Pnömatik yapay kas tabanlı ve çalışma alanı değiştirilebilen esnek robotik kavrayıcı geliştirilmesi

Pnömatik yapay kaslar, hava basıncına maruz kaldığında kasılan ve biyolojik kasların doğal hareketlerine benzer şekilde tek yönlü çekme kuvveti uygulayan eyleyicilerdir. Her ne kadar pnömatik yapay kaslar, 1950'lerde McKibben yapay kasları adı altında keşfedilmiş olsa da günümüze kadar popülerlik kazanamamış, endüstriyel uygulamalarda geleneksel yöntemlerin yerini alamamıştır. Bugünlerde malzeme biliminin gelişiminden ivme kazanarak popüler hale gelen pnömatik yapay kaslar, bilimsel araştırmalarda tercih edilen bir alan olmuştur. Eğilen, burulan, kasılan gibi birçok çeşidi bulunan yapay kaslar, çalışma mantığı olarak aynı gözükseler de kendi içlerinde farklı kuvvet ve farklı kullanım alanları oluşturmaktadırlar. Bu çalışmada eğilen pnömatik yapay kas temelli esnek robotik kavrayıcı ele alınmıştır. Eğilen tür yapay kaslar, içerilerinde bulunan odacıklara basınç uygulandığında şişerek genişlemesi, uygulanan basınç kaldırıldığında ise eski haline geri dönmesi ile elde edilen çift yönlü eğilme hareketi oluşturulmasına olanak tanır. Eğilen pnömatik kasların bu özelliğinden faydalanarak, çalışma alanı genişletilebilen, kırılgan ve deforme olabilen cisimlere zarar vermeden farklı şekil ve boyutlardaki nesneleri kavrayabilen esnek robotik kavrayıcı geliştirilmiştir. Yapay kasın üretileceği malzemeyi belirlemek için farklı malzemelerden çekme testi numunesi üretilmiştir. Numunelerin üretimi için 3D yazıcı kullanılarak kalıplar oluşturulmuş ve silikon dökümler yapılmıştır. Ardından standartlara uygun çekme testleri yapılarak bu testler doğrultusunda belirlenmiş silikon malzeme ile yapay kasların üretimi yapılmıştır. Geliştirme sürecinde bilgisayar destekli tasarım metotları ile 3 farklı eğilen pnömatik yapay kas tasarlanmış ve eğilme performanslarını incelemek amacıyla sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Tasarlanan kasları oluşturmak için 3D yazıcı kullanarak imal edilecek olan kalıplar kurgulanıp üretilmiştir. Üretilen yapay kaslar belirli testlere tabi tutularak farklı basınçlardaki kuvvet ve dönme açısı verileri elde edilmiştir. Deneysel çalışmadaki sonuçlar incelenerek kavrayıcıda kullanılacak olan nihai yapay kas belirlenmiştir. Nihai yapay kasın belirlenmesinin ardından silikon kasları kontrol edecek bir sistem tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu bağlamda robotik kavrayıcının; 4 adet eğilen pnömatik yapay kasa sahip olması, çalışma alanının yatay olarak 50x50 mm ile 200x200 mm arasında, dikey olarak ise 330 mm kadar değişebilmesi, kütlesi 600 g'a kadar olan farklı yapılarda ve geometrilerdeki cisimleri kavrayabilmesi hedeflenmiştir. Kavrayıcının kontrolü için görüntü işleme algoritması kullanılmıştır. Sistem bir kamera yardımıyla manipüle edeceği nesnenin boyutlarını algılayarak ön kavrama pozisyonunu ayarlayabilmiştir. Tutuş pozisyonu optimum konuma getirildiğinde parmaklara basınç verilerek kavrama işlemi başlamış ve nesne zeminden ayrılıp yukarı doğru kaldırılmıştır. Esnek robotik kavrayıcı ile yapılan deneyler sonucunda; kavrayıcının maksimum 0,8 bar'da 600 g kütle kaldırabildiği, 600 g'dan fazla kütleler için step motorların yetersiz kaldığı, 12 mm'den ince nesnelerin kavranamadığı, nesne inceldikçe basıncın düşmesi ile kavrama veriminin arttığı ve yalnızca kare ve dikdörtgen kesitli nesnelerin manipüle edildiği gözlemlenmiştir.