پديد آورنده :
رمضاني ورزنه، اميرحسين
عنوان :
مدلسازي مكاترونيكي آرايه هاي فشارسنج هوشمند پيزوالكتريك براي ربات هاي لمسي
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
سيستم هاي ديناميكي و مكاترونيكي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
هشت، 94ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
فشارسنج پيزوالكتريك , ادميتانس الكترومكانيكي , پيچيدگي اتصال هاي الكتريكي , پوست ربات , مدلسازي مكاترونيكي , شبيه سازي عددي
تاريخ ورود اطلاعات :
1402/08/16
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1402/08/20
چكيده فارسي :
با پيشرفت علم ربات و مهندسي ابزارهاي ارتباط ربات‌ها با پيرامون نيز در حال پيشرفت هستند. يكي از ابزارهاي ارتباط ربات با محيط، توانايي دريافت اطلاعات از راه تماس است. در اين پژوهش هدف، طراحي حسگر فشار پيزوالكتريك به شكل نرم تعيين گرديد تا براي پوست دست ربات قرار گيرد و كار شناسايي چيزها در هنگام تماس با آنها را انجام دهد. اين حسگرها به منظور دريافت اطلاعات بيان كننده‌ي توزيع فشار بكار گرفته شدند. يكي از چالش‌هاي حسگرهاي تماسي زياد بودن تعداد اتصال‌هاي الكتريكي آنها براي ايجاد يك شبكه بزرگ از آرايه‌ها به شكل مستقل است. در پژوهش حاضر براي كاهش اتصال‌ها، حسگرهاي فشار پيزوالكتريك در گونه‌هاي متفاوت از نظر فركانس كاري طراحي شدند. براي اين هدف واحدهاي حسگر با هندسه‌ي ديسك شكل و در دو لايه طراحي گرديد. لايه‌ي دي‌الكتريك نرم كه بر روي لايه‌ي پيزوالكتريك قرار گرفت و براي اندازهگيري فشار و افزايش حساسيت حسگر استفاده شد. با تغيير در هندسه‌ي لايه‌ها مانند شعاع، فركانس‌هاي تشديد متفاوت براي هر واحد ايجاد شدند. بازه‌ي اندازهگيري فشار 5 تا 20 كيلوپاسكال فرض شد و شعاع حسگر نيز بين 800 تا 1300 ميكرومتر انتخاب گرديد. چينش واحدها از لحاظ الكتريكي موازي تعيين گرديد و براي اندازهگيري فشار يك ولتاژ متناوب به الكترودهاي پيزوالكتريك و دي‌الكتريك وارد شد. با اندازهگيري جريان و ادميتانس الكتريكي واحدها، فشار محاسبه شد. واحدهاي حسگر با قرار گرفتن در يك بستر نرم يك آرايه را ايجاد كردند. بستر نرم براي افزودن نرمي به حسگرها افزوده شد تا براي كاربرد پوست دست ربات مناسب باشند. در اين طراحي تاثير جهت‌گيري قطبش پيزوالكتريك روي فركانس‌هاي تشديد هر واحد بررسي شد، همچنين يك مدل تحليلي براي محاسبه‌ي ادميتانس الكترومكانيكي حسگر ارايه شد. در اين تحقيق با تغيير در هندسه‌ي هر واحد از حسگر فركانس‌هاي كاري متفاوت ايجاد گرديد. مزيت استفاده از تغييرات هندسي براي ايجاد فركانس‌هاي كاري متفاوت آن است كه انجام اين تغييرات آسان تر از تغييرات الكتريكي است. همچنان كه تمركز پژوهش‌هاي قبلي براي ايجاد اين فركانس‌ها، تغيير در ظرفيت خازني و الكتريكي استفاده بود. در پژوهش حاضر علاوه‌بر تغيير شعاع حسگر، نشان داده شد تغييرات ضخامت نيز مي‌توانند براي ايجاد فركانس‌هاي كاري متفاوت استفاده شوند. براي اطمينان از تمايز داده‌هاي هر واحد، سه واحد از حسگر به صورت موازي مطالعه شدند. حل تئوري و شبيه‌سازي عددي انجام شد و با وجود افزايش حساسيت واحدها به كمك افزايش كرنش لايه‌ي دي‌الكتريك، تفكيك پذيري داده‌ها حفظ گرديد. در گام بعدي پارامترهايي كه بر حساسيت حسگر اثر دارند بررسي شدند و به كمك مدل تئوري نشان داده شد كه افزايش نرمي لايه‌ي دي‌الكتريك موثرترين راه براي افزايش حساسيت حسگر است. همچنين بر اساس مطالعه‌ي پارامتري، نسبت ضخامت دو لايه‌ي دي‌الكتريك و پيزوالكتريك تاثير چشمگيري در حساسيت حسگر نداشتند. به عنوان جمع‌بندي، اين پروژه با هدف طراحي حسگرهاي فشار با كمك مواد هوشمند و كاهش اتصال‌هاي الكتريكي انجام شد. حسگر ارايه شده ويژگي‌هاي لازم براي استفاده به عنوان پوست دست ربات را داشت. در كنار هدف اصلي پژوهش سعي شد ساير مواردي مانند حساسيت و تفكيك پذيري داده‌ها نيز بررسي شوند. در نهايت مدل‌هايي معرفي شدند كه مي‌توان در ادامه‌ي اين تحقيق از آنها در اين زمينه‌ي پژوهشي استفاده كرد.
چكيده انگليسي :
With the advancement of robotics science and engineering, tools for robots to communicate with their surroundings are in progress. One of these tools for robots with the environment is the ability to receive information through touch. The objective of this research was to design a tactile sensor, such as a soft piezoelectric pressure sensor to be placed on the robot's hand skin to identify objects during contact. These sensors were employed to receive information indicating the distribution of pressure. One of the challenges for designing this type of tactile sensor is a large number of arrays of electrical connections to produce a large network of touch areas to be also independent. In this study, to reduce the number of these array connections, the piezoelectric pressure sensors were designed with different working frequencies. To achieve this goal, the sensor units were designed in the form of different disk shapes with two layers. These layers were selected as a dielectric layer placed on a piezoelectric one. The dielectric layer was a soft one used for the pressure measurement and sensitivity enhancement. By altering the geometric dimensions of the layers, e.g., radii dimensions, different resonant frequencies were generated. In this study, the pressure measurement range for tactile sensing was assumed to be between 5 to 20 kPa and the radius of the sensor was selected to be between 800 to 1300 micrometers. The arrangement of units was determined to be electrically parallel, and an alternating voltage was applied to the piezoelectric and dielectric electrodes for pressure measurement. By measuring electric the current and admittance of the units, the pressure was calculated. The sensor units, placed on a soft substrate, formed an array. The soft substrate was added to provide flexibility to the sensors for usage on the robot's hand skin. In this design, the effect of the polarization direction of the piezoelectric on the resonant frequencies of each unit was investigated. Additionally, an analytical model for calculating the electromechanical admittance of the sensor was provided. Through this research, different operating frequencies were created for each unit of the sensor by making changes to its geometry. The advantage of using geometry changes to generate different operating frequencies is that it is easier compared to altering electrical properties. previous research focused on changes in electric inductance and capacitance properties to create different operating frequencies. This study explored various vibration modes and found that changing the thickness of the sensor unit, in addition to changing its radius, could also be utilized to create different operating frequencies. To ensure data area distinguishability between each array unit, the distinguishability of data for three sensor units was examined by both theoretical models and numerical simulations. The results showed that even with an increase in the sensor sensitivity by increasing the strain of the dielectric layer, data distinguishability between array units remained preserved. Furthermore, the parameters were investigated which would affect sensor sensitivity, and the theoretical model demonstrated that increasing the softness of the dielectric layer was the most effective way to enhance the sensor sensitivity in this model. Based on parametric studies it was shown that the thickness of both the dielectric and piezoelectric of the tactile sensor could not have any breaking effect on the sensor sensitivity. The main goal was to minimize the wiring complexity needed for the sensor arrays, and it was possible to identify and solve potential limitations during the research. The sensor was designed to provide excellent performance in terms of sensitivity and distinguishability. Some models were developed models for future research in this area.
استاد راهنما :
حميدرضا ميردامادي , مهدي سلماني تهراني
استاد داور :
سعيد بهبهاني , علي لقماني
