Search

Bu tezin ana amacı biyorobot tasarımlarına yönelik olarak Biyoesinlenmiş Kavramsal Tasarım (BİKT) metodolojisi geliştirmektir. Tez kapsamında, varolan Biyobenzetim Tasarım (BİT) yaklaşımlara ve sistematik mühendislik tasarım adımlarına dayanarak yeni bir BİKT prosedürü geliştirilmiştir. Geliştirilen prosedür, köpek biyorobotu (BioDog) üzerinde yürüme ve tırısa gitme, hamamböceği biyorobotu (BioCoc) üzerinde tırmanma, sıçrama (çekirge) biyorobotu üzerinde zıplama ve melez (köpek- ıstakoz) biyorobotu üzerinde yürüme hareketleri için uygulanmıştır. Örnek çalışmalardan elde edilen geri bildirimler kullanılarak bir BİKT süreci oluşturulmuştur. Hedeflenen BİKT metodolojisini oluşturmak için geliştirilen BİKT süreci, Klasik Ayrık Olay Sistem Spesifikasyonu (AOSS) modeli ile modellenmiştir.Önerilen BİKT metodolojisi, açık ve tam olarak tanımlanmış altı adım ile müşteri ihtiyaçlarını biyorobotun kavramsal tasarımına dönüştürmektedir. Varolan BİT'lerin eksik olan taraflarının giderilmesi amacı ile biyolojik sistem analizi ve biyobenzetim dönüşüm tasarım adımları bu tez çalışması kapsamında detaylı olarak incelenmiştir.Tez çalışmaları sırasında BİKT metodolojisinin tüm adımları tam olarak her ne kadar dört örnek çalışma üzerinde uygulanmış olsa da, on dört farklı biyolojik sistem ve yirmi dört hareket tipi içerik analizi yöntemi ve/veya gözlem yöntemi kullanılarak incelenmiştir. İçerik analizi için literatür taraması yapılmış, biyolojik sistemlerin gözlemlenmesi için ise bir deney düzeneği kurulmuştur. Deneyler sırasında biyolojik sistemlerin morfoloji, işlev ve davranışları hakkında gerekli bilgiyi edinmek için hızlı kamera kullanılmıştır. Biyobenzetim dönüşüm adımında, biyolojik sistem hakkındaki bu bilgi sistematik olarak biyorobotun kavramsal tasarımı için gerekli olan biyorobot hakkındaki bilgiye dönüştürülmektedir. The main aim of this thesis is to develop a Bioinspired Conceptual Design (BICD) methodology for design of biorobots. Within the context of the dissertation, a novel BICD procedure has been developed based on existing BID approaches and systematic engineering design steps. This procedure is applied on several case studies, namely a dog biorobot (BioDog) for walking and trotting, a cockroach biorobot (BioCoc) for climbing, a jumping (grasshopper) biorobot for jumping and a hybrid (dog and lobster) biorobot for walking. A BICD process has been developed using the implementation results. Classic DEVS (Discrete Event System Specification) coupled model is used to formally represent the BICD process in order to develop a BICD methodology.The proposed BICD methodology transforms customer needs into a concept design of biorobot with clear and well-defined six design steps. In order to overcome the drawbacks of existing BIDs, the biological system analysis and the bioinspired transformation design steps have been considered in detail.In this thesis, although four case studies have been implemented to demonstrate the BICD methodology, fourteen biological systems and twenty four locomotion types are investigated by using content analysis and/or observation methods. The literature survey has been used for the content analysis method, while an experimental set-up is used to analyze the biological systems for the observation method. Required knowledge on morphology, function and behavior of biological systems are obtained using a high speed camera. During the bioinspired transformation step, the knowledge about the biological system has been transformed systematically into knowledge about the biorobots and this knowledge is used to develop the concept design of biorobots. 180

Yüksek seviyede etkin ve güç kullanımında verimli biyolojik mekanizmalar doğadayer almaktadır. Biyolojik tasarım prensiplerinin mühendislik alanında kullanabilmesibiyoloji ve mühendislik alanlarında yetenek gerektirir. Biyologların ve mühendislerinbu ortaklasa çalısma gereksinimi yeni bir disiplin olan biyobenzetim bilim vemühendisliğinin gelisimine yol açmıstır. Biyobenzetim, doğada var olan iyitasarımların taklit edilmesidir. Biyobenzetim mekatronik uygulamalarda önemli biryere sahiptir, bu nedenle bu çalısma çekirge benzeri sıçrama mekanizmasınınbiyobenzetim tasarımını yönetmektedir.Biyobenzetimle tasarım yöntemi gelistirilmis ve bu yöntemin basamakları bütünçalısma boyunca takip edilmistir. Çekirge sıçrama mekanizmalarının, sıçramalırobotların ve biyo-robotların kaynak arastırması yapılmıs ve özellikle çekirgelerinkanatsız türleri gözlemlenmistir. Bu çalısmadan sonra, arka bacak kinematik vedinamik hareketlerini veren 2 boyutlu ve 3 boyutlu matematik modellergelistirilmistir. Sıçramaya kadar olan vücut-femur, femur-tibia ve tibia-yer açıları bumodellerden elde edilmistir. Suni kaslı ve biyolojik kaslı bacak modellerinin kuvvetanalizi tork analizinden çıkartılmıstır. Doğrulama için simülasyon programı basit birmodel ile kullanılmıstır. Sıçramanın yatay mesafesi bu simülasyon programı ile havadirençli ve dirençsiz hareket denklemlerinin sonuçları ile karsılastırılmıstır.Robotikte önemli bir yere sahip olan eyleyiciler robotları hareket ettiren kaslardır. Bunedenle, suni kaslar biyobenzetimle tasarımın dördüncü basamağı olarakçalısılmıstır. Bu çalısmanın basında, çekirgemsi sıçrama mekanizmasının eyleyicisiolarak birkaç hazır suni kas seçilmistir. Bu kasların dezavantajları nedeniyle minibiyo-robot uygulamaları için yeni bir kas tasarlanmıs ve üretilmistir. Dielektrik sıvıile dolu piston-silindir sistemine uygulanan voltajdan kaynaklanan patlama ilesürülen bir suni kas tasarlanmıstır. 3.78 mm çaplı bir teflon pistonun boslukluyerlestirildiği plastik silindirdeki 25.7 mm sıvı yüksekliğine elektrotlara eletroerozyonmakina (EDM) devresinden maksimum 225 V uygulanmıstır. Kistlerpiezoelektrik düsük seviye kuvvet algılayıcısı ile pistondaki kuvvet ölçülmüstür.Algılayıcıdan gelen veriler, bir osiloskop, bir yük büyütücüsü ve GPIB iletisim kartıile bir yazılım, Agilent, kullanılarak toplanmıstır. Deneylere göre, yeni suni kasınkuvveti yaklasık 300 mN, kuvvetin ağırlığa oranı 38:1 ve boydaki uzama yüzdesininbiyolojik kaslara ve diğer suni kaslara göre daha yüksek olması beklenmektedir.Bacak modelindeki kuvvet analizine göre bu kuvvetin yaklasık 500 mgr'lık birgövdeyi sıçratmak için yeterli olmadığı görülmüstür. Daha sonra çalısılmak üzereilave suni kaslı ya da kuvvetin ağırlığa olan oranı daha yüksek olan tek kaslı birtasarım önerilmektedir.Anahtar Kelimeler: Biyobenzetimle tasarım, sıçrama mekanizması, çekirgeler, sunikaslar, biyo-robotlar Highly effective and power efficient biological mechanisms are common in nature.The use of biological design principles in engineering domain requires adequatetraining in both engineering and biological domains. This requires cooperationbetween biologists and engineers that leads to a new discipline of biomimetic scienceand engineering. Biomimetic is the abstraction of good design from nature. Becauseof the fact that biomimetic design has an important place in mechatronicapplications, this study is directed towards biomimetic design of grasshopper-likejumping mechanism.A biomimetic design procedure is developed and steps of the procedure havefollowed through all the study. A literature survey on jumping mechanisms ofgrasshoppers and jumping robots and bio-robots are done and specifically apteraltypes of grasshoppers are observed. After the inspections, 2D and 3D mathematicalmodels are developed representing the kinematics and dynamics of the hind legmovements. Body-femur, femur-tibia and tibia-ground angles until take-off areobtained from the mathematical leg models. The force analysis of the leg modelswith artificial muscles and biological muscles are derived from the torque analysis. Asimulation program is used with a simple model for verification. The horizontaldisplacement of jumping is compared with the data obtained from the simulationprogram and equation of motion solutions with and without air resistance.Actuators are the muscles of robots that lead robots to move and have an importantplace in robotics. In this scope, artificial muscles are studied as a fourth step ofbiomimetic design. A few ready-made artificial muscles were selected as an actuatorof the grasshopper-like jumping mechanism at the beginning of the study. Because oftheir disadvantages, a new artificial muscle is designed and manufactured for minibio-robot applications. An artificial muscle is designed to be driven by an explosionobtained due to the voltage applied in a piston and cylinder system filled withdielectric fluid. A 3.78-mm diameter Teflon piston is fitted with a clearance into aTeflon cylinder filled with a 25.7- mm fluid height and maximum 225 V is applied tothe electrodes by using an electrical discharge machine (EDM) circuit. The force onthe piston is measured by using a set-up of Kistler piezoelectric low level forcesensor. The data obtained from the sensor is captured by using an oscilloscope, acharge meter, and a GPIB connecting card with software, Agilent. From theexperiments, the new artificial muscle force is about 300 mN giving a 38:1 force toweight ratio and percentage elongation is expected to be higher than that of thenatural muscles and the other artificial muscles. From the force analysis of the legmodel, it is shown that the measured force is not enough alone for jumping of anabout 500 mgr body. An additional artificial muscle or a single muscle designed withthe same operating principle giving higher force to weight ratio is recommended as afuture study.Keywords: biomimetic design, jumping mechanism, grasshoppers, artificialmuscles, bio-robots 145