Optik temelli dokunmatik bir prototip algılayıcının gerçekleştirilmesi ve geliştirilmesi
Realization and development of an optic based prototype tactile sensor
Yazar: AHMET KIRLI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. UTKU BÜYÜKŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Analitik modelleme = Analytical modelling ; Optik algılayıcılar = Optical sensors ; Sayısal görüntü işleme = Digital image processing

Özet:
Bilimin ve bunun pratikteki yansıması olan teknolojinin ilerlemesi ve hayata dair unsurlara her alandaki etkisinin artması ile birlikte "akıllı makineler" kavram ve terminolojisinin ortaya çıktığı gözlenmektedir. Günlük hayatta kullanılan ve bizlere yardımcı olması amacıyla üretilen cihaz ve sistemler, teknolojik ilerleme ile paralel olarak gelişmektedirler. Bu gelişmelerin ortak paydaşları olarak yazılım, elektronik ve mekanik disiplinleri yadsınamaz ana faktörler olarak önem arz etmektedirler. Bahsi geçen bu disiplinlerin birlikteliğinin oluşturduğu "Mekatronik sistemler" çalışılması ve değer verilmesi gereken ana bir çatı olarak ortaya çıkmaktadır. Mekatronik sistemlerde sensör teknolojisi öne çıkan konulardan biridir. Bu açıklamaya iyi bir örnek olan ve son zamanlarda üzerinde ciddi çalışmalar yapılan konu başlılarından biri de dokunma ve dokunmayı algılama teknolojisidir. Dokunma insan 5 duyusundan biri olan dokuma/temasın algılanması, ölçülmesi ve değerlendirilmesi olarak tanımlanabilir. Dokunma hissi teknolojisinin örnek aldığı insan parmak ucunda 1 santimetrekarede 241 adet algılayıcı (reseptör) olduğu kabul edilmektedir. Bu durum insana, parmak ucunda 1 mm çözünürlükte ve 1.4 milisaniye hızında ölçüm yapabilme yetisi kazandırmaktadır.
Günümüzdeki uygulamalarda dokunmayı algılama, insan derisinde gerçekleştiği gibi belirli bir alandaki teması, kuvveti ve basıncı ölçmek ve değerlendirmek olarak tanımlanabilir. Dokunma algılayıcısı aslında bir arada ve birlikte çalışan bir grup algılayıcı hücre/birimden (reseptörlerden) oluşmaktadır. Son zamanlarda bu tip
xviii
algılayıcılar üzerindeki çalışmalar artmakla beraber, halen, bir insandaki dokunma duyusuna benzer nitelikteki ve nicelikteki bir yapıya özellikle birim alandaki reseptör sayısı açısından ulaşılamamıştır. Bu tezin en önemli özelliği ve literatür ile çalışma sahasına en büyük katkısı; santimetrekaredeki algılama hücresi (reseptör) adetinin milyon mertebesine arttırabilecek bir tasarımı (WO 2014011126 A1) kullanıyor olmasıdır. Bu katkının devamı olarak ikinci bir müstesna özellik ise, milyonlar âdetince reseptörden gelen verinin toplanması ve işlenmesi için kolay uygulanabilir bir metot geliştirilmesidir. Bu tezde, tez danışmanı Dr. Utku Büyükşahin'in 'Cihaz Ve Robotlara Çok Noktalı, Yüksek Hassasiyetli Dokunma Hissi Sağlayan Modül' (WO 2014011126 A1) isimli patentinin ana fikri temel olarak kullanılmıştır. Bu temel kullanılarak tasarlanıp üretilen bir prototip dokunma hissi algılayıcısı üzerinde tasarım araştırmaları, analizler, geliştirmeler, imalat ve deneyler gerçekleştirilmiştir. Yapılan tez çalışması ile amaçlanan ve bu çalışmayı patent çalışmasından farklı kılan en önemli katkı, bahsi geçen patent tasarımı kullanılarak üretilecek bir dokunma hissi algılayıcısında, kullanılacak malzemelerin özellikleri ile ölçüm arasındaki ilişkinin kurulması ve istenilen ölçüm niteliğini sağlamak için en uygun malzeme özelliğinin belirlenmesinin sağlanmasıdır.
Dokunma hissi algılayıcıları, yer değiştirme (deplasman), kuvvet, basınç, girinti, ağırlık, sıcaklık, titreşim, temas geometrisi gibi çeşitli mekanik özelliklerden birinin veya birkaçının ölçümünü yapmakta ve otomasyon, robotik, medikal ve uzay teknolojileri alanlarında kullanılmaktadırlar. İnsanlarda dokunma duyusu çok hassas ve gelişmiş olmasına rağmen günümüz teknolojisinde dokunma algılayıcıları bazı bakımlardan (özellikle geometrik çözünürlük) iptidai ve duyarsızdırlar.
Bu tez kapasımda gerçekleştirilen çalışmada, temas/ölçüm yüzeyinde, dış uyarıya bağlı olarak oluşan yer değiştirme (batma miktarı) ve kuvvet ölçümü yapılmıştır. Tez çalışmasında kullanılan tasarım, temelde, ölçüm yüzeyindeki temasa bağlı deformasyonun yansıyan ışık yoğunluğunu değiştirmesini ölçmektedir. Bu çalışmada hem geometrik çözünürlük hem de yapısal olarak insan parmak ucu hedef alınmıştır. İnsan parmak ucu dokusuna benzer, elastik ve şeffaf bir yapı, silikon malzeme kullanılarak elde edilmiştir. Silikon ped insanlardaki sinir sisteminin iletime benzer bir şekilde ışık taşıyan fiber kablolar ile donatılarak yüksek çözünürlüklü ve hassas bir dokunma algılayıcısına dönüştürülmüştür. Silikon ped üzerinde yapılan deneysel ve teorik çalışmalar neticesinde üretilen sistem için en uygun bir matematiksel model seçilmiştir. Bu modelin girişi fiber optik kablolar ile taşınan temas yüzeyinden yansıyan ışık ışınlarının yoğunluk/parlaklık miktarı, çıkışı ise ölçüm yüzeyindeki yer değiştirme ve kuvvet haritasıdır.
Bu çalışmanın amacı insan parmak ucu hassasiyetinde ve daha fazlasında ölçüm yapabilecek bir teknoloji kullanan bir prototipi gerçekleştirmek ve geliştirmek, bu teknolojiyi bilimsel yöntemlerle irdelemek ve tanımlamaktır.

Abstract:
Due to the advancements in science and technology, practical use of machinery in daily life gained a greater role as the time passed leading the invention of so called "smart machines". Since then the development of these smart machines are still in progress parallel to the latest technological advancements. Software, electronics and mechanics are three fundamental components of these developments. Mechatronics is the main roof that gathers and coordinates these factors. Sensor technology is one of the main and important topics of mechatronic systems. Recently there has been an increased interest on tactile sensing. Tactile sensing is one of the Five Senses of Human Nature. It is estimated that the density of low threshold mechanoreceptive units that are all individual tactile sensor cells at the fingertip is approximately 241 units per centimeter square. Human fingertips have the sensitivity of 1 mm spatial resolution with 1.4 millisecond speed.
Tactile sensing usually refers to a transducer that is sensitive to touch, force, or pressure like human skin. A tactile-sensing array can be considered as a coordinated group of touch sensing receptors. Recently, there has been an increased interest in tactile sensors, yet, the desired level, which is the resolution of human's tactile sense could not have been reached in terms of number of receptors at a certain area. The unique and the most important contribution of this dissertation to the related field of study and literature are to use a patented design (WO 2014011126 A1) in order to increase the number of sensory receptors per centimeter square up to millions. The
xx
second contribution is the development of a method that can acquire millions of data at low costs. This dissertation uses the main idea of a patented design by Dr. Utku Buyuksahin (advisor of the thesis) named 'Multi point, high sensitive tactile sensing module for robots and devices', (WO 2014011126 A1). A prototype design is made and realized where this patent is taken as a basis and accordingly further research, production, analysis, development and experiments are done on this fundamental approach. The main goal and the unique outcome of this dissertation which also separates this work from the patent is to describe the relation that is between the measurements of the sensor with the materials used within when this patented design is manufactured. One can select the materials due to the intended features of the measurements.
Tactile sensors usually measure one or more of the following mechanical features of an external stimulus; displacement, force, pressure, indentation, mass, temperature, vibration, geometry. Tactile sensors are employed for automation, robotic, medical and space technology applications. The desired level for tactile sensing in robotics and devices compared to the humans tactile sensing ability still could not be reached in terms of receptors per measurement area.
In this dissertation a new and novel tactile sensor system is developed that measures the displacement, force and pressure that arise from an external stimulus. The design illustrated in this study proposes using change of intensity of the reflected light due to the deformation on the contact surface of the elastic medium. In this novel sensory system that is presented in this study is designed to achieve the consistency and spatial resolution of human fingertip. An elastic and transparent structure that has similar consistency with humans' fingertip tissue is produced by using elastomeric silicone substance. A high resolution and highly sensitive tactile senor system is manufactured by fiber optic cables carrying light embedded within the silicone pad, that mimics the transmission of the human nervous system. The best mathematical model is selected due to the experimental and theoretical approaches on the silicone pad. The intensity/brightness data of the reflected light beams that are carried by fiber optic cables enter this sequent mathematical model as the input, and step by step, displacement and force map of the contact surface is evaluated as the output.
The purpose of this dissertation is to realize and develop a prototype that has the same tactile spatial resolution of a human fingertip and to examine and define this technology scientifically.