Optik temelli dokunmatik bir prototip algılayıcının gerçekleştirilmesi ve geliştirilmesi

Abstract

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 protitipi gerçekleştirmek ve geliştirmek, bu teknolojiyi bilimsel yöntemlerle irdelemek ve tanımlamaktır.