Küresel mekanizma ile çok fonksiyonlu tutucu tasarımı ve optimizasyonu
Multi-functional robotic gripper design and optimization by using spherical four-bar mechanism
Yazar: OSMAN ACAR
Danışman: PROF. DR. HACI SAĞLAM
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsan gücü ile yapılan herhangi bir iş esnasında insan elinin tutma becerisi yapılan işin kalitesini etkilediği gibi robotik sistemlerde de tutma becerisi ürün kalitesini etkilemektedir. Bu tez çalışmasında, robotik tutucu parmağı için tahrik mekanizması olarak kullanılmak üzere en iyi hareket yörüngesini sağlayan optimum küresel dört-çubuk mekanizması araştırıldı.    
İlk olarak, tutma işlemi için küresel bir düzlemde hareketin yörüngesi şematik olarak açıklandı. Böylelikle optimizasyon problemi tanımlandı. Optimizasyon işleminin amacı ve kısıtları detaylı olarak anlatıldı. Akabinde bu yörüngenin elde edilebilmesi için gerekli Ball-Burmester teorisinin özellikleri ve kullanımı izah edildi. Bu vesile ile küresel kinematik için Parametrik Euler-Savary denklemi oluşturularak uzuv boyutlarının hesabı basitleştirildi. Ball-Burmester noktalarının araştırılması için yeterli hassasiyete sahip bir Harmonik Arı Algoritması geliştirildi. Bu algoritma ile tanımlanan optimizasyon problemi çözüldü. Elde edilen sonuçlar için şematik mekanizma tasarımları matematik programları kullanılarak çizildi. Optimizasyon algoritmasından elde edilen sonuçlar arasında seçim kriterleri açıklandı. Neticede elde edilen boyutlar sayesinde küresel dört çubuk mekanizmasından oluşan üç parmaklı bir robotik tutucu prototipi katı modeli tasarlandı. Bu tasarımda küresel dört çubuk mekanizmasının biyel noktası bir parmak ucu olarak şekillendirildi. Bilgisayar programlarında tasarlanan bu dört çubuk mekanizmasının çeşitli geometrik özelliklere sahip cisimleri tutması incelendi. Muhtelif yüzeylere sahip cisimlerin statik kuvvet analizleri yapılarak tutma işleminde başarısı test edildi. Küresel mekanizmanın hareket yörüngesi boyunca parmak ucunda oluşacak kuvvet hesabı yapıldı. 
İkinci olarak, katı modeli tasarlanan prototip imalatı için uygun yöntemler belirlendi. Ekonomik olması da göz önünde bulundurularak 3 boyutlu yazıcı teknolojisinde ABS malzeme kullanılarak %80 dolulukta 50 µm hassasiyette imalat yapıldı. İmalatı yapılan parçaların mafsal eksenlerinin bir merkez noktasında kesişmesi durumu kontrol edildi. Bütün parçalar montajlandıktan sonra robotik tutucunun parmak ucunun hareket yörüngesinin eğriliği deneysel bir yöntemle ölçüldü. Daha sonra tutucunun kavrama kabiliyeti tut yerleştir işlemi ile incelendi. Çeşitli boyutlarda cisimlerin tutulması işlemi gerçekleştirildiği esnada parmak ucu ve cisim arasındaki temas yüzeylerinde kuvvet sensörleri ile ölçümler yapıldı. Böylece, en uygun şekilde tasarlanmış mekanizmanın kuvvet aktarımı deneysel ölçümlerle ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
The grasp ability in robotic systems affects the quality of the product, just as the ability of human hand affects. In this thesis, the optimum spherical four-link mechanism that provides the best trajectory of motion to be used as the drive mechanism for the robotic gripper finger was investigated.
First, the trajectory of motion on a spherical plane for the grasping process was schematically explained, and the optimization problem was defined, the objective and constraints of the optimization process were explained in detail. Subsequently, the properties and use of Ball-Burmester theory required to obtain this trajectory were explained. Hereby, the calculation of link dimensions was simplified by creating the Parametric Euler-Savary equation for spherical kinematics. A Harmonic Bee Algorithm with sufficient precision was developed to search for Ball-Burmester points. The optimization problem defined by this algorithm has been solved. Schematic mechanism designs were drawn using mathematical programs for the obtained results. The selection criteria were explained among the results obtained from the optimization algorithm. Thanks to the resulting dimensions, a three-finger robotic gripper prototype solid model consisting of a spherical four-link mechanism was designed. In this design, the coupler point of the spherical four-link mechanism was shaped as a fingertip. The grasp ability of the four-link mechanism for objects with various geometric properties was examined. Static force analysis of objects with various surfaces was performed and its success in grasping process was tested. The force that will occur at the fingertip along the motion trajectory of the spherical mechanism was calculated.
Secondly, suitable methods were determined for manufacturing the prototype with a solid model. Considering that it is economical, manufacturing was made at 80% filling and 50 µm precision by using ABS material in 3D printer technology. The intersection of the joint axes of the manufactured parts at a central point was controlled. After all parts were assembled, the curvature of the motion trajectory of the fingertip of the robotic gripper was measured by an experimental method. Later, the grasp capability of the gripper was examined using the pick-place procedure. Measurements were made with force sensors at the contact surfaces between the fingertip and the object while grasping objects of various sizes. Thus, the force transmission of the optimally designed mechanism was revealed by experimental measurements.