Mekatronik Mühendisliği

Investigation and experimental verification of untethered microrobot motion behavior subject to laminar flow

Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT

Investigation and experimental verification of untethered microrobot motion behavior subject to laminar flow Demirçalı, Ali Anıl Untethered manipulation of microrobots is emerging as a promising field of research in medical and biological applications. This study presents an untethered micromanipulation technique to control magnetic microrobot with high precision positional accuracy inside a microfluidic channel. It is aimed to develop an untethered microrobotic platform that can operate on high flow rate microfluidic channels for in vitro applications. Firstly, a novel diamagnetic untethered levitation configuration is used in order to eliminate the friction force between the substrate’s surface and the microrobot. Secondly, the drag force acting on the microrobot is decreased to move microrobot longitudinally towards and against the flow. After that, the liquid media’s hydrodynamic effects on microrobot is optimized by finite element method (FEM) simulations in COMSOLR (version 5.3, COMSOL Inc., Stockholm, Sweden). Analytical and simulation studies are conducted, which are then validated by experimental results to demonstrate the advantages of the developed platform. Experimental results are on par with analytical and simulation studies and this platform significantly improves the longitudinal forces on the microrobot. Moreover, it also provides a more stable lateral motion in fluidic channels where a high rate flow is present. An increase in flow rate exponentially increases the drag force on the microrobot and negatively impacts its positioning accuracy. Increasing the longitudinal force generated by the microrobot’s driving apparatus helps disrupt the fluid flow and increases longitudinal motion stability. No prior study exists that investigates the longitudinal motion of a microrobot for high flow velocities (>∼ 5mm/s). Longitudinal force investigation is an important topic for increasing the applicability of microrobots in many areas such as cell research, micromanipulation, and lab-on-a-chips. The following points are achieved in the relevant study and their details are given: - The microrobot can move in three dimensions and two orientations in a liquid environment. - The microrobot stable levitation range is determined between 30 µm to 330 µm. This range is also confirmed with simulation and experimental studies. Furthermore, the microrobot capable of tracking desired trajectory with the accuracy of <1 µm at varying speed. Also, the levitation height can be adjusted in the stable working range. - Rule-based, laser-feedback, visual-feedback, and hybrid model controllers are designed for reducing the microrobot orientation at higher speeds. - Demonstration the ability of a microrobot in a square-shaped microfluidic channel follow a linear trajectory with a relative flow velocity up to 132.6 mm/s. Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021

Bir tümör protezi uzatma modülünün tasarımı, analizi ve zeki kontrolü

Tue, 01 Jan 2019 00:00:00 GMT

Bir tümör protezi uzatma modülünün tasarımı, analizi ve zeki kontrolü Kocaoğlu, Sıtkı Günümüzde uzatılabilir protez kullanan kemik kanseri hastaları yaşa bağlı olarak büyümeleri devam ettiği sürece uzuv uzunluk farkının belirlenmesi ve gerektiğinde uzatma işleminin yapılması için sık sık kliniğe gitmek zorundadırlar. Bu durum, hastanın günlük hayatını zorlaştırmanın yanı sıra hekim iş yükünün artması, hastanın her ölçümde radyasyona maruz kalması, uzatma işleminin belirli periyotlarda yapılmasından kaynaklı olarak daha büyük boyutta yapılması, buna bağlı olarak hasta konforunun düşmesi ve hekim iş yükünün artması gibi sorunları beraberinde getirmektedir. Bu çalışmada, bahsedilen sorunların ortadan kaldırılması için uzama ihtiyacını donanım ve zeki kontrol yapısı sayesinde belirleyen ve buna uygun olarak uzayabilen bir biyomekatronik tümör protezi geliştirilmiştir. Hastanın sağlıklı uzvu ile protezli uzuv arasındaki uzunluk farkının belirlenebilmesi için bir giyilebilir sensör tasarlanmıştır. Sistem bileşenleri prototip olarak üretilmiş, deney düzeneği oluşturulmuş ve sistemin kullanımı esnasında ortaya çıkabilecek sorunların ve bunlara yönelik çözüm yöntemlerinin belirlenmesi için hata modu ve etkileri analizi yapılmıştır. Uzatma işleminin güvenle yapılabilmesi için makine öğrenmesi kullanarak hasta postür durumu kestirimi yapılmıştır. Tasarlanan protezin simülasyon ortamında mekanik analizi yapılmış, prototipi üretilmiş, kablosuz haberleşme ve kontrol sistemi oluşturularak deney düzeneği üzerinde performansı test edilmiştir. Sağlıklı uzuv ile protezli uzuv arasında oluşacak 1 mm ve üzerindeki uzunluk farkları sistem tarafından algılanabilmiş, karşılaşılabilecek maksimum yumuşak doku direnci karşısında protez uzatma işlemi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019

Linear matrix inequalıty based robust control for multi degrees of freedom hybrid electromagnetic vibration isolation

Tue, 01 Jan 2019 00:00:00 GMT

Linear matrix inequalıty based robust control for multi degrees of freedom hybrid electromagnetic vibration isolation Yalçın, Barış Can Vibration isolation systems based on hybrid electromagnets, consisting of electromagnets and permanent magnets, have potential usage in many industrial fields, such as clean room design, stewart platform design, transportation, semiconductor manufacturing, suspension systems, and robotic surgery etc. due to providing mechanical contact free vibration isolation. Besides, a simple electromagnet has the ability of acting as if it is virtual spring or damping element. Using permanent magnets in the electromagnet structure has some crucial advantages, such as a minimized volume and a more compact structure. Furthermore, the necessary equalizer force for levitation can be generated by only the permanent magnet(s), which means, by using hybrid electromagnets, magnetic levitation can be achieved with considerably low energy consumption against different disturbance characteristics. This property is called zero-power behavior. However, the main problems of magnetic levitation process is that it has highly nonlinear nature. Even if it can be linearized, it has unstable pole(s), which makes the system vulnerable in terms of stability. In recent years, linear matrix inequality-based design of controllers has received considerable attention and become very popular due to their ability to satisfy multi-objective requirements. Yet, LMI based H2 state-feedback controllers, having gap, acceleration, current and voltage values in state-vector, for a 3-DoF vibration isolation stage having 4-pole hybrid electromagnets, have not been investigated so far. In the thesis, it has been studied whether there is a convex solution space for Lyapunov matrix inequalities to deal with multi-directional mechanic disturbances. LMI type of controller is structured to minimize the influence of both ground and direct disturbances varying at different magnitudes and frequencies on vibration isolation, zero-power, and protection of the levitation purposes. Moreover, the experimental setup used in this thesis has been designed to meet aforementioned purposes. The setup's design parameters of the experimental setup are explicitly given and the effectiveness of the proposed method is shown with the experimental results. Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019

Teşhis ve tedavi amaçlı zeki robotik rehabilitasyon sistemi

Mon, 01 Jan 2018 00:00:00 GMT

Teşhis ve tedavi amaçlı zeki robotik rehabilitasyon sistemi Aktan, Mehmet Emin Bu tez çalışmasında, bilek ve önkol rehabilitasyonu sürecinde fizyoterapist ve doktorlara teşhis ve tedavide yardımcı olmak üzere zeki bir robotik rehabilitasyon sisteminin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda biyomekanik ölçümleri yapan ve aynı anda iki hastanın tedavisinin mümkün olduğu, konvansiyonel terapatik egzersiz türleri olan pasif, aktif yardımlı, germe, izometrik, izotonik ve rezistif egzersizlerin yanı sıra eklem hareket açıklığına göre değişken direncin uygulandığı değişken dirençli rezistif (vario – rezistif) egzersizleri gerçekleştirebilen özgün bir robotik sistem tasarlanmış ve üretilmiştir. Sistemin kontrolü için bireylerin fiziksel özellikleri (yaş, cinsiyet, boy, kilo, kolun periferik ölçümleri) ile biyomekanik ölçümlerini (sıkma kuvveti, eklem hareket açıklığı, eklem kuvvet/tork değerleri) kullanarak bilgi ve kural tabanlı algoritmalar ile bireyin eklem hareket açıklığı ve eklem kuvvet/tork değerlerindeki eksikliği teşhis eden, bu eksiklik derecesine göre egzersiz tür ve parametrelerini uzmanlara öneren, konvansiyonel kontrol metotları ile tedavi amaçlı olarak terapatik egzersizleri gerçekleştiren yapay zekâ tabanlı bir zeki kontrolcü yapısı geliştirilmiştir. Sistem, fizik tedavi ve rehabilitasyon sürecinde hasta, uzman ve robot arasında iletişimi sağlayan, uzmanların süreci uzaktan izleyerek müdahale edebildiği bir mobil uygulamaya sahiptir. Sağlıklı ve hasta gönüllülerle yapılan testler sonucunda, geliştirilen zeki robotik rehabilitasyon sisteminin bilek ve önkol fizik tedavi ve rehabilitasyonunda hem teşhis hem de tedaviyi gerçekleştirebildiği gösterilmiştir. Bu çalışmanın literatüre katkısı, geliştirilen özgün zeki kontrolcü yapısı ve robotik mekanizma sayesinde üst uzuvların fizik tedavi ve rehabilitasyonunda teşhis ve tedaviyi yapabilmesidir. Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018