Kuvvet-geri-beslemeli sistemler için sağınımlı döner manyetoreolojik fren geliştirilmesi
Development of a peristaltic rotary magnetorheological brake for force-feedback systems
Yazar: OKAN TOPÇU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YİĞİT TAŞCIOĞLU ; DOÇ. DR. ERHAN İLHAN KONUKSEVEN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kuvvet kontrolü = Force control ; Parçacık sürü optimizasyonu = Particle swarm optimization ; Sürtünme sönümlüleri = Friction dampers ; Titreşim söndürücü = Vibration damper

Özet:
Haptik cihazların kuvvet geri besleme sistemlerinde aktif eyleyicilerin kullanılmasına bağlı olarak kullanıcı güvenliği problemleri açığa çıkmaktadır. Ayrıca aktif eyleyici kullanan sistemlerde empedansa bağlı istenmeyen titreşimlerin önlenmesi için de akıllı çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Reolojik özellikleri kontrol edilebilen Elektroreolojik (ER) ve Manyetoreolojik (MR) akışkanlar hem titireşimlerin engellenmesinde hem de tepki kuvveti elde edilmesinde kullanılmaktadırlar. Manyetoreolojik Akışkanlar (MRF) viskoziteleri Elektroreolojik Akışkanlara (ERF) göre çok daha kolay kontrol edilebilen akıllı malzemelerdir. Bu nedenden dolayı çeşitli fren, kavrama ve sönümleyicilerde ERF yerine MRF kullanımı tercih edilmektedir. Mevcut MRF cihazlarda akışkan sızması ve yüksek sürtünme torkları gibi sorunlar bulunmaktadır. Öte yandan, bu oldukça ağır cihazlardan elde edilen kuvvetler insanların kullanımı için çok yüksektir. Patentler ve akademik yayınlar incelendiğinde, haptik cihazlar ile kullanılabilecek küçültülmüş bir MRF cihaz konusunda çok az çalışma olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada haptik cihazlarda kullanılabilecek sağınımlı döner bir MRF sönümleyici geliştirilmiştir. Geliştirilen cihazda bahsedilen sorunların en aza indirilmesi amacı ile peristaltik pompaların çalışma prensibi esas alınmıştır. Peristaltik hareket elde edebilmek ve sızdırmazlığı sağlamak amacı ile elastik malzemeler kullanılarak iki tip MRF haznesi tasarlanmış ve üretilmiştir. Elastik haznelerin üretilebilmesi için hızlı takımlama sürecinden faydalanılmıştır. Hareket halindeki büyük parçalar ataleti arttıracağından, ayrıca geliştirilen ürünün küçültülmüş boyutlarda olması gerekmektedir. Bu amaçla ilk çalışan prototipin ölçüleri kullanılarak en iyileme çalışması yapılmıştır. En iyileme çalışması Parçacık Sürü En İyilemesi (PSO) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PSO süreci sonrasında elde edilebilecek en hafif, en az güç tüketen ve en yüksek tepki torkunu veren tasarıma ulaşılmıştır. Hem çalışan prototiplerin hem de PSO ile elde edilen tasarıma ait deneysel sonuçlar ile teorik hesaplamalar kıyaslanmıştır. Ayrıca ısıl analizler gerçekleştirilerek cihazda meydana gelebilecek sıcaklıklar sayısal olarak elde edilmiştir. Geliştirilen tasarım ve cihaz ile kapalı çevrim sıvı taşıması yapan bir sistemdeki MR akışkanının viskozitesi kontrol edilebilmektedir. Böylece, bu cihazı kullanan haptik cihazlar veya sistemler titreşimsiz güç aktarımı yapabilecektir. Ayrıca yarı-aktif eyleyici olarak kullanılabilecek cihaz mevcut olan ayarlanabilir frenlerin yerine de kullanılabilir. Ayarlanabilir fren ve sönümleyicilerin kullanıldıkları diğer uygulamalar arasında koltuk süspansiyonu, egzersiz aleti sönümleyicileri ve bacak protezleri örnek olarak gösterilebilir.

Abstract:
User safety problems arise due to the use of active actuators in force feedback systems of haptic devices. In addition, smart solutions are needed to prevent unwanted vibrations due to impedance in systems using active actuators. Electrorheological (ER) and Magnetorheological (MR) fluids, whose rheological properties can be controlled, are used both in the prevention of vibrations and in obtaining response force. Magnetorheological Fluids (MRF) are smart materials whose viscosities can be controlled much more easily than Electrorheological Fluids (ERF). For this reason, it is preferred to use MRF instead of ERF in various brakes, clutches and dampers. Existing MRF devices have problems such as fluid leakage and high friction torques. On the other hand, the forces obtained from these rather heavy devices are too high for people to use. Furthermore, when patents and academic publications are examined, it has been found that there is very little work on a compact MRF device that can be used with haptic devices. In this study, a peristaltic rotary MRF device which can be used in haptic devices was developed. The aim of reducing the difficulties mentioned above in the developed device is based on the working principle of peristaltic pumps. Two types of MRF reservoirs are designed and manufactured using elastic materials with the aim of achieving peristaltic movement and sealing. The rapid assembly process has been utilized to produce elastic bulkheads. As the moving parts increase the inertia, the developed product must also be in reduced dimensions. For this purpose, optimization study was done by using the dimensions of working prototypes. The optimization study was performed using the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The design that achieved the lightest, least power consumption and highest reaction torque reached after the PSO process is completed. The theoretical calculations are compared with the experimental results of both the working prototypes and the design obtained with PSO. In addition, numerical thermal analyzes were carried out to obtain temperatures that can occur in the device. The viscosity of the MR fluid in a closed loop fluidized system can be controlled with the developed design and device. Thus, haptic devices or systems that use this device will be able to perform vibration-free power transmission. The device, which can also be used as a semi-active actuator, can be used in place of the existing adjustable brakes. Other applications for adjustable brakes and dampers include seat suspension, exercise instrument dampers, and leg prostheses.