bağıl hatalar, pillarların konstruktik özelliklerine ve kontak yükleme koşullarına bağlı olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlardan görüleceği üzere, modelin sürtünme kuvveti büyüklüğü hesabının doğruluğu, pillar boyutlarına bağlı olmakla beraber, %95'e varan benzeşim oranı en yüksek pillarda ve Euler kritik burkulma kuvvetine yakın bir ön yükleme ile oluşturulmuş kontak için yüksek hızlarda elde edilmiştir. Düzgün ve pürüzsüz yüzeyde farklı ön yükleme kuvvetleri ile farklı hızlarda kaydırılan küresel uca sahip pillarların, sürtünme kuvvet değerinin elde edilmesi gerçekleştirilmiş olup; küresel uç nedeni ile kayma sırasında, bir miktar da yuvarlanma olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, harmonik yükleme altında düz uca sahip bir pillar kullanılmıştır. Buradaki asıl amaç, sürtünme kuvvetine pilların doğal frekansı ve o frekansta oluşan tabii mod şeklinin katkısının olup olmadığı, oluyorsa ne kadar olacağının incelenmesidir. Bu nedenle, bir adet pillar harmonik olarak temelden farklı frekanslarda tahrik edilmiştir. Burada, tahrik sırasında pillara uygulanan tahrik kuvvetinin aynı olması sağlanmıştır. Bunun için, temelden uygulanan harmonik tahrikin, bütün tahrik frekanslarında aynı maksimum ivmeye sahip olması sağlanmıştır ve bu sayede tahrik kuvveti bütün frekanslarda aynı olduğu kabul edilmiştir. Tahrik frekansları ise pilların bir ucu ankastre diğer ucu da serbest durumdaki eğilme titreşimi 1. doğal frekansını da içermektedir. Her bir tahrik frekansında ortaya çıkacak olan pilların sürtünme dinamiğin karşılaştırılabilmesi için, pilların tahriki boyunca statik rejimde kalmasını sağlayacak maksimum ivme değeri seçilmiştir. Bu sayede, bütün tahrik frekanslarında tamamen kayma durumundan ziyade, statik durumdaki sürtünme-yapışma karakteristiği çıkarılması hedeflenmiştir. Pilların, harmonik temel tahriki altında meydana getirdiği elastik şekil değişimi farklı harmonik yer değiştirme girdileri için tartışılmıştır. Ayrıca, pilların bu elastik şekil değişim davranışı sabit hız girdi durumundaki davranışı ile karşılaştırmak için, aynı ön yükleme koşullarında fakat sabit hız girdisi altındaki davranışı da incelenmiştir. Burada, sadece elastik şekil değişim davranışı ilgilenilmiş, sürtünme kuvvet değerleri vb. kontak kuvvetlerine bakılmamıştır. Pilların, kontak ara yüzündeki adezyon mekanizmasındaki adezyon enerjisi, kontak ara yüzünde enerji dengesi kurularak tahmin edilmiş ve bu değerler literatür verileri ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlardan bulunduğu üzere, pilların harmonik temel tahriki altındaki sürtünme dinamiği ve elastik şekil değişim davranışı, sabit hız girdisi altındaki davranış ile benzediği gözlemlenmiştir. Kontak ara yüzündeki adezyon miktarının frekans ile değişim eğrisi, tahrik frekansı ve bununla ilişkili temeldeki harmonik yer değiştirme miktarının dikkatle seçilmesi ile ayarlanabileceğini göstermektedir. Tek ve farklı boyutlara sahip pillarların sabit hız girdisi altındaki incelenmiş kinetik sürtünme kuvvet değeri iki yöntem ile hesaplanmıştır. Harmonik olarak temelden tahrik durumundaki pillar sürtünme altındaki elastik şekil değişim davranışının, sabit hız girdisi gibi olduğu gözlemlendiğinden, aynı hesaplamaların da uygulanabileceği varsayımı yapılmıştır. Bu varsayım, pilların 1. tabii modun sürtünme dinamiğine etkisinin olmadığı sonucuna dayanmaktadır. Hesaplanan sonuçlarda bağıl hatalar /%5'e kadar düşmüştür. Bunun haricinde, sürtünme kuvvet değerine etki eden pillarların çap ve boy harici konstrüktif etmenlerde vardır. Bunlar, birden fazla pilları içeren pillar dizisinde, farklı sayıda pillar kullanılması ya da destek katmanı üzerinde iki pillar arasındaki yerleşim uzaklığıdır. Bu kapsamda, kinetik sürtünme kuvvet hesaplaması için oluşturulacak formülasyonda bu etmenleri de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bunun için, iki set halinde beş adet pillar dizisi, toplam on adet pillar dizisi kullanılmıştır. Bu setlerdeki tek bir pilların çapı ve yüksekliği sırasıyla 1 mm ve 3 mm'dir. Kullanılan pillarlar düz uca sahip olup; bu setlerde, kinetik sürtünme kuvvet değerine farklı pillar sayılarının ve iki pillar arasındaki farklı uzaklıkların etkisi ayrı ayrı incelenmiştir. İlk sette, iki pillar arasındaki uzaklık aynı olmak kaydı ile farklı pillar sayılarına sahip beş pillar dizisi kullanılmıştır. Burada kullanılan pillar dizinindeki pillar sayıları 16, 64, 144, 256 ve 400 şeklindedir. İkinci sette ise, bir pillar dizisinde 144 pilllara sahip beş adet pillar dizininde iki pillar arasındaki uzaklıklar değiştirilerek, pillar arası uzaklığın etkisi irdelenmiştir. İki pillar arasındaki uzaklık değeri pilların çapına göre seçilmiştir. Bu iki etki, şu şekilde incelenmiştir. 1. olarak her bit setteki pillar dizinlerinin kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğü, kendi set içerindeki en yüksek kinetik sürtünme kuvvet değerine göre normalize edilmiştir. 2. olarak da her bir setteki pillar dizinlerinin kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğüne pillarların visko-elastik davranıştan dolayı hız etkisini ihmal edebilmek için, setlerdeki normalize edilen kinetik sürtünme kuvvet değerlerinin ortalaması alınmıştır. Bununla beraber, normalize edilen ve ortalaması alınan bu kinetik sürtünme kuvvet değerleri kullanılarak, Matlab Eğri Uydurma Programı ile pillar sayısı ve iki pillar arası farklı uzaklık etkiler temelli iki formül oluşturulmuştur. Ayrıca, her bir setteki elde edilen kinetik sürtünme kuvveti büyüklükleri, iki sette bulunan ortak pillar dizini sonuçlarına göre normalize edilmiştir. Bu sayede, kinetik sürtünme kuvvetinin pillar yoğunluğuna göre değişiminin bulunması hedeflenmiştir. Bunun neticesinde, kinetik sürtünme kuvvetinin pillar yoğunluğuna bağlı olarak Matlab Eğri Uydurma Programı kullanılarak formülasyonu elde edilmiştir. Sonuçlardan görüleceği üzere, pillar sayısı ya da iki pillar arasındaki uzaklık azaltıldığında ve bunun neticesinde pilların yoğunluğu arttırılırsa, tek bir pillara düşen kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğü artmıştır. Bu artış, pillar dizinindeki pillar yoğunluğunun artışına bağlıdır. Buradan, farklı pillar dizini konfigürasyonuna dayanan üç formül türetilmiştir. Hedef, pillar dizininin imal edilmesinden önce, pürüzsüz bir yüzey üzerinde kayarken ki ortalama bir kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğünü tahmin etmektir. Buradaki temel eksiklik, tek bir pilların kinetik sürtünme kuvvet değerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu değer, tezin ilk kısımlarındaki hem enerji dengesi yaklaşımı hem de hareket denklemi kurularaktan oluşturulan modellerin kullanılması ile elde edilebilir. Nowadays, it is possible to adjust contact variables (friction force, wear, etc.) by modifying at least one of the contacting surfaces, that is known as surface texturing. The surface texturing is carried out by adding or subtracting structures on the surface of any of the two surfaces in contact, with an another material or with its own material. In this way, the surface texturing in a soft dry solid-solid contact formed with soft (low elastic modulus) materials is confronted as increasing contact forces, for example, increasing the adhesive strength. In a soft dry solids-solid contact, the surface texturing is carried out with the formed mechanical structures which are primarily inspired from nature, generally, in a cylindrical shape which will be referred as a pillar, are usually made up with various visco-elastic materials.In this thesis, characterization of frictional dynamics of elastomeric pillar which is mainly inspired from nature is performed. In this way, an empiric formula to estimate friction force magnitudes of elastomeric pillars in contact with a smooth surface is proposed. In order to obtain the formulas, the frictional dynamics of elastomeric pillar is studied analytically, numerically, and experimentally in meso-scale. The friction between the pillars and the counter surface is obtained by applying a tangential motion to the pillars either with a constant velocity or with some frequency component in a harmonic excitation. The frictional dynamics are analyzed using the friction force-displacement loops which reveal the transition from stick to sliding regime, effective stiffness and dissipative energy due to the presence of friction. Two different effects on the frictional dynamics of pillars are examined, which are constructional effect of pillars such as diameter and height, and contact loading conditions such as preload, sliding velocity or excitation frequency in a harmonic loading. In the constant velocity loading, the pillars are slid on the smooth surface with various constant velocities in back and forth motions to obtain the friction force-displacement loop. The sliding velocities are in the range of 0.05 mm/s to 1 mm/s with an incremental value of 0.05 mm/s. Different pillar constructional configuration is realized in three sets, in which there are three pillars in the each set. In the first set, pillars with different height and same diameter are manufactured. In the second set, this time pillars have different diameter but same height. In the third set, ratio of pillar height to pillar diameter is kept same. Increasing the diameter or decreasing the height of pillar increases the kinetic friction force while the increase in kinetic friction force is related to higher elastic deformation energy due to higher flexural stiffness. As the sliding velocity becomes higher, the kinetic friction force and related frictional dissipative energy increase which reveals the contribution of visco-elastic behavior of pillar.Two different methodologies are evaluated to calculate the kinetic friction force magnitude of a single pillar with different dimension sliding on the surface. Those are establishing energy equilibrium at the contact interface, and modeling the behavior of pillar as a single-degree-of-freedom lumped system. In the first one, an energy balance at the contact interface is established to analyze the static and kinetic friction regime. The kinematics of sliding behavior of a pillar as well as the components of the total energy at the contact interface are identified. The kinetic friction force magnitude is estimated using the dissipative energy in the friction force-displacement loop, and validation of the estimated kinetic friction force magnitudes is accomplished by comparing with the experimental results. The relative error of the kinetic friction force estimation by using energy equilibrium approach is up to %10 under the preload with a magnitude of greater than the half of the Euler buckling load. In the second one, an approximate analytical model for the sliding motion of a single pillar on the smooth surface is built. The model is realized in frictional response of a visco-elastic pillar with hemispherical tip. The sliding motion of a pillar is described as a single-degree-of-freedom lumped parameter system, where the model is built with discrete stiffness and damping components representing the pillar dynamics and contact interaction in normal and tangential directions. The verification and limitation of the model are determined for different pillar dimension and contact loading conditions such as varying preload and sliding constant velocities. The results demonstrate that the accuracy of the model in realizing kinetic friction force magnitude is dependent on the pillar dimension, with the greatest accuracy being %95 obtained for the highest pillar under preload value close to the Euler buckling load at higher sliding velocities.The friction force of a single pillar with flat-punch tip geometry in contact with a smooth surface is examined under harmonic loading condition. The harmonic loading conditions are comprised of harmonic base excitation with various excitation frequencies which also contains the first natural frequency of the pillar in bending vibrational mode. Maximum acceleration magnitude of the harmonic base excitation is realized that the pillar stays in stick regime during the contact, where constant base acceleration magnitude is attained for each excitation frequency. The tilting behavior of the pillar in stick regime for different harmonic base displacements is discussed. Frictional-adhesion coupling of the pillar is analyzed by calculating apparent work of adhesion via establishing energy equilibrium at the contact interface. The tilting behavior reveals that the frictional response in terms of elastic deformation shape of the pillar under harmonic base excitation is similar to the results of where the pillar is slid on a surface with a constant velocity. The results demonstrate that the frictional-adhesion coupling interface of the contact may be tuned via a harmonic loading condition by carefully selecting excitation frequency and related harmonic base displacement.The kinetic friction force of a pillar array is investigated experimentally to be used as a basis for generating an empiric formulation to calculate kinetic friction force of a pillar array. Five pillar arrays in two sets, total ten pillar arrays are used. Diameter and height of a single pillar with a flat-punch tip in the sets are 1 mm and 3 mm, respectively. In these sets, the effect of different pillar number and different spacing between two pillars are examined, separately. In the first set, five pillar arrays with different pillar number, and same spacing between two pillars are used; which consists of 16, 64, 144, 256 and 400 pillars. In the second set, the pillar array with 144 pillars and various spacing between two pillars is used. The spacing displacements between two pillars are selected according to the diameter of a pillar. The two effects are separately investigated by normalizing the kinetic friction force magnitudes to the highest one in the each set and averaging the normalized kinetic friction force magnitudes for neglecting the velocity effect. By using the normalized kinetic friction force magnitudes, two formulas based on the two effects are generated by using Matlab Curve Fitting Toolbox. Furthermore, by normalizing the kinetic friction force magnitudes of all the pillar arrays to the results of the common pillar array, pillar density effect on the kinetic friction force magnitude is determined. A simple formula to estimate kinetic friction force magnitude based on pillar density is generated. The results demonstrate that as the pillar number decreases or spacing between two pillar decreases, and thus pillar density increases, the kinetic friction force magnitude of a single pillar increases. The three formulas based on different pillar array configuration can be used to estimate average kinetic friction force magnitude of a pillar array while sliding on a smooth surface before manufacturing process if the kinetic friction force magnitude of a single pillar is known. The kinetic friction force magnitude of a single pillar can be calculated by using the two methods discussed in the thesis. These are establishing energy balance at the contact interface, and solving the governing equation of motion of the pillar with contact interaction. 175

Bu tez, cerrahi operasyonlarda kullanılan ve tutucu mekanizmasına sahip, açısalaçılma-kapanma mekanizmasına sahip bir laparoskopi aletinin, dokuya zarar vermedencerrahi operasyon yapılabilmesini saglamayı amaçlamı¸stır. Tutulan dokunun ˘hangi organda olduguna göre de ˘ gi¸siklik gösteren bir kuvvet limiti öngörerek, ˘cerrahı da yormadan ve cerrah da dahil olmak üzere ortama herhangi bir zorlukçıkarmadan gerçekle¸stirilmesi amaçlanmı¸stır. Öngörülen kuvvet limitleri daha öncekiçalı¸samalardan elde edilen bilgilerden 1-3 Newton aralıgıdır. Bu demektir ki, 3 ˘Newtonun üzerindeki durumda dokuda zedelenme, yaralanma veya daha kötü birdurum olu¸sturabilir.˙ Ilk olarak minimal invaziv cerrahide kullanılan geleneksel laparoskopi aletiirdelenerek, mekanizma yapısı ve kuvvet mertebeleri, hem analitik hem de deneyortamında gerçeklenmi¸s ve %13 e varan hatalar elde edilmi¸stir. Bu hata oranıbiraz fazla olsa da karakterisik açıdan bir sıkıntı gözlemlenmemi¸stir. Analitikanalizler için bazı hesaplamalar yagılmı¸sıtr. Ayrıca laparoskopi aleti bütün parçalarına ˘ayrılarak gerekli ölçüler alınmı¸stır. Bu hesaplamalar deneysel düzenegin yanında ˘bilgisayar ortamında da incelenerek laparoskopi aletinin yapısı eyleyici eklenmedenincelenmi¸stir. ˙ Inceleme hem matematik denklemlerle hem de animasyonla incelenerekbütün hesaplar birbirleriyle örtü¸stürülmü¸stür. Bu a¸samanın önemi büyüktür, dahasonra özel eyleyicimizi ekledikten sonra herhangi bir düzensizlikle kar¸sıla¸smak dogru ˘olmaz. Deney düzeneginde ¸saftın hareketi için bir do ˘ grusal motor kullanılmı¸s ve bu da ˘çene açıklıgını ve kuvvet mertebelerini bize do ˘ gru biçimde verebilmi¸stir. Yayların ˘dogrusal olmasıyla bu durum kolayca sa ˘ glanıp sistem kuvvet durumu ve konum ˘durumları elde edilmi¸stir. This thesis focuses on grasping mechanism in laparoscopic surgery where an excessivegrasper force can lead to an unnecessary harm to tissue. The dynamics of graspingmechanism of a conventional laparoscopic grasper is investigated analytically andexperimentally. Relative error values are obtained up to %13.In this design a Nickel-Titanium based shape memory alloy actuator is used. Shapememory alloys (SMAs) are alloys, which can remember their original shape. In thisthesis, SMA wire that is provided from Dynalloy, is used. This actuator is composed ofa shape memory alloy wire and a linear antogonistic spring. The actuator is integratedto laparoscopic tool, instead of the conventional tool's shaft. Unlike conventionallaparoscopic tools which are generally based on lever mechanism or other mechanicalsimple machine mechanisms, SMA actuated devices reduces surgeon's hand fatigueand by achieving this, it improves surgeon's comfort during operation due to electricalactuation system compared to manual mechanical actuation. Considering the smallincisions up to 15 mm, the tool's shaft diameter must be no larger than 15 mm.Actuation mechanism is based on SMA wire which must be no longer than 300 mm.The tool's handle must be ergonomic. Due to containing electrical parts, the tool mustnot shock the patient and the surgeon. Additionally, voltage and current level mustbe as minimum as possible in electronic parts. These will lead to a surgical tool withlower power usage and lower harm risk.The grasper force is controlled through the actuator by different controllers wherestructure of the controller effects are examined. Force control of shape memory alloyactuator allows a force limit. This means grasper force can be controlled with no harmon the tissue. This actuator is controlling the grasping force with a PID and a SMCcontroller.Closed-loop dynamics of the grasper mechanism is achieved with %3.34 overshoot andzero steady state error with SMC controller. Cooling procedure is applied to actuatorwhere the response time of the actuator greatly improves, steady-state error goes tozero. 77

Bu projede, yol koşulları bilgisine ihtiyaç duymadan optimal frenleme performansını sağlayan bir ABS kontrol algoritması geliştirilmiş ve bu algoritma önce benzetim çalışmalarında uygulanıp doğruluğu gösterilmiş daha sonra ise deneysel bir sistem üzerinde uygulanmıştır. Geliştirilen algoritmanın temeli, Ekstremum Arama Algoritması (EAA) olarak adlandırılan yöntemdir. Bu algoritma, bir sistemin optimal çalışma noktasının önceden bilinmediği durumlarda kullanılabilmektedir. Örneğin acil durum frenlemesinde ihtiyaç duyulduğu gibi, bilinmeyen yol koşullarında tekerlek ile yol arasındaki frenleme kuvvetlerinin azami noktasına ulaştırılması problemi EAA'nın uygulama alanına girmektedir.Projede EAA temelli bir ABS kontrol algoritması geliştirilmiştir. Akedemik olarak getirilen bir yenilik, arama algoritmasında kullanılan değişkenler uyarlamalı hale getirilerek Uyarlamalı Ekstremum Arama Algoritması tabanlı ABS kontrolcüsü geliştirilmiştir. Bu şekilde algoritmanın hızlı bir şekilde optimal çalışma noktasını bulması, bulduktan sonra ise değişkenlerin uyarlanarak optimal nokta etrafında düşük genlikli salınımlar ile frenleme performansının önemli ölçüde iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca bu alanda yapılan önceki çalışmalarda önerilen ABS kontrol algoritmalarının hemen hemen hepsi sadece bilgisayarda gerçekleştirilen benzetimler ile doğrulanmakta, gerçek bir sistemde gerçek zamanlı uygulanabilirlikleri soru işareti olarak kalmaktadır. Bu projede bir ABS deney düzeneği satın alınmış ve algoritmanın gerçek zamanlı testleri gerçekleştirilmiştir. Bu sayede söz konusu geliştirilen algoritmanın, gerçek sisteme uygulanabildiği gösterilmiştir. In this project, we aimed to develop an ABS control algorithm, and to implement the developed algorithm in an experimental setup. The algorithm provides optimal braking performance without any information of the road conditions. The basis for our algorithm is the Extremum Seeking Algorithm (ESA). ESA can be used in such situations in which the optimum operating point of a system is not known in advance. For example in emergency braking cases that are sudden, the problem of maximizing the braking force between the wheel and the road in an unknown road condition is an example of the application area of the ESA.In this project, an ESA-based ABS control algorithm was developed. As a novelty to the literature, by making the parameters of the search algorithm adaptive, an Adaptive Extremum Seeking Algorithm based ABS controller was proposed. In this way, the algorithm finds the optimum operating point quckly, and after finding it, by adapting the parameters, braking with low-amplitude oscillations around the optimum operating point is accomplished. In addition, an ABS experimental setup was purchased for the project and real time tests of the algorithm were conducted in this setup. 78

Son yıllarda titreşim konusundaki teorik ve deneysel araştırmaların artması, bunun yanında endüstriyel alanda ve günlük hayattaki konfor algısının gelişmesi doğrultusunda, titreşim sönümlemesi günümüzün önemli bir başlıklarından birisi haline gelmiştir. Gerek titreşim probleminin teknik anlamda yarattığı sıkıntılar, gerekse konfor açısından bulunduğu yer birçok araştırmacıyı ve firmayı bu alanda çalışma yapmaya itmektedir. Bu tez kapsamında incelenen Doğrusal Enerji Tutucular (DET), mekanik sistemlerde titreşim sönümü sağlayan geleneksel metotlardan ayrılarak yeni bir konsept sunmaktadır. Hali hazırda kullanılmakta olan geleneksel sönüm metotları, titreşim enerjisinin ısı enerjisine dönüştürülmesi, ana yapıya büyük kütleler eklenmesi gibi çoğu zaman sistemlerde sınırlı değişikliklere imkan tanıyan prensiplere dayanmaktadırlar. Bunun yanında, bu metotların genel olarak dar frekans bantlarında etkili olması-geniş frekans bantlarında etkisizliği ve sadece belli tahrik tipleri altında performans göstermesi de uygulama alanlarını sınırlayan parametrelerdendir. Ana yapının doğal frekansları etrafında, optimal bir frekans dağılımı ile belirlenen doğrusal enerji tutucular ise, sistemde herhangi bir ek sönüm mekanizması olmadan bir titreşim sönüm mekanizması yaratabilmektedir. Doğrusal enerji tutucularda titreşim ısı olarak dağıtılmamakta, titreşim enerjisi ana yapıdan enerji tutucu osilatörlere aktarılarak, neredeyse-tersinmez olarak hapsedilmesi şeklinde çalışmaktadır. Geleneksel metotlardan farklı olarak, darbe tipi tahriklerde oluşan yapısal titreşimleri efektif bir şekilde sönümleyebilen doğrusal enerji tutucular, bunun yanında harmonik ve rastsal tahriklerde de oldukça etkili bir şekilde titreşim genliklerinin azaltılmasını sağlamaktadır. Yapılan çalışmalarda, söz konusu optimal frekans dağılımının, ana yapıdaki titreşim enerjisini minimalize etmesinin yanısıra, toplam modal enerjinin sistemin tüm serbestlik dereceleri üzerinde eşit dağılımını da sağladığı gösterilmiştir.Enerji tutucuların çalışma prensibi, titreşim uygulamalarında kullanılan dinamik titreşim sönümleyicileri ile benzerlikler göstermektedir. Her iki uygulamada da titreyen ana yapıya bağlanan osilatör veya osilatörler, ana yapıda titreşim azalımını sağlamaktadır. Ancak dinamik titreşim sönümleyicileri, dar bir frekans bant aralığında çalışabilmesi, genellikle harmonik bir tahrik altında etkin olması gibi kısıtlara sahiptir; verimli bir titreşim sönüm uygulaması için sönümleyicilerin doğal frekansları titreşen ana yapıya göre dikkatlice ayarlanmalıdır. Bu sönümleyicilerin dar frekans çalışma aralığı ve sönümleyicilerde oluşması muhtemel yüksek genlikli titreşimler, uygulamada bir miktar ek sönüm uygulanması gerekliliğini dayatmaktadır. Doğrusal enerji tutucular ise, darbe, harmonik ve rastsal tahrikler altında efektif çalışabilmesinin yanısıra, sisteme eklenecek herhangi bir ek sönüm mekanizmasına da ihtiyaç duymadan titreşim sönümlemesi sağlayabilmektedir. Bu çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. İlk aşamada, dinamik titreşim sönümleyicinin ve doğrusal enerji tutucuların darbe, harmonik ve rassal tahrik tipleri altındaki sonlu elemanlar benzetimleri yapılmış, sonuçlar karşılaştırılmıştır. Darbe tipi tahrik altında dinamik titreşim sönümleyici yapı hiçbir sönüm sağlamakta, titreşim enerjisi sönümleyici ve ana yapı arasında gidip gelmektedir. Bunun yanında doğrusal enerji tutucular darbe tipi tahrik altında yüksek sönüm sağlamakta ve titreşim enerjisinin sadece küçük bir bölümünü belirli periyotlarda ana yapıya iade etmektedir. Bu enerji geri dönüş periyotları, doğrusal enerji tutucuları oluşturan osilatörlerin frekansları arasındaki fark ile ters orantılı değişmektedir. Enerji geri dönüş periyodu birbirine yakın olan osilatör sayısı arttıkça ana yapıya iade edilen enerjinin miktarı artmaktadır. Harmonik tahrik altında dinamik titreşim sönümleyici yapı sadece osilatörsüz ana yapının doğal frekansı bölgesinde etkin çalışmaktadır. Yapıya eklenmesiyle oluşan yeni iki doğal frekansın arasında kalan bölge hariç, diğer tüm frekanslarda dinamik titreşim sönümleyici hiçbir sönüm yaratmamaktadır. Doğrusal enerji tutucular ise, optimal frekans dağılımı içerisinde yer alan belirli frekanslar hariç, harmonik tahrik frekanslarında etkin sönüm sağlamaktadır. Uygulanan harmonik tahrik frekansının optimal dağılım içerisinde ve osilatörlerden birisinin doğal frekansına eş-yakın olması durumunda yüksek genlikli titreşimler ve vuru olayı görülebilmektedir. Benzetim sonuçları, rassal tahrikler altında da doğrusal enerji tutucuların dinamik titreşim sönümleyiciye göre üstün performans gösterdiğini ve etkin sönüm sağladığını göstermiştir. Doğrusal enerji tutucular ise optimal dağılımın altındaki frekansları içeren rassal tahrikte etkin bir sönüm sağlayamamış, optimal dağılımın alt limitinden başlayan frekanslar ile yüksek derecede sönüm oluşmasına neden olmuştur.Çalışmanın ikinci bölümünde ise doğrusal enerji tutucuların geçici ve sürekli rejim cevaplarının deneysel olarak inceleneceği bir deney düzeneği hazırlanmış ve çeşitli tahrik girişleri altında sistemin etkinliği incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan doğrusal enerji tutucuların farklı tip tahrikler altında oluşturduğu sönüm oranları elde edilmiştir. Deneysel sonuçlar, belli frekans aralıkları ve değerleri hariç, doğrusal enerji tutucuların tüm frekanslarda ve tahrik tiplerinde etkin sönüm oluşturduğunu göstermektedir. In recent years, a lot of new studies are focused on vibration damping mechanisms, which are significantly important due to both technical and comfort problems in industrial, commercial and residential areas. In most applications, traditional absorption mechanisms has limitations due to their limited frequency range, mechanical structures and effectivity over certain types of excitations that are causing vibration problems.Linear Energy Sinks, which are the main investigation topic of this study, provide a different way of absorption by differing from traditional damping methods which are generally based on thermal dissipation mechanisms. In these traditional methods, transferred vibratory energy is dissipated as heat and creates damping on the main structure that the damping devices are attached on. This damping methods mostly have narrow frequency range, effectivity on certain types of excitations and require noticable mechanic modifications on main structure. However, the linear energy sinks which have a particular frequency distribution absorbs the vibration energy from the main structure and preserve it, without any need for dissipative or internal damping mechanisms. Instead of heat dissipartion, the vibratory energy stays in energy sinks in a near-irreversible way. As distinct from conventional damping mechanisms, linear enegy sinks absorb vibratory energy very effectively under transient excitations. Their performance over random and harmonic excitations is also effective. Linear energy sink concept is showing similarities with dynamic vibration absorbers, which are also known as tuned mass absorbers. In both applications, oscillator(s) decrease(s) the vibration levels on the main structure on which it (they) is (are) attached to. However, the efficiency over a very narrow frequency band and functioning under harmonic excitations limit the applicability of the tuned mass absorbers. For an effective application, the natural frequency of the damper should be tuned very carefully by taking the natural frequency of the main structure and excitation frequency into account. This narrow frequency band range and possible high-amplitudes that can occur on tuned-mass absorbers create a need for additional damping mechanism in the system. Linear energy sinks, however, do not require any additional damping and able to provide damping under transient, harmonic and random excitations. The particular frequency distribution that makes attached oscillators behave as linear energy sinks is obtained by the minimization of integral kinetic energy on the main structure. The importance of that particular distribution is investigated in this study, by making several simulations. The results show that, linear distributed oscillators returns most of the vibration energy to the main structure after a certain time, where linear energy sinks efficiently retain the vibration energy and give a small part of it back. This energy recurrence behaviour is directly related to the distribution of the oscillators connected to the system. This thesis consists of two main chapters. In the first chapter, finite element simulations of a dynamic vibration absorber and linear energy sinks are made under transient, harmonic and random excitations. A lateral-vibrating fixed-free beam with tip mass is set as main structure, where small-scale beam(s) is/are used as tuned-mass absorber and linear energy sinks. The excitation frequencies in harmonic inputs are selected as from very low frequencies, passing through the natural frequency zone of main structure and going to higher frequencies. This cluster of excitation frequencies reveals the areas that both tuned-mass asbsorber and linear sinks are effective. Random excitation forces are Gaussian white noise signals. Their frequency bandwidths are located below those of attached oscillators, covering the range of attached oscillators and above those of attached oscillators. The response of tuned-mass-absorber-attached system to impulsive excitations shows no damping; vibration energy is being transferred continuously between main structure and oscillator without any damping. For harmonic excitations, the tuned-mass absorber shows no or very little efficiency below and above its tuned frequency range and leads to high amplitude vibrations when excited at frequencies that are close to new modes defined to the system by adding tuned-mass absorber. The response to random excitation points out a different disadvantage of system with tuned-mass-absorbers. Adding an absorber, i.e. a new degree of freedom, to the main structure, yields additional natural frequency. Since random signals have broadband frequency content, exciting one more mode causes large-amplitude vibrations rather decreasing them.The response of linear energy sinks to transient excitations revealed that energy sinks absorbs energy from the structure and retain it in almost irreversible way. This is the direct effect of optimal frequency distribution of linear energy sinks, which is obtained by optimization through minimization of vibration energy of the structure. The vibration energy tends to return to the main structure with linear energy sinks, as it happened in tuned-mass absorber. Nevertheless, in this case, returning energy is small amount of the total energy; which leads to expression of `nearly-irreversible`. This energy recurrence behaviour is correlated to the frequency difference between oscillators. The closer the periods of the oscillators are to each other, the more energy is being transferred back to main structure. Energy transfer from oscillators to main structure starts from the low and high frequency oscillators and travels to the middle ones, which are located around main structure's natural frequency.Simulation results show that main structure with linear energy sinks function effectively under harmonic excitations, especially at higher excitation frequencies. Due to fact that the concept is studied with zero damping conditions, harmonic excitation sometimes yields resonance behaviour. In cases where harmonic excitation frequency is close to a frequency of any oscillator, the vibration gradually increases and energy sinks do not function. If this harmonic excitation frequency is slighty different than oscillator's, beating phenomena occurs. When the excitation frequency is out of optimal distribution limits, the energy sinks provides noticeable damping. The response of the system to random excitation points out that energy sink also is effective under random loads. For the excitation bands below the optimal distribution, the linear energy sinks provide small amount of damping. For the excitation band covering the optimal frequency distribution and the natural frequency of the main structure without oscillators, linear energy sinks provide high damping ratios. When the excitation band is located above the optimal frequency distribution, the energy sinks also provide damping, up to 50% decrement in amplitude. In the second chapter, experimental investigations are performed to evaluate the transient and steady-state response of linear energy sinks. The main structure is a cantilever beam vibrating laterally. The energy sinks are vibrating beams, similar to the ones that are designed for the finite element simulations. Each individual frequency of energy sinks are tuned carefully by mounting mass attachments to thin beams and measured with a laser Doppler vibrometer. A modal shaker, driven by a vibration controller, is used for transient, harmonic and random excitations to provide exactly the same excitation conditions.For the experimental studies, first two natural frequencies of the structure is concerned. For each natural frequency, two different 36-oscillator set are designed as linear energy sinks. The results indicates that, linear energy sinks performs very well under transient excitation. Nearly 75% of the vibration amplitude is decreased by the oscillators. Under harmonic excitation, the energy sinks provide damping whose level is frequency-dependant. Linear energy sinks do not provide any damping below optimal frequency distribution. However, the damping increases significantly when a harmonic excitation, that has a frequency inside optimal distribution, is applied on the structure. The damping level decreases when the excitation frequency is between two optimal sets. For the excitation frequencies inside and higher than second optimal distribution, linear energy sinks also provide remarkable damping. The experimental studies also showed that linear energy sinks function very effectively under random loads with varying frequency bandwidths. The only exception is the the area under the first optimal frequency distribution. 113

Bu çalışma, kayma hızı, önyükleme kuvveti ve tip çapı gibi farklı tasarım parametreleri altında, yapay olarak yapılan yüzeyin deseninin algılanmasını ve sürtünme özelliklerini ortaya koymaktadır. İsteğe göre yapılmış olan yarı otonom sürtünme deney düzeneğinde, düz şeffaf polimer kullanılarak yapılan sürtünme testlerinin neticesinde, düzenek gerçeklenmiş ve uygun çalışma şartları belirlenmiştir. Desen algılama deneyleri, kayma sırasında yüzeye uygulanan önyükleme kuvveti, kuvvet geribesleme kontrolcüsü tarafından sabit tutulurken, sert cam tipe karşı sürtülen, eşit aralıklarla dağıtılmış tümsekleri olan yapay deri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yüzey taraması esnasında oluşan sürtünmenin yol açtığı titreşimler, yapay derinin desenine ait olan ve taranan yüzeyin tümseklerinin yükseklik ve dalgaboyu gibi bilgisini taşıyan frekansın algılanmasına olanak tanımıştır. Bu arada test sonuçlarına göre önyükleme kuvveti, düşük kayma hızı ve yüksek kuvvet altında minimum hata yüzdesiyle sabit kalmaktadır. Buna ek olarak, önyükleme kuvvet hatasının azaltılmasında ve sinyal harmoniklerinin filtrelenmesinde tip çapının etkisi de gözlemlenmiştir. This study exhibits pattern detection and frictional properties of the artificially made surface under different design parameters such as sliding velocity, preload, and tip diameter. In consequence of frictional tests on the custom built semi-autonomous friction set-up using flat soft polymer, the set-up is validated, and proper working conditions are determined. The pattern detection experiments are realized on an artificial skin with evenly distributed ridges rubbed against a rigid glass tip while the preload applied to the surface is kept constant during sliding by the force-feedback controller. The friction induced vibrations occurred during surface scanning allowed to detect the frequency belonging to the pattern of the artificial skin, and carrying the information of the scanned surface like height and wavelength of ridges. Meanwhile, according to the results of the tests, the preload remains consistent with a minimum percentage of error at low sliding velocity and under high preload value. In addition, tip diameter effect on reducing the preload error, and filtering harmonics of the signal is also observed. 133

Çevreyi algılama, saç hücresi reseptörleri tarafından yapılır. Bu reseptörler, duyma hissine ulaşma, memeli hayvanlarda denge ve birçok diğer hayvanda su ve hava hareketlerinin ve çevredeki yırtıcıların tespit edilmesi gibi amaçlar için uzmanlaşmıştır. İnsanlarda ise dokunsal algılama çevreyi anlama ve onunla etkileşim olanağı sağlar. Algılama, insan elinin parmaklarının ucunda çok önemlidir. İnsanlardaki dokunma duyusu, dokunsal algılayıcıların ana ilham kaynağı olmuştur. Bu çalışmadaki amaç ise dokunma duyusuna yakınsayacak yeni nesil sentetik polimer fiber dizisinin tasarımı ve üretimidir. Bu fiber dizisinin üzerindeki basınç dağılımını algılaması amaçlanmaktadır. Tasarlanan fiber dizisinin hem yüzey pürüzlülüğüne adapte olabilen biyolojiden esinlenilmiş fiber yapısının bulunması, hem de oluşan temas ile ortaya çıkan basıncı elektriksek potansiyel farka çevirebilecek piezoelektrik ince tabakaya sahip olması gerekmektedir.Yapılan çalışmada basıncı algılama kabiliyetine sahip PVDF piezoelektrik tabakaya ilave edilmiş PDMS polimer düşey fiber dizisini sonlu eleman metodu kullanılarak analizi yapılmıştır. Gecko, örümcekler ve diğer böceklerin ayaklarında bulunan fiber yapı, çeşitli yüzeylerde üstün yapışma özelliğine sahip sentetik fibriler yapıların üretimi için ilham vermektedir. Bu hayvanların ayaklarındaki yapılar, kuru ve yaş ortamlarda vakumlu ortam dahil çok değişik yüzeylere kontrollü bir biçimde yapışmalarını sağlar. Ayrıca, bu mikro-nano yapıların yapışmalarında kendi kendine temizleme özellikleri dolayısıyla uzun süre kullanım, tekrarlanabilir yapışma ve yüzeyde herhangi bir kalıntı bırakmama gibi özellikler barındırırlar. Pasif çalışma biçiminin aksine, sentetik fiberlerle birleştirilmiş piezoelektrik algılayıcı yüzey pürüzlülüğüne çok daha kolay adapte olma kabiliyetine sahip olmakla birlikte yüzeye yapışma konusunda da daha iyi olması beklenmektedir.Piezoelektrik polimer uygulanan kuvvet sonucunda elektriksek potansiyel farkı yaratmaktadır. Bu potansiyel fark mikro/nano polimer fiberler sayesinde ayrıştırılabilir ve bu ayrıştırma polimer tabaka üzerindeki basıncın haritalandırılmasına yarar. Tasarlanan algılayıcıda PDMS polimerden üretilmiş fiberlerin çıkış voltajına ve insan elinin uzamsal çözünürlüğe yakınsamasındaki boyutsal değişkenlere etkisi araştırılmıştır. Tüm bu tasarım ölçütlerinin sağlanabilmesi statik ve dinamik çalışma koşullarının incelenmesi ve dokunma algısının altında yatan nörofizyolojinin özümsenmesini içermektedir. Bu nedenle tasarlanan algılayıcı hakkındaki bilgilerin edinilebilmesi için tüm çevre koşulları irdelenmiştir.İnsan eli ani darbeler, titreşimler ve yumuşak dokunuş gibi birçok etkiyi eşzamanlı olarak hissedebilen karmaşık bir özelleşmiş reseptörler dizisi içerir. Bu nedenle yapay insan eli dokunma hissi tasarımı oldukça zor fakat gelecek vadeden bir sorun oluşturmaktadır. İnsan eli çok düşük 0.1- 100 Hz arasında değişen titreşimleri bile algılayabilecek kadar hassastır. Bu nedenle yapılacak tasarımın amacı belirlenip buna bağlı olarak insan elinin karmaşıklığı daha basit bir seviyeye indirgenmelidir. Ancak bu sayede istenilen seviyede insan derisini taklit edebilecek algılayıcı ve eyleyici tasarımları gerçeklenebilir. Bu algılayıcılar mikro/nano boyutta kuvvet algılayıcılar, minimal ilerleme gerektiren cerrahi operasyonlar, hava akış algılayıcıları gibi uygulamalarda kullanılabilir. İnsanlardaki dokunsal algılama diğer duyularla etkileşim halindedir ve görüntü geri beslemesi olmadan yeteri kadar hassas değildir. Buna ek olarak 20-30 ms gecikmesi bulunmaktadır. Bu nedenle dokunsal algılayıcılar bu noktalarda geliştirilmelidir. Dokunsal algılayıcı teknolojisi uzamsal çözünürlük, esneklik, yüzey pürüzlülüğüne adapte olma ve dokunma algısının geniş bir alana yayılması konularında yetersiz kalmaktadır. Son dönemlerde ise geckonun ayaklarındaki üstün yapışabilme yetisi insan yapımı sentetik mikro fiber yapılarının oluşturulmasına öncü olmuştur.Mikro fiberlerin birbirlerini etkilemeyecek şekilde tasarlanmasından dolayı, algılayıcı tabaka halindeki piezoelektrik algılayıcıya oranla daha iyi yüzeye adapte olabilme ve daha iyi yapışma özelliğine sahiptir. Piezoelektrik polimerin elektrotlanması sayesinde gecko ayaklarının yapışma ve yüzeyi tanıma özelliği taklit edilmeye çalışılmıştır. Fiberlerin geometrileri sayesinde basıncın belli bir alana yoğunlaştırılması sağlanmış bu sayede birim kuvvete elde edilecek potansiyel farkın artırılması ve algılayıcının hassasiyetinin artırımı sağlanmıştır. Fakat piezoelektrik PVDF polimerin yüzey enerjisinin diğer polimerlere oranla daha düşük kalmasından dolayı yapışma özelliği yetersiz kalmaktadır. Bu ise üzerine yerleştirilmiş PDMS ya da PMMA gidi sık kullanılan polimerler sayesinde telafi edilmiştir. Ayrıca piezoelektrik polimerin yüksek olan elastisite modülü üzerindeki polimer sayesinde düşürülmüş ve daha esnek bir yapıya dönüştürülmüştür.Fiberlerin çapı ve boyu, fiberlerin arasındaki uzaklık gibi tasarımsal değişkenlerin belirlenmesi statik analizlerin yapılması ile gerçekleştirilmiştir. Burada mekanik ve elektriksel olarak fiberlerin dayanabileceği kuvvetler, birbirlerinden etkilenmesi ve temas edeceği yüzeye yapışması gibi özellikler düşünülerek fiberlerin boyutları için tasarım limitleri belirlenmiştir. Piezoelekrik filmin boyutları da bu fiberlerin birbirleri ile etkileşimini en az seviyeye indirecek kadar az, en üst düzeyde potansiyel fark yaratıp bu potansiyel farkın non-lineer seviyede olmamasını sağlayacak kadar da büyük olmalıdır.Polimer fiberlerin viskoelastik özellikleri fazla olduğundan dinamik yapıda sistem modelinde büyük farklılıklar yaratmaktadır. Buna uygun olarak tasarlanan fiber dizisine uygun viskoelastik model seçilip parametreleri bulunmuştur. Buna bağlı olarak sistem modelinin elastik modele olan farkları araştırılmıştır.Boyutları ve modeli belirlenen algılayıcı daha sonrasında dinamik koşullarda irdelenmiştir. Dinamik analizler öncelikle yapının doğal frekanslarının bulunması, daha sonrasında frekans taraması ve en son olarak darbeye karşı verdiği tepkiler simule edilmiştir. Bu sayede algılayıcının dinamik, harmonik girişlere karşı nasıl tepki vereceği gözlemlenmiştir. Bu dinamik yapının incelenmesi hem tek fiber hem de fiber dizisi için yapılmıştır. Bu sayede fiberlerin yan yana dizilmesinin her bir fibere etkisi görülmüştür.Fiber yapısının hem statik hem de dinamik olarak irdelenmesinde sonra, simülasyon testleri yapılmıştır. Öncelikle cam küresel bir yüzeyin algılayıcı üzerindeki performansı araştırılmıştır. Fiberlerin birbirlerinden ayrılmasının etkisi potansiyel fark yaratımı olarak incelenmiştir. Buna ek olarak tasarımın pürüzlü yüzeye adapte olması yanal kuvvetleri algılayabilme özellikleri tartışılmıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak üretilecek olan algılayıcının en uygun yapının oluşturulmasına katkı sağlanması istenmektedir. The sensing of the surrounding is made by hair cell receptors that are specialized in order to achieve the sense of hearing, balance in mammals and water motion and predator detection in many other animals. In humans, tactile sensing gives the ability to understand and interact with the surrounding. The sensing is crucial at the fingertips of the human hand. The human sense of touch is the main inspiration to tactile sensing. The aim of this thesis is to design and manufacture a novel synthetic polymer fiber array with sensing capability of the pressure distribution. The polymer fiber array has both bio-inspired fibrillar structures that can adapt to the surface roughness and polymer piezoelectric film that can generate potential difference proportional to the pressure generated by the contact with the surrounding.In this work, the sensing capability of polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film integrated with PDMS (Polydimethylsiloxane) polymer vertical fiber array has been analyzed using finite element method (FEM). The fiber structure on the foot of the gecko, spiders and other insects gives inspiration for production of synthetic fibrillar structures which have superior adhesion property on various surfaces. Unlike the passive mode operation of the synthetic fibrillar structures, sensing property integrated synthetic polymer fiber array has the capability of easy adaptation to the roughness of the surface and it is expected to increase the adhesion with respect to passive synthetic polymers and thin film polymers.Piezoelectric polymer generates electric potential difference with the applied force, which can be decoupled by the micro/nano polymer pillars, results in the mapping of the pressure distribution among the polymer film. The contribution of the pillars, made out of PDMS (Polydimethylsiloxane), to the output voltage and the dimensional parameters are examined for a satisfactory design that can meet the spatial resolution of the human hand. In order to meet all design requirements, the sensor design should include the static and dynamic analysis and understanding of neurophysiology of touch. Therefore, the interaction with the objects is examined which give information about the proposed sensor for both static and dynamic environments.The human hand contains a complex array of specialized receptors that can sense impacts as well as detecting vibrations and soft touch simultaneously. Therefore, design of artificial touch sense of the human hand is a hard but promising challenge including the quasi-dynamic, dynamic and impact analyses. The human hand is such sensitive that it can sense even the slightest vibrations ranging from 0.1-100 Hz. The complexity of the human skin should be reduced due to the requirements of the application area.The design parameters such as the fiber diameter, spacing ratio and aspect ratio will be analyzed by performing static analysis. Furthermore, the rough surface adaptation and use of the sensor as a shear sensor will be discussed. In the dynamic analysis, the vibration characteristics as well as viscoelastic nature of the fibers will be discussed. The outcome of this work is expected to give clues for the optimal manufacturing conditions of active fibrillar structures. 137

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2011, Bu çalışmanın temel amaçlarından biri robotların çevreleri ile kuvvet etkileşimlerinin sağlanmasıdır. Bu hedefin gerçekleştirilmesi amacı ile çeşitli kuvvet kontrol algoritmaları incelenmiş, bu algoritmalardan gerçekleştirilecek uygulamalara uygun olanlar seçilmiştir. Robotun uç elemanında oluşan kuvvetler robota bağlı bir kuvvet tork sensörü yardımı ile ölçülmektedir. Bu ölçümlerin en iyi şekilde alınması amacı ile robot uç elemanına bağlanan çeşitli tipler üzerinde denemeler yapılmış, uygulamarda kullanılabilecek en uygun tipler belirlenmiştir. Bu çalışmanın temel amaçlarından biri de robot hakkında temel bilgi sahibi bir kullanıcının bile rahat bir şekilde programlama yapabilmesini sağlayacak bir programlama arayüzü sağlanmasıdır. Bu ihtiyacın karşılanması amacı ile CAD verisi kullanılarak rota takibi konusundan yararlanılmıştır. Bunlara ek olarak, CAD verisi kullanılarak rota takibi ve kuvvet kontrolü uygulamaları birleştirilmiş ve kuvvet kontrolü ile CAD takibinin farklı eksenlerde eş zamanlı uygulanabilmesi sağlanmıştır., One of the main purposes of this study is to achieve force interaction of robot with its environment. In order to achieve this purpose, the force control algorithms that can be used are investigated and suitable control algorithms are chosen for applications. The forces that arise on robotic arm’s end-effector are measured using a force/torque sensor. In order to achieve measurements with good quality, several probes are investigated and suitable ones are chosen for desired applications. Another purpose of this study is to create an interface that even a programmer, who has no experience on robotics, can interact with robot very easily and fast while the program created handles the process on a perfect way. For this purpose, path following with reference to CAD data is investigated. Additionally, tracking the path defined in CAD files and force control applications are combined together., Yüksek Lisans, M.Sc.

Tutum ve estetik özellikleri kumaşın sürtünme özellikleriyle ilişkilidir. Kumaşların yüzey sürtünme özelliklerini, kumaş örgüsü, sıklığı, yapısı ve kumaş yapısını oluşturan ipliklerin iplik sürtünmesi belirlemektedir.Kamgarn yün ipliğinden dokunmuş katma değeri yüksek olan kumaşlar araştırmamızda tercih edilmiştir. Farklı örgü tipinde, farklı atkı sıklığında ve farklı atkı iplik inceliğinde numune kumaşların yüzey sürtünme katsayıları ölçülmüştür. Dokuma kumaşların yüzey sürtünmesi hariç diğer mekanik özellikleri sabit tutulduğunda, yüzey sürtünmesi ile tutum özellikleri arasındaki ilişki incelenmiştir.Geliştirilen kumaşların sürtünme katsayıları yeni tasarlanmış bir düzenek ile yapılmıştır. Yüzey sürtünmesinin ölçümlerini önemli derecede etkileyen deney düzeneği değişkenleri; kumaş taşıyıcı hızı, kumaş-ölçüm ucu temas alanı ve uygun normal kuvveti de ayrıca incelenmiştir.Sürtünme deneyinin sonuçları göstermiştir ki, sürtünme katsayısının değeri uygulanan normal kuvvet arttıkça azalmıştır. Çıkan sonuçlar önceden rapor edilmiş sonuçlarla tutarlıdır. Düşük hız aralığında sürtünme katsayısı hız arttıkça artmıştır. Bu sonuçlar kumaşların viskoelastik özellikleri ile ilişkilendirilmiştir.Atkı sıklığının artması ile sürtünme katsayısında bir artma olmuştur. Daha ince ipliklerden yapılmış kumaşlarda sürtünme katsayısı düşmüştür. Son olarak, bezayağı ve dimi kumaşlarının arasında saten kumaş en düşük sürtünme katsayısına sahip çıkmıştır. Farklı desenlerde hareket yönünün önemli olduğu görülmüştür. Handle and aesthetics are in relationship with the frictional properties of the fabric. Fabric structure, assessed with the pattern and density of the fabric, and yarn friction both determine the properties of fabric surface friction.In this study, worsted woven fabrics were preferred due to their commercial significance. Sample fabrics were developed with different patterns, weft densities and weft yarn linear densities. Except surface frictional properties, when other mechanical properties of woven fabrics maintain constant, the relationship between surface friction and the tactile properties of the woven fabrics could be observed.Coefficients of friction of sample fabrics were measured by a new designed friction setup. Variables of experimental setup such as proper normal load, velocity of fabric holder and fabric-probe contact area, which could significantly influence the measurement of surface friction testing, were also investigated.Friction test results showed that the value of coefficient of friction decreased with the increased normal load. The results coincided with formerly reported results. In the range of low velocities coefficient of friction increased with velocity. This result was attributed to viscoelastic properties of fabrics.With increase of weft density, coefficient of friction increased. Coefficient of friction decreased with fabrics made from finer yarns. Lastly, satin weave fabric had the lowest coefficient of friction among plain and twill weave fabrics. Importance of direction of motion was observed for different patterns. 96

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2010, Bu çalışmanın konusu insansız helikopterin doğrusal hız ve açısal konum kontrolüdür. Tez kapsamında öncelikle 6 serbestlik dereceli helikopterin doğrusal olmayan dinamik modeli oluşturulmuştur. Bu model katı cisim denklemleri, kuvvet ve tork denklemleri ve çırpma ve itki denklemleri adlı 3 bloktan oluşmaktadır. Her blok ilgili kısmın denklem setlerini içermektedir. Oluşturulan model daha sonra MATLAB programına aktarılmıştır. Açık çevrim kararsız ve eksenleri arasındaki birleşikliği yüksek olan helikopter için iki farklı kontrolcü tasarlanmıştır. Öncelikle LQR (Linear Quadratic Regulator) tipinde bir kontrolcü geliştirilmiştir. Helikopterin ileri uçuş, yana doğru uçuş, yunuslama açılı uçuş ve dikey uçuş gibi temel hareketleri göz önüne alınarak 8 farklı senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryolara göre benzetim sonuçları elde edilmiştir. Aynı senaryolar için MPC (Model Predictive Controller) tipinde kontrolcü de tasarlanmış ve benzetimi yapılmıştır. Kontrolcünün dayanıklılığını değerlendirebilmek için, parametre belirsizliği, sistem dinamiğinin değişimini ve bozucu etkileri içeren üç farklı senaryo daha oluşturulmuş ve benzetim sonuçları elde edilmiştir. İki farklı kontrolcü ile elde edilen sonuçlar tartışılmış ve gelecek çalışmalarla ilgili önerilerde bulunulmuştur., The subject of this study is the translatory speed and angular position control. Within the scope of this thesis first 6 degrees of freedom nonlinear helicopter model is developed. This model consists of 3 blocks which are called, rigid body equations, force and moment equations and flapping and thrust equations. Each block consists the equation set of relevant part. Model that was developed transferred to MATLAB software. For the helicopter which is open loop unstable and having high coupling between the axes two different controller was designed. First an LQR (Linear Quadratic Regulator) type controller was developed. By considering the basic movements of helicopter like forward flying, sideway flying, flying with pitch angle and vertical flying 8 different scenarios was formed. Due to these scenarios simulation results were obtained. For the same scenarios MPC (Model Predictive Controller) type controller was designed and simulations were made. For evaluating robustness of controller 3 different scenarios, having parameter uncertainity, alteration of system dynamics and disturbances, was formed and simulation results were achieved. Results that are obtained from two different controllers were discussed and suggestions made for future works., Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2008, Kumaş tutumu insanda oluşan sübjektif bir algıdır ve günümüze kadar bu algıyı objektif bir şekilde ölçebilecek alternatif bir sistem geliştirilmemiştir. Yüzey sürtünme özellikleri ve kumaş tutumu arasındaki ilişki incelenmiştir. Tek çeşit iplikten, farklı örgülerde ve değişen atkı sıklıklarında dokunmuş dokuma kumaşların yüzey sürtünme katsayıları ölçülmüştür. Atkı sıklığının, desenin ve atkı-çözgü yönünün sürtünme katsayısına etkisini görmek için bir sürtünme düzeneği hazırlanmış ve deneyler farklı ön kuvvetler altında gerçekleştirilmiştir. Sürtünme ölçüm cihazı için uygun ölçüm ucu malzemesi, çap ve ölçüm hızı belirlenmiştir. Atkı sıklığının artmasıyla sürtünme katsayısının arttığı görülmüştür. Sürtünme katsayısı, birim alandaki bağlantı sayısının artışı ile yükselmiştir. Bütün kumaşlarda aynı iplik kullanıldığı için, atkı ve çözgü yönünde sürtünme katsayılarında belirgin bir fark görülmemiştir. Kumaşların sürtünme davranışlarının Wilson modeli ile uyumlu olduğu görülmüştür., Fabric hand is a subjective feeling and as to date there has not been an alternative objective system built to measure this subjective feeling. The relationship between fabric hand and surface friction on the textile fabric is considered and friction coefficient is measured for a set of textile fabrics which are made out of same type yarn but different in weft density and weave type. To determine the effect of weft density, weave type and weft-warp direction on the friction coefficient, a friction setup is designed and the experiments are realized under different preloads for all textile fabrics. For the measurement probe, diameter, material, and velocity of the probe are chosen properly. It is observed that coefficient of friction increases with weft density. The friction coefficient increases with the number of connection point per unit area. Since the same type yarn is used in all samples, no distinct difference is observed for friction coefficients between warp and weft direction. The results show that measured friction coefficients are compatible with the friction values obtained from Wilson model., Yüksek Lisans, M.Sc.