Dielektrik elastomer bazlı yapay kasların dinamik davranışının incelenmesi
Investigation of the dynamic behavior of dielectric elastomers base artificial muscles
Yazar: İBRAHİM KARAMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DAVUT ERDEM ŞAHİN
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Dielektrik Elastomer (DE), elektriksel gerilim uygulanarak deformasyon meydana gelmesi sağlayan bir polimer türüdür. DE'nin performansını etkileyen gerilim, ön-germe, uygulanan frekans tipi ve frekans boyutu gibi birçok faktör bulunmaktadır. Dielektrik Elastomer Aktüatörler (DEA'lar) gelecek nesil yumuşak robot aktüatörleri ve yapay kaslar için en popüler malzemelerdendir. Bu tezde Yumuşak Dielektrik Elastomer Aktüatörlerde (YDEA) sayısal analiz, yüzey sıcaklıkları ve konum değişimleri üzerine deneyler yapılmıştır. İlk olarak, DEA'ların hesaplama yöntemlerinden faydalanılarak sayısal analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları uygulama neticesi elde edilen verilerle mukayese edilmiştir. Bir sonraki aşamada DEA yüzeyinde meydana gelen sıcaklık değişimleri ve DEA'nın sıcaklığını etkileyen etmenler üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda kare, sinüs ve üçgen dâhil olmak üzere farklı frekanslara sahip elektrik sinyallerinin uygulanan çeşitli dalga biçimleri tarafından üretilen YDEA'ların yüzeyindeki sıcaklık değişimlerinin araştırılması ile ilgilidir. DEA yüzeyindeki en yüksek sıcaklığın kare dalga formu tarafından üretildiği gözlendi. Ayrıca yüzey sıcaklıkları, dalga şeklinin tipinden bağımsız olarak 2 Hz ile 10 Hz arasında değişen frekanslarda maksimum değerlerine ulaşır. Son olarak, dairesel bir DEA'da konum ve zaman değişimi üzerine deneyler ve simülasyonlar yapılmıştır. DEA'nın konum değişmini nicel olarak görmek için gerilim ve frekans olmak üzere iki faktör ele alınmıştır. Deneysel sonuçlara göre, gerilim ve frekans DEA'nın konumunun değişiminde etkili olduğu görülmüştür. Analizler ve kaydedilen sonuçlar araştırmacılara bu temel parametrelerin DEA'nın kontrolü üzerinde referans sağlayacaktır. Elde edilen sonuçlar farklı frekans tipi ve farklı frekans boyutunda DEA konumunda önemli farklılıklar gözlemlenmiştir. Ayrıca deneyler simülasyon ortamında test edilmiş, Yeoh modeli kullanılarak deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Dielectric Elastomer (DE) is a type of polymer that provides deformation by applying electrical voltage. There are many factors that affect the performance of DE, such as voltage, pre-streching, frequency type applied, and frequency size. Dielectric Elastomer Actuators (DEAs) are among the most popular materials for the next generation of soft robot actuators and artificial muscles. In this thesis, experiments on numerical analysis, surface temperatures and position changes in Soft Dielectric Elastomer Actuators (YDEA) were carried out. Firstly, numerical analysis of DEAs was carried out by using computational methods. The analysis results were compared with the data obtained as a result of the application. In the next step, experimental studies were carried out on the temperature changes on the DEA surface and the factors affecting the temperature of the DEA. These studies are concerned with the investigation of temperature changes on the surface of DEAs produced by various applied waveforms of electrical signals with different frequencies, including square, sine, and triangle. It was observed that the highest temperature on the DEA surface was produced by the square waveform. In addition, surface temperatures reach their maximum values at frequencies ranging from 2 Hz to 10 Hz, regardless of the type of waveform. Finally, experiments and simulations on position and time variation in a circular DEA are performed. In order to see the position change of the DEA quantitatively, two factors, voltage and frequency, are considered. According to the experimental results, it was seen that the voltage and frequency were effective in the change of the position of the DEA. The analyzes and recorded results will provide researchers with reference to the DEA's control of these key parameters. The results obtained showed significant differences in DEA location with different frequency type and different frequency size. In addition, the experiments were tested in the simulation environment and compared with the experimental results using the Yeoh method.