Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi

KONUKSEVEN, Erhan İlhan; TAŞCIOĞLU, Yiğit

Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi

Yürütücü

Yiğit TAŞCIOĞLU (TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Söğütözü, Ankara)

Araştırmacı(lar)

Erhan İlhan KONUKSEVEN (ODTÜ Müh. Fakültesi, Makine Müh. Bölümü, Ankara, Türkiye)

5 1

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 41 Proje No: 115M019 Proje Bitiş Tarihi: 01.05.2016 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 19-11-2019

Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi

Öz:

Haptik arayüzlerde şeffaflığı azaltmadan empedans genişliğini arttırmak için akademik literatürde en çok başvurulan yöntem, elektrik motorlarının sönümleyici ve fren gibi pasif cihazlarla birlikte kullanımıdır. Bu cihazların motorlara sadece büyük empedanslar gerçeklenirken destek olmaları, küçük empedanslarda ise olabildiğince şeffaf olmaları gerekmektedir. Bu amaç için tasarlanacak bir cihazın yüksek tork üretmesi, hafif ve küçük boyutlu olması, elektronik olarak kontrol edilebilmesi ve hızlı tepki vermesi gerektiğinden araştırmacılar, birkaç istisna dışında, manyetoreolojik (MR) cihazlara yönelmiştir. MR cihazlar; viskoziteleri manyetik alan uygulandığında hızlıca artan (örn. 10 ms), alan kaldırıldığında ise yine hızlı bir şekilde eski haline dönen manyetoreolojik sıvılar (MRS) sayesinde çalışır. Manyetik alan cihaza entegre edilmiş elektromıknatıslar yardımıyla oluşturulabileceğinden, MR cihazların davranışı elektronik olarak kontrol edilebilir. Haptik uygulamalarda kullanılan MR cihazlar, bu teknolojiyi daha uzun süredir kullanan, otomotiv ve makina sektörlerindeki uygulamalar için geliştirilmiş tasarımların küçültülmesiyle ortaya çıkmıştır. Bu tasarımlarda MRS, cihazın gövdesi ile rotoru arasına doldurulmaktadır. Sıvı kaybı cihazın davranışını değiştireceğinden sızdırmazlığın sağlanması şarttır ve bunun için keçeler (O-ring) kullanılır. Keçelerden kaynaklanan sürtünme kuvvetleri, büyük ölçekli cihazların kullanıldığı uygulamalarda (örn. otomotiv) önemsiz sayılabilse de, haptik uygulamalarında şeffaflığı olumsuz etkilemektedir. Bu projede, MRS?nin ince cidarlı, esnek bir haznenin içinde kapalı-çevrim taşındığı özgün bir döner MR sönümleyici geliştirilmiştir. Sağlık sektöründe sıklıkla kullanılan peristaltik pompa mantığına benzer şekilde çalışan sönümleyicide MRS kapalı haznenin içinde kalıp hareketli parçalara doğrudan temas etmemektedir. Bu sayede sızdırmazlık keçe olmadan sağlanarak sürtünme azaltılmıştır. Öncelikle cihazın elektromanyetik tasarımı ve buna bağlı olarak boyutlandırması bir sonlu elemanlar yazılımı yardımıyla yapılmıştır. Sonrasında, tasarım detaylandırılıp prototip üretilmiş ve bir test düzeneği kurularak deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler sonucunda cihazın üretebildiği maksimum ve minimum tork değerleri ile tepki süresi belirlenmiştir, elde edilen bulgular literatürde haptik uygulamalarda kullanılan benzer boyuttaki örneklerle karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelime: peristaltik pompa manyetoreolojik sönümleyici kuvvet geri besleme haptik

Konular: Mühendislik, Makine

Erişim Türü: Erişime Açık

An, J., Kwon, D.-S. 2002. "Haptic experimentation on a hybrid active/passive force feedback device", 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 4217– 4222.
An, J., Kwon, D.-S. 2006a. "Virtual Friction Display of Hybrid Force Feedback Interface with Actuators Comprising DC Motor and Magnetorheological Brake", IECON 2006 - 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, 3997–4002.
An, J., Kwon, D.-S. 2006b. "Stability and Performance of Haptic Interfaces with Active/Passive Actuators--Theory and Experiments", The International Journal of Robotics Research, 25(11), 1121–1136.
Avraam, M., Horodinca, M., Romanescu, I., Preumont, A. 2010. "Computer Controlled Rotational MR-brake for Wrist Rehabilitation Device", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 21(15), 1543–1557.
Carlson, J.D., Jolly, M.R. 2000. "MR fluid, foam and elastomer devices", Mechatronics, 10, 555–569.
Carlson, J.D. 2003. “Critical factors for MR fluids in vehicle systems”, International Journal of Vehicle Design, 33, 207-217.
Choi, Y.T., Cho, J.U., Choi, S.B., Wereley, N.M. 2005. "Constitutive models of electrorheological and magnetorheological fluids using viscometers", Smart Materials and Structures, 14(5), 1025–1036.
Dai, S., Du, C., Yu, G. 2013. "Design, testing and analysis of a novel composite magnetorheological fluid clutch", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 24(14), 1675–1682.
Demersseman, R., Hafez, M., Lemaire-Semail, B., Clenet, S. 2008. "Magnetorheological brake for haptic rendering". Haptics: Perception, Devices and Scenarios. Berlin/Heidelberg: Springer.
Dyke, S., Spencer, B., Sain, M., Carlson, J. 1996. "Modeling and control of magnetorheological dampers for seismic response reduction", Smart Materials and Structures, 5, 565–575.
Farjoud, A., Vahdati, N. 2007. "Mathematical Model of Drum-type MR Brakes using Herschel-Bulkley Shear Model", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 19(5), 565–572.
Giorgetti, A, Baldanzini, N., Biasiotto, M., Citti, P. 2010. "Design and testing of a MRF rotational damper for vehicle applications", Smart Materials and Structures, 19(6), 065006.
Grunwald, A., Olabi, A. 2008. "Design of magneto-rheological (MR) valve", Sensors and Actuators A: Physical, 148(1), 211–223.
Gudmundsson, K.H., Jonsdottir, F., Thorsteinsson, F. 2010. "A geometrical optimization of a magneto-rheological rotary brake in a prosthetic knee", Smart Materials and Structures, 19(3), 035023.
Guo, H., Liao, W.H. 2011. “Optimization of a multifunctional actuator utilizing magnetorheological fluids”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 67-72.
Huang, J., Zhang, J., Yang, Y., Wei, Y. 2002. "Analysis and design of a cylindrical magneto- rheological fluid brake", Journal of Materials Processing Technology, 129(1-3), 559–562.
Imaduddin, F., Mazlan, S.A., Zamzuri, H. 2013. "A design and modelling review of rotary magnetorheological damper", Materials & Design, 51, 575–591.
Karakoc, K., Park, E.J., Suleman, A. 2008. "Design considerations for an automotive magnetorheological brake", Mechatronics, 18(8), 434–447.
Kavlicoglu, B.M., Gordaninejad, F., Wang, X. 2013. "Study of a magnetorheological grease clutch", Smart Materials and Structures, 22(12), 125030.
Kciuk, M., Turczyn, R. 2006. "Properties and application of magnetorheological fluids", Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 18(1), 127–130.
Kikuchi, T., Ikeda, K., Otsuki, K., Kakehashi, T., Furusho, J. 2009. "Compact MR fluid clutch device for human-friendly actuator", Journal of Physics: Conference Series, 149, 012059.
Kikuchi, T., Kobayashi, K. 2011. "Design and Development of Cylindrical MR Fluid Brake with Multi-Coil Structure", Journal of System Design and Dynamics, 5(7), 1471–1484.
Li, W., Yadmellat, P., Kermani, M.R. 2014a. "Linearized Torque Actuation Using FPGA- Controlled Magnetorheological Actuators", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1–9.
Li, W., Yadmellat, P., Kermani, M.R. 2014b. "Design optimization and comparison of magneto-rheological actuators", 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 5050–5055.
Li, W.H., Du, H. 2003. "Design and Experimental Evaluation of a Magnetorheological Brake", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21(7), 508–515.
Liu, B., Li, W.H., Kosasih, P.B., Zhang, X.Z. 2006. "Development of an MR-brake-based haptic device", Smart Materials and Structures, 15(6), 1960–1966.
LORD Corp.. “RD-8040-1 and RD-8041-1 Dampers”. http://www.lordmrstore.com/_literature_192929/Data_Sheet_DS_RD-8040-1_and_RD-8041-1 Son erişim tarihi: 15 Haziran 2016a
LORD Corp.. “MRF-122EG”, “MRF-132DG”, “MRF-140CG”. http://www.lordmrstore.com/ Son erişim tarihi: 15 Haziran 2016b
Meeker, D. 2015 “Finite Element Method Magnetics (FEMM) - Version 4.2 User’s Manual”. http://www.femm.info/ Son erişim tarihi: 15 Haziran 2016
Naito, H., Akazawa, Y., Tagaya, K., Matsumoto, T., Tanaka, M. 2009. "An Ankle-Foot Orthosis with a Variable-Resistance Ankle Joint Using a Magnetorheological-Fluid Rotary Damper", Journal of Biomechanical Science and Engineering, 4(2), 182–191.
Najmaei, N., Yadmellat, P., Kermani, M.R., Patel, R. V. 2014a. "Application of Magneto- Rheological Fluid based clutches for improved performance in haptic interfaces", 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 832–837.
Najmaei, N., Kermani, M., Patel, R. 2014b. "Suitability of Small-Scale Magnetorheological Fluid-Based Clutches in Haptic Interfaces for Improved Performance", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Basım aşamasında.
Nguyen, Q.H., Choi, S.B. 2012a. "Optimal Design of a T-Shaped Drum-Type Brake for Motorcycle Utilizing Magnetorheological Fluid", Mechanics Based Design of Structures and Machines, 40(2), 153–162.
Nguyen, Q.H., Choi, S.B. 2012b. "Selection of magnetorheological brake types via optimal design considering maximum torque and constrained volume", Smart Materials and Structures, 21(1), 015012.
Nguyen, Q.H., Choi, S.B. 2012c. "Optimal design of a novel hybrid MR brake for motorcycles considering axial and radial magnetic flux", Smart Materials and Structures, 21(5), 055003.
Park, E.J., Stoikov, D., Falcao da Luz, L., Suleman, A. 2006. "A performance evaluation of an automotive magnetorheological brake design with a sliding mode controller", Mechatronics, 16(7), 405–416.
Poznić, A., Zelić, A., Szabó, L. 2012. "Magnetorheological Fluid Brake–Basic Performances Testing with Magnetic Field Efficiency Improvement Proposal", Hungarian Journal of Industry and Chemistry, 40(2), 113–119.
Rabinow, J. 1948. "The magnetic fluid clutch", AIEE Transactions, 67, 1308–1315.
Reed, M., Book, W. 2004. "Modeling and control of an improved dissipative passive haptic display", 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation (ICRA), 311–318.
Rossa, C., Jaegy, A., Lozada, J., Micaelli, A. 2014. "Design Considerations for Magnetorheological Brakes", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19(5), 1669–1680.
Senkal, D., Gurocak, H. 2010. "Serpentine flux path for high torque MRF brakes in haptics applications", Mechatronics, 20(3), 377–383.
Shiao, Y., Nguyen, Q.-A. 2013. "Development of a multi-pole magnetorheological brake", Smart Materials and Structures, 22(6), 065008.
Ulicny J.C., Balogh M.P., Potter N.M., Waldo R.A. 2007. “Magnetorheological fluid durability test—iron analysis”, Material Science and Engineering A, 443, 16–24.
Wang, D.H., Liao, W.H. 2011. "Magnetorheological fluid dampers: a review of parametric modelling", Smart Materials and Structures, 20(2), 023001.
Yadmellat, P., Kermani, M.R. 2013. "Adaptive hysteresis compensation for a magneto- rheological robot actuator", 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 4900–4905.
Yang, G., Spencer, B.F., Carlson, J.D., Sain, M.K. 2002. "Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance considerations", Engineering Structures, 24(3), 309– 323.
Yoo, J., Wereley, N. 2002. "Design of a high-efficiency magnetorheological valve", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 13(10), 679–685.
York, T.M., Gilmore C.D., Libertiny T.G. 1997. “Magnetorheological fluid coupling device and torque load simulator system”, US patent 5,598,908.
Zhou, W., Chew, C.-M., Hong, G.-S. 2007. "Development of a compact double-disk magneto-rheological fluid brake", Robotica, 25(04), 493.

APA	TAŞCIOĞLU Y, KONUKSEVEN E (2016). Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. , 1 - 41.
Chicago	TAŞCIOĞLU Yiğit,KONUKSEVEN Erhan İlhan Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. (2016): 1 - 41.
MLA	TAŞCIOĞLU Yiğit,KONUKSEVEN Erhan İlhan Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. , 2016, ss.1 - 41.
AMA	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. . 2016; 1 - 41.
Vancouver	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. . 2016; 1 - 41.
IEEE	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E "Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi." , ss.1 - 41, 2016.
ISNAD	TAŞCIOĞLU, Yiğit - KONUKSEVEN, Erhan İlhan. "Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi". (2016), 1-41.

APA	TAŞCIOĞLU Y, KONUKSEVEN E (2016). Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. , 1 - 41.
Chicago	TAŞCIOĞLU Yiğit,KONUKSEVEN Erhan İlhan Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. (2016): 1 - 41.
MLA	TAŞCIOĞLU Yiğit,KONUKSEVEN Erhan İlhan Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. , 2016, ss.1 - 41.
AMA	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. . 2016; 1 - 41.
Vancouver	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi. . 2016; 1 - 41.
IEEE	TAŞCIOĞLU Y,KONUKSEVEN E "Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi." , ss.1 - 41, 2016.
ISNAD	TAŞCIOĞLU, Yiğit - KONUKSEVEN, Erhan İlhan. "Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi". (2016), 1-41.