Design, characterization, and applications of soft 3d printed strain gauges

Kablosuz minyatür robotlara entegre edilebilen yumuşak sensörlerin geliştirilmesi, özellikle deprem sonrası yıkılmış binalarda çevresel algılamayı artırmak açısından önemlidir. Temel amaç, makine öğrenmesi, yapay zeka veya optimizasyon gibi veri tabanlı yöntemlere ihtiyaç duymadan, robotlarda yapısal ve algısal işlev gören güvenilir yumuşak sensörler tasarlamak ve üretmektir. Yumuşak sensörler, gerilim ölçerlere benzer şekilde direnç ölçümü yaparak mekanik hareket veya şekil değişiklikleri altında direnç değişimini voltaj değişimine dönüştüren Wheatstone köprüsü kullanmaktadır. Çalışma, iki farklı yumuşak sensör tasarımını araştırmaktadır: levha tipi ve üç boyutlu sensörler. Levha tipi sensörler, bir yumuşak dört ayaklı robotun (SQuad) C-bacaklarına gömülerek yürüme kontrolünü sağlamaktadır. üç boyutlu sensörler ise robotlara yapısal olarak entegre edilerek çevresel algılamayı artırmaktadır. Yumuşak sensörlerin üretimi, iletken Termoplastik Poliüretan (cTPU) malzemesinin kullanıldığı üç boyutlu (3B) baskı teknolojisiyle kolaylaştırılmıştır. Yumuşak sensörlerin, robotlara entegrasyonunda yumuşak yapının, hareket kabiliyetinin ve çevikliğin korunması gibi zorluklar ortaya çıkmaktadır. Bu tez, yumuşak sensör kavramını farklı robotlara ve bileşenlerine uygulayarak bu zorluklara çözüm getirmektedir. Uygulanan robotlar ve bileşenler arasında SQuad robotunun C-bacağı, modüler yumuşak dört ayaklı (M-SQuad), süspansiyonlu yumuşak dört ayaklı (S-SQuad), Sensörlü Çarpışmaya Dayanıklı Robot (SCoReR) ve Yeniden Yapılandırılabilir Minyatür Modüler Robot (ReMBot) için bir kuyruk bulunmaktadır. Yumuşak sensörler, bu robotlara yürüme kontrol geri bildirimi, engel tespiti, eğim tespiti ve çarpışma algılama gibi çeşitli işlevler sağlayarak robotların fiziksel olarak zorlu ortamlarda daha uyarlanabilir olmasını sağlamaktadır. Tez, 3B baskıyla üretilebilen yumuşak üç boyutlu gerilme ölçerlerinin potansiyelini vurgulamaktadır. Bu sensörlerin kolay üretilebilmesi ve maliyet-etkin olması, giyilebilir robotlar ve insan-bilgisayar arayüzleri gibi uygulamalarda umut vaat etmektedir. Gelecek yönelimler, sensör karakterizasyon deneylerinin detaylı olarak yapılması ve güvenilirliği artırmak için algılama algoritmalarının geliştirilmesi gerekliliğine vurgu yapmaktadır. Ayrıca, bobin şekilli sensörlerin dinamik bir modelinin önerilerek, tasarım sürecinin tekrarlayan üretim aşamaları olmadan daha verimli hale getirilmesi hedeflenmektedir. Sonuç olarak, bu tez, güvenilir yumuşak sensör tasarımını, üretimini ve kablosuz minyatür robotlara entegrasyonunu sunmaktadır. Bu çalışmanın sonucunda, yumuşak sensörlerin çevresel algılamayı artırmada etkinliği kanıtlanmış ve kuvvet ölçümü uygulamaları ve insan-bilgisayar etkileşimlerinde yenilikçi çözümlere yol açabilecek potansiyeli ortaya konmuştur.