Elektro-Aktif Üç Katmanlı Konjuge Bir Polimer

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Elektro-Aktif Üç Katmanlı Konjuge Bir Polimer Eyleyicinin Hibrit Kontrolü
Hybrid Control of A Conjugated Tri-Layer Electro-Active Polymer Actuator
Caner Sancak1 , Mustafa Yavuz Coşkun2 , Mehmet İtik3
1
Makine Mühendisliği Bölümü
Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon
[email protected]
2
Makine Mühendisliği Bölümü
Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon
[email protected]
3
Makine Mühendisliği Bölümü
Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon
[email protected]
cantilevered actuator by using system identification. Vision based system is used to acquire for the tip displacement data both
in system identification and control processes. Experimental results show that, the actuator is capable of performing given scenario which also indicated that the actuator is promising for cell
injection systems.
Özetçe
Bu çalışmada, konjuge tip bir elektro-aktif polimer (EAP) eyleyicinin belirlenen bir senaryoya uygun olarak bir dizi konum
takibi ve kuvvet uygulama işlemlerinin gerçekleştirilmesi ayrık zamanlı olarak tasarlanan klasik PI kontrolcüler ile yapılmıştır. Belirlenen senaryo hücre enjeksiyon sistemlerinde uygulanan işlemlerin hücreye yaklaşma, hücre zarıyla etkileşime
girme ve hücreden uzaklaşma kısımlarının basitleştirilmiş halini içermektedir. Ayrık zamanlı PI kontrolcülerin tasarımında
kullanılmak üzere konum ve kuvvet bilgisini veren ayrık zamanlı transfer fonksiyonları bir ucu sabit tutulan eyleyicinin
serbest ucunun konumu ve uyguladığı kuvvet referans alınarak sistem tanılama yöntemiyle elde edilmiştir. Konumu veren
transfer fonksiyonunun eldesi ve konum kontrolü için görüntü
tabanlı takip sistemi kullanılmıştır. Deney sonuçları eyleyicinin
verilen senaryoyu başarıyla uygulayabileceğini ortaya koymaktadır. Dolayısı ile çalışmanın sonuçları, konjuge EAP eyleyicilerin hücre enjeksiyonlama sistemlerinde kullanılabilmesi açısından umut vericidir.
1. Giriş
Elektro-aktif polimer (EAP) eyleyiciler elektriksel gerilim altında şekil değişikliği gösterebilen akıllı malzemelerdir. Uygulanan düşük elektrik gerilimi karşısında yüksek gerinim ( < %
30) değişimleri verirler [1]. EAP’ler yaygın olarak algılayıcı ve
eyleyici olarak kullanılırlar [2, 3]. Elektriksel gerilim altındaki
şekil değişimleri mikro mekanizmalara tahrik verilmesi, yapay
kas ve aktif titreşim kontrolü gibi alanlarda kullanılabilmelerine olanak sağlar [2–4]. Eyleyici olarak kullanıldıkları alanlara örnek olarak mikro-nano manipülasyon [5], ilaç iletim sistemleri [6] ve mikro akış kontrolü [7] verilebilir. Genel olarak
kullanılan ve geleneksel olarak adlandırılan tahrik mekanizmalarına kıyasla hafiflik, esneyebilme kabiliyeti, yüksek kırılma
toleransı, düşük maliyetli ve biyo-uyumlu olmaları EAP’lerin
kullanım alanını artıran unsurlardır [2–4, 8–13].
EAP eyleyiciler hareket mekanizmalarına bağlı olarak ikiye
ayrılırlar: İyonik ve elektronik EAP eyleyiciler. Çalışmada konjuge tip bir iyonik EAP eyleyici kullanılmıştır. İyonik eyleyicilerin tahriki iyonların belirli bir elektrik alanı altında yer değiştirmesi ile meydana gelir. Düşük voltajlarda (< 5V ) aktive edilebilmeleri iyonik EAP eyleyicilerin en önemli avantajlarından
biridir. Konjuge EAP eyleyiciler, iyonik EAP eyleyicilerin bir
türüdür. Bahsedilen avantajlarının yanında biyo-uyumlu olmaları, bu tip eyleyicileri biyomedikal uygulamalar için öncelikli
tercih haline getirmektedir.
Abstract
In this study, displacement and blocking force of the tip point
of a cantilevered conjugated electro-active polymer (EAP) actuator have been controlled by using discrete time PI controllers
in accordance with a determined scenario. The scenario includes the simplified steps of a cell injection process, which are
approaching the cell, interaction with the cell membrane and leaving from the cell. Two discrete time transfer functions which
are used to design the discrete time PI controllers, are obtained
from position and force response of the free tip point of the
Bu çalışmada, bir ucu sabitlenen konjuge tip bir iyonik poli15
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
mer eyleyici (İPE) kullanılarak belirlenen bir senaryo dahilinde
serbest ucunun konum ve kuvvet kontrolü yapılmıştır. Belirlenen senaryo hücre enjeksiyon sistemlerinde uygulanan adımların [14] bir kısmının basitleştirilmiş halini içermektedir:
• Hücreye yaklaşma,
• Hücre zarı ile etkileşime geçme,
Ka
t
yon
• Hücreden uzaklaşma.
Anyon
Senaryo makro ölçekte deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Serbest ucundaki konum değişikliği kontrol edilmek istenen konjuge İPE ve eyleyicinin serbest ucunun konum bilgisini almak
için kullanılan görüntü işleme teknikleri sırasıyla 2. ve 3. bölümde anlatılmıştır. 4. ve 5. bölümlerde deneysel kurulum ve
sistem tanılama ile deneysel çalışmalardan bahsedilerek elde
edilen sonuçlar paylaşılmıştır. Son bölümde ise sonuçlar değerlendirilmiştir.
El
e
kt
r
on
İ
ndr
ge
ne
n
ka
t
ma
n
2. Üç Katmanlı Konjuge Iyonik
Elektro-Aktif Polimer Eyleyici
Şekil 2: Şekil değişikliği gösteren üç katmanlı konjuge iyonik
EAP.
Bu çalışmada kullanılan konjuge İPE üç katmanlı bir yapıya sahip olup, boyutları 20x5x0.17 mm’dir. Dış yüzeylerinde her biri
30 µm kalınlığında polipirol (PPy) katman vardır. Bu katmanlar
eyleyicinin elektro-aktif kısımlarını teşkil etmektedir. Elektroaktif kısımların arasında ise 110 µm kalınlığında polyvinylidene fluoride (PVDF) katman bulunmaktadır (Şekil 1). PVDF
gözenekli yapısı sayesinde eyleyicinin hareket etmesi için gerekli olan iyonik sıvıyı içerisinde barındırır, böylelikle eyleyicinin kuru ortamlarda çalışabilmesi sağlanmış olur [11, 12]. İyon
kaynağı olarak lityum triflouromethanesulfonimide (Li+ TFSI- )
elektrolit sıvı kullanılmıştır. PVDF katmanın her iki yüzeyi 0.2
µm kalınlığında altın tabaka ile kaplanarak eyleyicinin iletkenliği arttırılmıştır.
Yükseltgenme
======
⇒ P P y + T F SI − + e−
P P y + T F SI − ⇐
Polpr
ol
İ
l
e
t
ke
nPolme
r
(1)
İndirgenme
Redoks tepkimesi sonucunda eyleyici daralma olan tarafa
doğru bükülür (Şekil 2). Bükülme sonucu eyleyicinin serbest
ucunda büyük miktarda yer değişimi olur. Gerilim farkı uygulanan eyleyicinin uç kısmının hareketi engellendiğinde ise eyleyici hareketin engellendiği yöne doğru kuvvet uygular. Bu kuvvet de eyleyicinin uç noktasının yer değiştirmesi genel olarak
lineer bir dinamik ile ifade edilebilir.
3. Görüntü İşleme
Ka
t
yon
PVDF
Yüks
e
l
t
ge
ne
n
ka
t
ma
n
Anyon
Görüntü işleme için kullanılan bilgisayarlı süreçler alçak, orta
ve yüksek seviye süreçler olmak üzere üçe ayrılabilirler. Alçak
seviye süreçler, görüntüyü zenginleştimek amacıyla kullanılan
gürültü azaltma, görüntü keskinleştirme gibi basit işlemleri içerir. Alçak seviye süreç, hem girdisinin hem çıktısının görüntü
olduğu bir süreç olarak da adlandırılabilir Orta seviye süreçler,
bir görüntü içerisinde bulunan alanları belirlemek için ele alan
ve bu işlem sonucunda bilgisayarla işlemeye uygun hale getiren
işlemleri içerir. Orta seviye işlemlerin girdisi genellikle görüntüdür, buna karşın çıktı olarak görüntünün kenar, bölge, nesne
gibi özniteliklerinin bilgisi elde edilir. Yüksek seviye süreçler
ise, tanımlanan nesnelere bilişsel görme fonksiyonlarını uygulayarak anlamlandırmak ile ilgilenirler [15].
Eyleyicinin uç noktasının takibi için giriş ve orta seviye süreçlerin uygulanması yeterli olmuştur. Uygulanan işlemler şekil 3’te uygulama sırasına göre verilmiştir. Griye dönüştürme,
eşikleme ve kapama işlemleri giriş seviyesi süreçler olarak görüntüyü orta seviye süreçlere hazırlar. Belirleme ve koordinat
çıkarımı işlemleri ise orta seviye süreçlerdir ve giriş seviyesi
süreçlerin çıktılarını girdi olarak kullanarak istenen öznitelikleri çıktı olarak verirler.
El
e
kt
r
on
Şekil 1: Üç katmanlı konjuge iyonik EAP’ın yapısı.
Konjuge iyonik EAP eyleyicilerde üzerlerine uygulanan
yeterli elektrik gerilimi veya akımı sonrasında indirgenmeyükseltgenme (redoks) tepkimesi meydana gelir, bunun sonucunda şekil değişimi meydana gelir [11,12]. Eyleyicinin dış yüzeylerine gerilim farkı uygulandığında pozitif gerilim farkı uygulanan PPy katmandan diğer PPy katmana elektron geçişi olur.
Elektronların ayrıldığı katmandaki yük dengesini nötr hale getirebilmek için iyonik sıvıdaki negatif yüklü anyonlar oksitlenmiş katmana geçerek bu katmanın genişlemesine sebep olurlar
(Şekil 2).
Ayrıca elektronların geçişinden dolayı diğer katmandan anyon çıkışı olur ve bu katman küçülür (daralır). Genişleme ve
daralmayı sağlayan redoks tepkimesi denklem (1)’de verilmiştir.
16
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Renkli (RGB)
Görüntü
Griye
Dönüştürme
Gri Görüntü
Eşikleme
Siyah-Beyaz
Görüntü
A • B = (A ⊕ B) B
(3)
0 0
• terimi kapama işlemini, 0 ⊕0 terimi genleşmeyi ve 0 0 terimi ise aşınmayı ifade etmektedir. A, üzerinde işlem yapılacak
olan siyah-beyaz görüntüyü; B, siyah-beyaz görüntü üzerinde
yer alan piksellerin nasıl değerlendirileceğini belirleyen yapısal elemanı simgelemektedir. Bahsedilen genleşme ve kapama
işlemleri ile yapısal eleman terimi alt başlıklarda açıklanmıştır.
Kapama
Takip Edilecek
Bölgenin
Koordinatları
Koordinat
Çıkarımı
Takip Edilecek
Bölge
Belirleme
İç Boşlukları
Giderilmiş Bölgeler
Şekil 3: Koordinat eldesi için görüntüye uygulanan işlemler.
3.3.1. Yapısal eleman
Yapısal eleman, bu çalışmada genleşme ve aşınma işlemlerinin
siyah-beyaz görüntüye uygulanması amacıyla kullanılan 0 ve
1 değerlerinden oluşan maskedir. Maske içerisindeki değerler
görüntüdeki piksellerin nasıl değerlendirileceğini belirler [18].
Yapılan çalışmada kullanılan yapısal eleman 3 × 3 boyutlarında
olup içerisinde barındırdığı değerler,
3.1. Griye dönüştürme
Kameradan alınan görüntü 3 kanallı (RGB) bir görüntüdür ve
kanallar sırasıyla kırmızı (R), yeşil (G) ve mavi (B) renklerdeki
pikselleri barındırmaktadır. Elde edilen görüntüde 3 farklı renk
grubunun bulunması üzerinde işlem yapılması gereken piksel
sayısının fazla olması demektir. Senaryonun deneysel olarak
uygulanabilmesi için eyleyicinin serbest ucunun konum ve kuvvet kontrolü gerçek zamanlı olarak yapılmalıdır. Üzerinde işlem
yapılacak piksel sayısının artması, konum kontrolü için gereken
koordinat çıkarım işleminin süresini uzatacaktır. İşlem süresinin
kısa tutulması amacıyla 3 kanallı görüntü griye dönüştürülerek
tek kanal üzerinde işlem yapılması sağlanmıştır [16]. Griye dönüştürme için kullanılan eşitlik denklem (2)’de verilmiştir [17].
Gri = 0.2989R + 0.5870G + 0.1140B

0
B = 1
0
1
1
1

0
1
0
olarak belirlenmiştir.
3.3.2. Genleşme
Siyah-beyaz görüntüdeki bölgelerin hatlarını genişletmek için
kullanılan morfolojik bir işlemdir. Genleşme işlemi için uygun
bir yapısal elemana ihtiyaç duyulur. Yapısal elemanın merkezi,
siyah-beyaz görüntüdeki 1 değerli piksellerin üzerinde gezdirilir ve yapısal eleman matrisinde 1 değerine sahip olan alanlara
denk gelen piksellerin değerleri 1 olarak değiştirilir [15]. Genleşme işlemi sonucunda görüntüdeki boşlukların dolduğu ve koşelerin yumuşadığı gözlenir. Genleşme işleminin matematiksel
ifadesi (4) numaralı denklem ile ifade edilebilir.
(2)
3.2. Eşikleme
Griye dönüştürme işlemi bir önceki kısımda belirtildiği üzere
kameredan alınan görüntüye uygulanan işlemlerin süresini kısaltılmasını sağlarken diğer taraftan ilgilenilen bölgeyi görüntüdeki diğer alanlardan ayırmak için gerekli olan eşikleme işleminin ön safhasını oluşturmaktadır [16]. Eşikleme, gri seviyeleriyle ifade edilen görüntünün siyah-beyaz olarak ifadesi için
yapılması gereken işlemleri kapsar. İlk olarak, arka plan ile nesneyi birbirinden ayırmak için gerekli olan gri seviyesi (eşik) değeri seçilir. Uygun değer seçimi gri seviyesi histogramına bakılarak elle yapılabilir ya da Otsu eşikleme yöntemi [18] ile otomatik olarak yapılabilir. Otsu eşikleme yöntemi görüntünün her
bir karesi için eşik değerini tekrar hesaplar. Bu çalışmada deneyin yapıldığı ortamın ışıklandırması uygun olarak ayarlandığı
için eşik değeri seçimi elle yapılmıştır. Eşik değerinin elle seçilmesi sistemi ilave işlem yükünden kurtararak işlem süresinin
kısa tutulmasına da yardımcı olur. Seçilen eşik değerinin altında
kalan piksellere 0, üstünde kalanlara ise 1 değeri atanır. Siyahbeyaz gösterimde siyah 0, beyaz 1 ile gösterilmektedir. Ortam
şartlarına bağlı oalrak hangi piksel grubunun 0 ve 1 değeri alacağı değiştirilebilir.
A ⊕ B = {z ∈ Z 2 |z = a + b, a ∈ A, b ∈ B}
(4)
Denklem (4)’e göre Z 2 iki boyutlu uzayı z’yi içinde barındırmaktadır. z, B yapısal elemanının içerisinde bulunan b değerine ve A siyah-beyaz görüntüsünde bulunan a pikseline göre
değer alan genleşme işleminin sonucudur.
3.3.3. Aşınma
Siyah-beyaz görüntüdeki bölgelerin hatlarını daraltmak için
kullanılan morfolojik işlemdir. Aşınma işlemi de genleşme işleminde olduğu gibi yapısal eleman siyah-beyaz görüntü üzerinde
gezdirilir. Eğer yapısal eleman matrisinde 1 değerine sahip kısımlardan herhangi birisi 0 değerine sahip pikselin üzerine gelirse yapısal elemanın merkez noktasının geldiği pikselin değeri
0 olarak değiştirilir [18]. Aşınma işlemi sonucunda bölgeler arasındaki boşluklar daha belirgin hale gelirken bölgelerin sınırları
belirginleşir. Aşınma işlemi (5) nolu denklem ile ifade edilebilir.
3.3. Kapama
Kapama, matematiksel morfolojik işlemlerden genleşme (dilation) ve aşınma (erosion) adımlarının sırayla uygulanması sonucu elde edilen bir işlemdir. Kapama işlemi vasıtasıyla görüntü
içindeki bölgelerde bulunan boşluklar kapatılır. Böylelikle her
bir bölge tam kapalı alan haline gelir. Kapama işlemi denklem
(3) ile ifade edilir.
A B = {z|z + b ∈ A, ∀b ∈ B}
17
(5)
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
4. Deneysel Kurulum ve Sistem Tanılama
sında PRBS (Pseudo-Random Binary Sequence) sinyali gönderilmiş ve elektriksel gerilim altında eyleyicinin serbest ucunun yer değiştirmesi kamera ile iki eksende takip edilerek Öklid uzaklığı konum verisi olarak kaydedilmiştir. Kaydedilen bu
veriler kullanılarak, MATLAB, System Identification Toolbox
yardımıyla, eyleyicinin giriş-çıkış ilişkisini veren transfer fonksiyonu (6) elde edilmiştir. Elde edilen modelin frekans cevabı
ile deneysel verilerden elde edilen frekans cevabı şekil 5’de karşılaştırılmıştır. Zaman cevabı ise şekil 6’da karşılaştırılmıştır.
Deneysel cevaplar ile modelin cevabı büyük oranda örtüşmektedir. Elde edilen transfer fonksiyonu (6) kullanılarak tasarlanan
PI kontrolcünün katsayıları MATLAB Simulink PID Tuner arayüzü kullanılarak belirlenmiş ve bu yöntem ile bulunan değerlerde daha iyi sonuç alınması için tekrar deneme yanılma yöntemi ile küçük değişiklikler yapılmıştır. Bu yöntem kullanılarak
bulunan PI değerleri Kp = 0.6, Ki = 1.6 olarak belirlenmiştir.
Bu çalışmada kullanılan İPE dikdörtgen kesitlidir ve bir ucu sabitlenmiş diğer ucu ise serbesttir. Sabit uçtan İPE’ye uygulanan
elektriksel gerilim farkı deney sisteminde giriş değişkeni olarak
ve serbest ucun bu elektriksel gerilim yükü altındaki yer değişimi ve kuvvet algılayıcısına uyguladığı kuvvet, çıkış değişkenleri olarak kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan İPE deney düzeneği şekil 4’de verilmiştir. Deney düzeneğinde biri hedef diğeri
sunucu bilgisayar olmak üzere iki adet bilgisayar mevcuttur.
Hedef bilgisayarda NI-6221 PCI veri toplama kartı bulunmaktadır ve algılayıcılardan gelen veriler hedef bilgisayar üzerinden
xPC Target platformu kullanılarak MATLAB/Simulink yazılımının bulunduğu sunucu bilgisayara aktarılmıştır. İki bilgisayar
arası bağlantı TCP/IP ağ bağlantısıyla sağlanmıştır. Görüntü almak için Logitech firmasına ait C310 web kamerası kullanılmıştır. Kamera USB kablo yardımı ile hedef bilgisayara bağlıdır ve deney sırasında ışık olaylarından olabildiğince az etkilenmesi için deney düzeneği beyaz LED ışıklarla aydınlatılmıştır.
Görüntü kontrolünde polimerin serbest ucunun rahatlıkla ayırt
edilebilmesi için serbest ucun üst kısmı beyaz boya ile boyalıdır. Kuvvet algılayıcısı olarak Millinewton (IPR EPFL, Switzerland) kullanılmıştır. 0-3 V aralığında analog sinyal üreten bu
kuvvet algılayıcısı konektör yardımıyla hedef bilgisayar üzerindeki veri toplama kartına bağlıdır.
Kurulan deney düzeneğinde, İPE tarafından gerçekleştirilmesi amaçlanan konum ve kuvvet senaryosunun kontrolünde
geleneksel bir kontrol yöntemi olan PI kontrolcü kullanılmıştır. Her bir senaryonun kontrolü için örnekleme zamanı 0.05 s
olan ayrık zamanlı PI kontrolcüler oluşturulmuştur. PI kontrolcüler oluşturulurken ilk olarak İPE’nin elektriksel gerilim yükü
altında konum ilişkisini ve kuvvet ilişkisini veren ayrık zamanlı
doğrusal matematiksel modelleri sistem tanılama yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen modeller kullanılarak PI kontrolcünün parametreleri MATLAB Simulink PID
Tuner arayüzü yardımıyla belirlenmiştir.
Şekil 5: Konum modeli ve deneysel veri frekans cevabı.
Şekil 4: Deney düzeneği.
4.1. Konjuge İPE’nin doğrusal konum ve kuvvet modellerinin belirlenmesi
İPE’nin elektriksel gerilim ile serbest ucun yer değiştirmesi arasındaki ilişkisini veren doğrusal modeli elde etmek amacıyla eyleyiciye, değeri 0 V ile 0.5 V arasında değişen 0.1 Hz frekan-
Şekil 6: Konum modeli ve deneysel veri basamak cevabı.
18
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
G(z)p =
−0.0129z −1 + 0.0962z −2 + 0.4698z −3 − 0.3255z −4 − 1.008z −5 + 0.7798z −6
1 − 2.338z −1 + 1.274z −2 + 0.5347z −3 − 0.5734z −4 + 0.1418z −5 − 0.0394z −6
(6)
Eyleyicinin, elektriksel gerilim-kuvvet ilişkisini veren ayrık zamanlı matematiksel modelini elde etmek için giriş sinyali olarak değeri 0 V ile 0.5 V arasında değişen ve frekansı
2 Hz olan bir PRBS sinyali uygulanmış ve KPE’nin uyguladığı
kuvvet kaydedilmiştir. Kaydedilen bu kuvvet verisi kullanılarak, MATLAB, System Identification Toolbox yardımıyla, eyleyicinin giriş-çıkış ilişkisini veren transfer fonksiyonu (7) elde
edilmiştir.
Şekil 8: Kuvvet modeli ve deneysel veri basamak cevabı.
Elde edilen modelin frekans cevabı ile deneysel frekans cevabı şekil 7’de karşılaştırılmıştır. Zaman cevabını karşılaştırmak
için ise 0,5 V büyüklüğünde basamak referans girişi uygulanmış
ve modelin basamak cevabı ile deneysel basamak cevabı karşılaştırılmıştır (Şekil 8). Deneysel cevaplar ile modelin cevabı büyük oranda örtüşmektedir. Elde edilen transfer fonksiyonu (7)
kullanılarak tasarlanan PI kontrolcünün katsayıları kp= 10, kI=
100 olarak belirlenmiştir.
Şekil 7: Kuvvet modeli ve deneysel veri frekans cevabı.
G(z)k =
0.0063z 7 + 0.0237z 6 + 0.0265z 5 + 0.0058z 4 − 0.0338z 3 + 0.0245z 2 − 0.00536z − 0.0003
z 8 − 5.877z 7 + 14.62z 6 − 19.82z 5 + 15.64z 4 − 7.05z 3 + 1.618z 2 − 0.1354z + 0.002
5. Deneysel Çalışmalar
(7)
aşamasına geçilmiştir. Bu aşamada eyleyicinin serbest ucunun
kuvvet algılayıcısına uyguladığı kuvvet belirli bir değere ulaştırılmış ve bu değerde bir süre bekletildikten sonra uygulanan
kuvvet tekrar sıfır değerine çekilmiştir. Kuvvet uygulama aşamasında eyleyicinin gerilim-kuvvet ilişkisini veren model için
hazırlanmış olan PI kontrolcü kullanılmıştır. Kuvvet aşaması tamamlandıktan sonra tekrar kamera ile konum kontrolüne geçilmiş ve eyleyicinin serbest ucu başlangıç konumuna geri getirilmiştir. Tüm bu oluşturulan senaryo ve deney verileri Şekil 9’da
verilmiştir.
Yapılan çalışmada İPE, yukarıdaki kısımlarda belirtildiği gibi
deney düzeneğine bağlanmıştır. Eyleyicinin hareketi için hücre
enjeksiyon sistemlerine benzer bir senaryo oluşturulmuştur. Konum ve kuvvet kontrolünün belirlenmiş olan senaryoyu takip etmesi amacıyla MATLAB/Simulink ortamında bir model oluşturulmuş ve bu model belirlenen senaryo gereği konum ve kuvvet
PI kontrolcüleri arasında geçiş yapılabilmesini sağlamıştır. Bu
senaryoda ilk olarak eyleyicinin serbest ucu kuvvet algılayıcısının koluna belirli bir mesafede konuşlandırılmış ve bir süre bu
mesafede kaldıktan sonra eyleyiciye elektriksel gerilim uygulanarak serbest uç kuvvet algılayıcısına doğru yaklaştırılmaya
başlanmıştır. Kuvvet algılayıcısına yaklaştıkça aradaki mesafe
küçülmüş ve mesafe sıfır olduğu zaman eyleyici bir süre bu konumda tutulmuştur. Tüm bu aşamalar konum kontrolü esas alınarak yapılmıştır ve kontrolde kameradan alınan konum verileri kullanılmıştır. Serbest uç belirli bir süre kuvvet algılayıcısının koluna sıfır mesafede bekletildikten sonra kuvvet kontrolü
Şekil 9’da da görüleceği üzere belirlenen senaryo hem konum kontrolünde hem de kuvvet kontrolünde iyi bir şekilde takip edilmiştir. Kameradan alınan veriler doğrultusunda yapılan
konum kontrolü kuvvet kontrolüne göre daha iyi olduğu gözlemlenmektedir. Bunun nedeni kuvvet algılayıcısından dolayı
meydana gelen gürültünün çok olmasıdır.
19
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
tor X.D. Yang, “Fabrication and characterization of lasermicromachined polypyrrole-based artificial muscle actuated catheters,” Sensors and Actuators A: Physical, vol.
153, no. 2, pp. 230–236, aug 2009.
[6] Lei-Mei Low, Sukeerthi Seetharaman, Ke-Qin He, and
Marc J Madou, “Microactuators toward microvalves for
responsive controlled drug delivery,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 67, no. 1-2, pp. 149–160, aug
2000.
[7] Yevgeny Berdichevsky and Y.-H. Lo, “Polymer microvalve based on anisotropic expansion of polypyrrole,”
MRS Proc., vol. 782, jan 2003.
[8] Gursel Alici and Nam N. Huynh, “Performance quantification of conducting polymer actuators for real applications: A microgripping system,” IEEE/ASME Transactions
on Mechatronics, vol. 12, no. 1, pp. 73 – 84, Feb 2007.
Şekil 9: Konum ve kuvvet senaryosu takip verileri.
[9] V. Vunder, M. Itik, A. Punning, and A. Aabloo, “Force
control of ionic polymer-metal composite actuators with
carbon-based electrodes,” Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2014, Mar 2014.
6. Sonuçlar
Biyo-uyumluluğa ve geleneksel tahrik mekanizmalarından
farklı özelliklere sahip olan İPE’lerin ilerleyen süreçte biyolojik uygulamalarda kullanılması kaçınılmazdır. Literatüre bakıldığında bilimsel çalışmaların da bu yönde ilerlediği ve biyolojik
yapılarla ilgili alanlarda polimer eyleyicilerin farklı türevlerinin
kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Yapılan bu çalışmayla
ortaya konan sonuçlar da konjuge İPE’lerin hibrit kontrol ile
mikro manipulasyon alanında kendilerine yer bulabileceği görüşünü desteklemektedir.
[10] Mehmet Itik, Mohammadreza Sabetghadam, and Gursel
Alici, “Force control of a tri-layer conducting polymer
actuator using optimized fuzzy logic control,” Smart Materials and Structures, vol. 23, no. 12, pp. 125024, Nov
2014.
[11] F. Carpi and D. DeRossi, “Electroactive polymer-based
devices for e-textiles in biomedicine,” IEEE Trans. Inform. Technol. Biomed., vol. 9, no. 3, pp. 295 – 318, Sep
2005.
7. Teşekkür
[12] Yoseph Bar-Cohen, Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles: Reality, Potential, and Challenges, Bellingham, WA: SPIE-The International Society
for optical Engineering, 2001.
Bu çalışma 114M781 nolu TÜBİTAK proje tarafından desteklenmiştir. Çalışmada kullanılan konjuge İPE’lerin temin edilmesindeki yardımlarından dolayı Wollongong Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Gürsel Alıcı’ya teşekkür ederiz.
[13] Xioadong Wang, Xioasong Gu, Chunwai Yuan, Shujian
Chen, Peiyun Zhang, Tianyi Zhang, Jian Yao, Fen Chen,
and Gang Chen, “Evaluation of biocompatibility of
polypyrrolein vitro and in vivo,” J. Biomed. Mater. Res.,
vol. 68A, no. 3, pp. 411 – 422, 2003.
8. Kaynakça
[1] Elisabeth Smela, “Conjugated polymer actuators for biomedical applications,” Advanced Materials, vol. 15, no.
6, pp. 481–494, 2003.
[14] Y. Xie, D. Sun, C. Liu, H. Y. Tse, and S. H. Cheng, “A
force control approach to a robot-assisted cell microinjection system,” The International Journal of Robotics Research, vol. 29, no. 9, pp. 1222 – 1232, Nov 2009.
[2] Federico Carpi, Roy Kornbluh, Peter Sommer-Larsen, and
Gursel Alici, “Electroactive polymer actuators as artificial
muscles: are they ready for bioinspired applications?,” Bioinspir. Biomim., vol. 6, no. 4, pp. 045006, nov 2011.
[15] Rafael C. Gonzalez ve Richard E. Woods, Sayısal Görüntü İşleme (3. Baskı), Palme Yayıncılık, 2014.
[3] Gursel Alici, Geoffrey M Spinks, John D Madden, Yanzhe
Wu, and Gordon G Wallace, “Response characterization
of electroactive polymers as mechanical sensors,” Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, vol. 13, no. 2, pp.
187–196, 2008.
[16] de Souza I.L. ve Cataldo E. Leta R.F., Feliciano F.F., “Discussing accuracy in an automatic measurement system
using computer vision techniques,” in Prooceedings of
COBEM, 2005, vol. 2, pp. 645 – 652.
[17] Christopher Kanan and Garrison W. Cottrell, “Color-tograyscale: Does the method matter in image recognition?,”
PLoS ONE, vol. 7, no. 1, pp. e29740, Jan 2012.
[4] Rahimullah SARBAN, Richard W. JONES, Emiliano
RUSTIGHI, and Brian R. MACE, “Active vibration isolation using a dielectric electro-active polymer actuator,”
JSDD, vol. 5, no. 5, pp. 643–652, 2011.
[18] N. Otsu, “A threshold selection method from gray-level
histograms,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, vol. 9, no. 1, pp. 62–66, Jan. 1979.
[5] Kenneth K.C. Lee, Nigel R. Munce, Tina Shoa, Luc G.
Charron, Graham A. Wright, John D. Madden, and Vic20