Vatoz balığı hareketleri incelenerek biyoilham ile geliştirilen sualtı robotunun mekatronik sistem tasarımı ve analizi
The mechatronics system design and analysis of the developed underwater robot bio-inspired by manta ray motions
Yazar: ALİ RIZA SAPMAZ
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Su altı robot teknolojileri enerji kaynağı arama, su altı bilimsel araştırma yapma ve savunma alanlarında önemli bir yer almaya başlamıştır. Tez çalışmasında vatoz balığı ile ilgili incelenen literatür çalışmaları ışığında vatoz balığına benzeyen biyo-ilham su altı robotu sistem tasarımı ve analizi yapılmıştır. Vatoz balığının manevra kabiliyetini sağlayan kuyruğu ve kanatlarının sistematik hareketleridir. Başarılı bir biyo-ilham vatoz balığı benzeri su altı robotu geliştirmede kanat tasarımı önemli alt sistemlerden biridir. Kuyruk ve kanat hareketleri için biyo-ilham olarak vatoz balığını taklit edebilecek mekatronik sistem tasarımı geliştirilmiş ve üretilmiştir. Geliştirilen kanatlar ve kuyruk hareketlerinde açısal makas mekanizma sistemleri ile hedeflenen beceriler elde edilmiştir.  Kanatların ve kuyruğun iskeletini bu mekatronik sistem oluşturmaktadır. İskeletin üretimi eklemeli imalat yöntemi ile yapılmıştır. Kanatlar ve kuyruk dikey radyal hareket kabiliyetini servo motorlar yardımıyla mekatronik sistemdeki kabloların gerdirilmesi ile gerçekleştirmektedir. Kanatlar ve kuyruk alt sistemleri sayısal analiz ve testler yapıldıktan sonra gövdeye montaj edilmiştir. Kuyruk ve kanatlara bağlı motorları kontrol etmek için mikro denetleyici kullanılmıştır. Robot su içerisinde kablosuz olarak uzaktan kumanda ile kontrol edilmektedir. Kablo bağlantısı olmadığı için 10400 mA gücündeki robot-üstü lityum-İyon batarya ile beslenmektedir. Prototipi geliştirilen biyo-ilham robotun bataryaları kablosuz 5 V, 1 A gücünde şarj modülü yardımı ile şarj edilmektedir. Kanatların hareketi sırasında uygulayabildiği kuvvet yük hücresi ile ölçülerek kuvvet-zaman grafiği elde edilmiştir. Prototipi geliştirilen biyo-ilham robota ait kanatlar ortalama 9.6 N kuvvet, kuyruk ise 16N kuvvet uygulayabilmektedir. Prototipi geliştirilen biyo-ilham robotun gövdesi, kuyruğu ve kanatları RTV-2 silikonu ile kaplanıp görünüş olarak vatoz balığına benzemesi sağlanmıştır. Robotun boyutları 35x60x10 cm (en-boy-yükseklik) ve ağırlığı 3,5 kg olarak ölçülmüştür. Prototipi geliştirilen biyo-ilham robotun kanatlarının dikey hareket salınımı 0.37 Hz. ile 1.42 Hz. arasında uzaktan kumanda ile ayarlanabilmektedir. Üretilen biyo-ilham sualtı robotu 0.125 m/s hızında yüzmektedir.

Abstract:
Underwater robotics technologies have started to gain prominence in the fields of energy resource search, underwater scientific research and defence industry. In this study, a bio-inspired underwater robot system design and analysis were made in the light of the literature studies on manta ray. The systematic movements of the tail and wings provide the manoeuvrability of the manta ray. Wing design is one of the important subsystems in developing a successful bio-inspired manta ray-like underwater robot. A mechatronic system design that can imitate the motion of manta ray with bio-inspiration for tail and wing movements has been developed. Targeted motion skills were acquired with the angular scissors mechanism systems in the developed wings and tail movements. The mechatronic system integrates the skeleton of the wings and tail. The skeleton is produced via additive manufacturing method. The wings and tail realize its vertical radial movement capability via tensioning the cables in the mechatronic system with the help of servo motors. The wings and tail subsystems were mounted on the body after numerical analysis and tests. A microcontroller is used to control the servo motors integrated to the tail and wings. The robot is controlled wirelessly in the water with a remote control. Since there is no cable connection, the robot is powered by a 10400-mA on-board lithium-ion battery. The developed bio-inspired robot prototype is charged with the help of a wireless 5 V, 1 A charging module. The force-time plots were obtained with the load cell by measuring the applied force of the wings during their movement. The wings of the developed bio-inspired robot prototype can apply an average of 9.6 N and the tail can apply 16N. The body, tail and wings of the developed bio-inspired robot prototype were coated with RTV-2 silicone to resemble a manta ray in appearance. The dimensions of the robot are 35x60x10 cm (width-height-height) and its weight is 3.5 kg. The vertical movement oscillation of the wings of the developed bio-inspired robot prototype is between 0.37 Hz with 1.42 Hz. It can be adjusted by remote control. The developed bio-inspired underwater robot prototype floats at a speed of 0.125 m/s.