Deforme olabilen yüzeylerle gerçekçi haptik etkileşim
Realistic haptic interaction with deformable surfaces
Yazar: SEZCAN YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. NACİ ZAFER
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Asimptotik kararlılık = Asymptotic stability ; Değişken tabanlı yüzeyler = Parametric surfaces ; Eğrisel yüzeyler = Curved surfaces ; PD kontrol = PD control ; Viskoelastik davranış = Viscoelastic behavior

Özet:
Bu tezde, viskoelastik yüzeylerin haptik olarak algılanması ve deformasyonu ele alınmıştır. Haptik temas parmak ile sanal bir yüzey arasında tanımlanmış ve lineer olmayan gerçekçi (deneysel olarak doğrulanmış) bir model geliştirilerek formüle edilmiştir.  Çalışmanın ilk bölümünde ilgili literatür ve teknoloji ortaya konulmuş olup tez çalışmasında kullanılacak olan haptik cihaz ve test ortamı tanıtılmıştır. Özgün geliştirme çalışmalarından ilki, parametrik yüzeylerin haptik uygulamalara yönelik diferansiyel kinematiğinin ortaya konmasını ve gerçekçi bir temas ve deformasyon modelinin tasarımını içermektedir. Bu kapsamda,  kısıt tabanlı empedans tipi bir kontrolör vasıtası ile yüksek eğrilik yarıçaplı içbükey ve dışbükey bölgelere sahip bir yüzey üzerinde gerçekleştirilen test çalışmaları sunulmuştur. Bu testler, parmak ve viskoelastik yüzey arasındaki etkileşim için önerilen lineer olmayan (gerçekçi) algoritmanın oldukça başarılı bir şekilde çalıştığını göstermiştir. Takiben gerçeklik algısı kalitesinin arttırılması amacıyla yüzey üzerindeki harekete sürtünme etkisi ilave edilmesi konusuna girilmiştir. Mevcut literatürde var olan sürtünme modelleri arasından haptik etkileşime uygun olan LuGre formülasyonu çalışmaya adapte edilerek, daha gerçekçi haptik etkileşim ve algıya ulaşılmıştır. Ardından önerilen algoritmanın ve kontrolörün daha genel bir karakteristik kazanabilmesi ve her türlü yüzeyle birlikte kullanılabilmesini sağlamak amacıyla noktalar setinden oluşturulabilen yüzeyler ele alınmıştır.  Bu genel durumda, öncelikle sürtünme dikkate alınmadan meshli bir yüzey ile parmak arasında tanımlanan lineer olmayan karakterdeki etkileşim için lokal temas ve deformasyon ele alınmıştır. Son olarak en genel durumun incelenebilmesi için, viskoelastik nesnelerin bir parmakla etkileşiminden haptik geribildirim oluşturulmasına, sürtünme etkileri de dahil edilerek özgün bir karaktere sahip olan algoritmanın geniş bir potansiyele ve kapsamlı uygulama alanlarına sahip olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
This thesis is concerned with the haptic perception and deformation of viscoelastic surfaces.  Haptic contact is described between virtual surfaces and a human finger and formulated by a realistic (experimentally verified) nonlinear model.  In the first section, present literature and technology are presented and the experimental set up together with the haptic device used in the tests are introduced.  The first study in the thesis that contain original work is in the presentation of surface differential kinematics required for haptic rendering of parametric surfaces and in designing a realistic contact and deformation  model.   By means a constraint based impedance type controller used in this framework, experiments are conducted on a surface having both concave and convex regions.  In these tests, the proposed nonlinear (realistic) algorithm for the finger and viscoelastic surface interactions are shown highly successful. In order to enhance the quality of haptic perception, inclusion of frictional effects along the surface motions is considered. Among the friction models in literature, LuGre model is adapted to the research and more realistic and successful results are thereby obtained.  At that stage, in providing generalizability to proposed algorithm and the controller, surfaces developable from a net of point data are considered.  For this comprehensive scenario, nonlinear frictionless interactions between the meshed surfaces with a finger is studied in terms of local contact and deformations.   In the final stage, frictional effects are also included in illustrating the comprehensive nature and potential of proposed novel algorithm in haptic rendering of viscoelastic objects through fingers.