Bu araştırma, borular, türbin kanatları ve benzeri üç boyutlu metal yüzeylerde eğrilik sürekli değişirken yüzeye tutunarak hareket edebilen C3bot adlı dört tekerlekli manyetik tırmanma robotunu geliştirmektedir. Sistem; küresel tekerlekler, iki pasif dönme serbestlik derecesine sahip mıknatıs taşıyıcıları, iki mekanik konsolu birbirine bağlayan diferansiyel merkez ve Halbach dizili kalıcı mıknatıs devresini bir araya getirmektedir. Teorik hesaplarda güvenlik katsayısı 1,5 için tek tekerleğin gerekli en yüksek manyetik tutunma kuvveti 75,73 N bulunurken tam küresel tekerlek manyetik simülasyonu 98,547 N üretmiştir. Fiziksel prototip düz, içbükey ve dışbükey metal yüzeylerde denenmiş; 100–350 mm yarıçaplı borularda hareket, 2–7 mm aralığındaki engellerin aşılması ve 166,3 N'luk dikey yük testi gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte en küçük güvenilir çalışma yarıçapı robotun yalnız hareket edebilmesi ile üzerindeki denetim problarının gerekli yüzey açıklığını koruyabilmesi için aynı değildir.

Çalışmanın temel yeniliği, yüzey eğriliğini takip etmek için her tekerleğe ek motor yerleştirmek yerine manyetik kuvvetin kendisinden yararlanan pasif uyum mekanizması kullanmasıdır. Küresel tekerleğin içindeki mıknatıs taşıyıcısı yüzeyin yerel normal yönüne göre iki eksende serbestçe dönebilmekte; iki robot konsolu da diferansiyel merkez üzerinden birbirlerine göre açı değiştirebilmektedir. Böylece dört tekerleğin farklı temas koşullarına mekanik olarak uyum sağlaması amaçlanmaktadır.

Halbach düzenindeki NdFeB-N52 mıknatıslar manyetik alanı ağırlıklı olarak çalışma yüzeyi tarafında yoğunlaştırmaktadır. Kaynak çalışmada aynı hava aralığında karşılaştırılan üç manyetik devre arasında Halbach düzeni en yüksek tutunma kuvvetini vermiştir. Ayrıca önerilen küresel manyetik tekerleğin aynı hacim karşılaştırmasında geleneksel manyetik tekerleğe göre kütlesinin 3562 g'dan 755 g'a düşürüldüğü ve bunun yaklaşık %79 kütle azalması anlamına geldiği rapor edilmiştir.

Robotun mekanik olarak eğri yüzeye tutunabilmesi ile ultrasonik denetim problarının doğru çalışma mesafesinde kalması birbirinden ayrılmalıdır. Mıknatıs taşıyıcısı modeli, prob bulunmadığında yaklaşık 120 mm içbükey ve 188 mm dışbükey minimum eğrilik yarıçapları verir. Buna karşılık yedi probun yüzeyden önerilen en fazla 1,5 mm açıklığı koruması istendiğinde kaynak metindeki geometrik analiz, eksenel harekette dışbükey yüzey için 990 mm, içbükey yüzey için 1357 mm sınırına kadar çıkmaktadır.

Türkiye açısından çalışma; enerji santrali türbinleri, çelik boru hatları, depolama tankları, tersane yapıları ve benzeri ferromanyetik endüstriyel yüzeylerin robotik denetimi açısından doğrudan mühendislik değeri taşımaktadır. Ancak araştırma Türkiye'deki herhangi bir tesis, boru standardı veya saha koşulunda doğrulama yapmamıştır. Yüzey kaplaması, pas kalınlığı, geometrik birleşimler, kaynak dikişleri, sensör tipi ve güvenlik prosedürleri gerçek uygulama öncesinde ilgili tesise göre ayrıca doğrulanmalıdır.

C3bot hangi problemi çözmek için geliştirildi?

Borular, depolama tankları, gemi gövdeleri ve türbin kanatları gibi büyük metal yapılarda yüzey geometrisi çoğu zaman düz değildir. Dışbükey, içbükey ve üç boyutlu eğriler arasında geçişler oluşabilir. Sabit şasili geleneksel manyetik robotlarda tekerleklerin birbirlerine göre konumu değişmediği için güçlü eğrilik değişimlerinde bazı tekerlekler yüzeyden uzaklaşabilir; temas boşluğu büyüdükçe manyetik kuvvet azalabilir ve robot sıkışma veya ayrılma riski yaşayabilir.

Aktif uyum mekanizmaları bu problemi ilave motorlarla çözebilir. Ancak bunun bedeli daha fazla aktüatör, ağırlık, hacim ve kontrol karmaşıklığıdır. C3bot'un yaklaşımı, yüzey eğriliğine mekanik olarak uyum sağlayan pasif küresel manyetik tekerlek ve pasif diferansiyel konsol yapısı kullanmaktır.

Küresel manyetik tekerlek neden silindirik tekerlekten farklı?

Silindirik tekerlek eğri bir yüzeye temas ettiğinde temas noktası tekerlek merkez hattına göre değişebilir ve yüzey normalinden gelen kuvvet robot gövdesinde ek moment oluşturabilir. Küresel yüzeyde ise yerel temas normalinin küre merkeziyle geometrik ilişkisi daha elverişlidir. Araştırmacılar bu nedenle daha küçük yerel eğrilik yarıçapına sahip küresel bir tekerlek kullanarak temas noktasındaki ek momentleri azaltmayı amaçlamıştır.

Küresel kabuğun içinde bulunan mıknatıs taşıyıcısı iki pasif dönme serbestlik derecesine sahiptir. Bunlardan biri tekerlek ekseni boyunca, diğeri buna dik yöndedir. Mıknatıs grubu yüzeyle temas koşuluna bağlı olarak kendi kendine yönelir.

Diferansiyel merkez ne işe yarıyor?

Robotun sağ ve sol tarafındaki iki mekanik konsol, merkezde diferansiyel bir mekanizmayla bağlanmıştır. Üç boyutlu bir yüzeyde dört tekerleğin temas yükseklikleri aynı olmadığında iki konsol birbirine göre dönebilir. Böylece şasinin tamamen rijit davranması yerine tekerlek çiftlerinin yüzey geometrisine uyum sağlaması hedeflenmektedir.

Bu özellik aynı zamanda robotun altında taşınan denetim cihazlarının yüzeye yakınlığının korunmasına yardımcı olur. Bununla birlikte sonraki geometrik analiz, robot tekerleklerinin yüzeye tutunmasının tek başına denetim problarının uygun açıklıkta kalmasını garanti etmediğini göstermektedir.

Robotun devrilmesi ve kayması nasıl analiz edildi?

Araştırmacılar düşük hız ve yarı-statik koşullar altında üç ana başarısızlık durumunu değerlendirmiştir:

• Boyuna devrilme,
• Enine devrilme,
• Yüzey üzerinde kayma.

Modelde mıknatıs kuvvetinin yüzeye normal doğrultuda etkidiği ve teğetsel bileşeninin ihmal edilebileceği kabul edilmiştir. Robotun ataletsel ve yüksek hızlı dinamik etkileri statik analizde hesaba katılmamıştır.

Kaymayı engellemek için bir küresel tekerlek başına gerekli tutunma kuvveti kaynakta:

\[ F_{mi}\geq k\left( \frac{(G+F_g)\cos\alpha}{4\mu} + \frac{(G+F_g)\sin\alpha}{4} \right) \]

şeklinde tanımlanmaktadır. Burada \(G\) robot ağırlığını, \(F_g\) yükün ağırlığını, \(\mu\) sürtünme katsayısını, \(k\) güvenlik katsayısını ve \(\alpha\) yüzey eğim açısını temsil etmektedir.

Hesaplarda kullanılan temel değerler:

Boyuna devrilme, enine devrilme ve kayma koşulları birlikte karşılaştırıldığında en kritik durumun kayma olduğu bulunmuştur. Tek tekerlek için minimum gerekli manyetik kuvvet yüzey açısıyla önce yükselmiş, sonra azalmış ve α = 22°'de 75,73 N ile maksimuma ulaşmıştır.

Halbach manyetik devresi neden seçildi?

Araştırmacılar üç farklı mıknatıslanma düzenini ANSYS 24 R1 Maxwell kullanarak karşılaştırmıştır. Birinci düzen Halbach dizisi, ikinci düzen aynı mıknatıslanma yönüne sahip mıknatıslar, üçüncü düzen ise komşu mıknatısların ters yönlü olduğu yapıdır.

Bütün düzenlerde hava aralığı büyüdükçe manyetik tutunma kuvveti azalmıştır. Aynı mıknatıs boyutu ve malzemesi koşulunda Halbach yapısı bütün incelenen hava aralıklarında en yüksek tutunma kuvvetini sağlamış ve prototip için bu düzen seçilmiştir.

Kalıcı mıknatıs malzemesi NdFeB-N52'dir. Mıknatıs taşıyıcı ve küresel kabuk, manyetik alanla etkileşimi sınırlamak ve yapısal dayanım sağlamak amacıyla alüminyumdan yapılmıştır.

Bir küresel tekerlek yeterli manyetik kuvveti üretiyor mu?

Tam tekerlek için yapılan manyetik alan simülasyonunda toplam manyetik tutunma kuvveti 98,547 N olarak hesaplanmıştır. Bu değer statik modelde bulunan 75,73 N maksimum tek-tekerlek gereksiniminin üzerindedir.

Bu iki değer doğrudan aynı ölçüm türü değildir: 75,73 N teorik minimum gereksinim, 98,547 N ise manyetik simülasyon çıktısıdır. Kaynak ayrıca fiziksel mıknatıs deneyleri yaparak simülasyon eğilimlerinin gerçek ölçümlerle genel olarak uyumlu olduğunu göstermektedir.

Hava aralığı neden kritik?

Manyetik tekerlek ile çelik yüzey arasındaki boşluk arttıkça tutunma kuvveti azalır. Araştırmada farklı mıknatıs devreleri yaklaşık 3–6 mm aralığında karşılaştırılmış ve Halbach düzeninin en yüksek kuvveti koruduğu görülmüştür.

Bu sonuç yüzey eğriliğinin neden yalnız geometrik bir problem olmadığını açıklar. Tekerlek veya mıknatıs taşıyıcısı yüzeyi takip edemezse hava aralığı büyür ve manyetik kuvvet hızla zayıflayabilir. C3bot'taki pasif uyum mekanizmasının temel işlevlerinden biri bu boşluğu düşük tutmaktır.

Mıknatıs taşıyıcısının izin verilen dönüş açısı nedir?

Kaynak Şekil 10'da taşıyıcının mekanik hareket sınırları ile yeterli manyetik kuvvetin korunabildiği daha geniş teorik açı aralığı birlikte gösterilmektedir. İçbükey yüzey tarafında mekanik swing yaklaşık 9°, dışbükey tarafta yaklaşık −4° ile sınırlıdır. Manyetik kuvvetin 75,73 N eşiğinin üzerinde kaldığı hesaplanan sınırlar ise yaklaşık 18,9° ve −13,6°'dir.

Bu nedenle kaynak tasarımındaki mekanik hareket sınırları içinde manyetik kuvvetin statik gereksinimin üzerinde kaldığı sonucuna ulaşılmıştır.

Eğrilik yarıçapı ile taşıyıcı açısı arasındaki ilişki nedir?

Küresel tekerlek içindeki mıknatıs taşıyıcısının yüzey eğriliğine uyumu şu geometrik ilişkiyle modellenmiştir:

\[ \varphi = \begin{cases} \arcsin\left(\frac{W/2}{R+D/2}\right), & \text{dışbükey yüzey}\\ \arcsin\left(\frac{W/2}{R-D/2}\right), & \text{içbükey yüzey} \end{cases} \]

Burada \(R\) yüzey eğrilik yarıçapı, \(D\) küresel kabuk çapı ve \(W\) ilgili geometrik genişliktir. Eğrilik yarıçapı büyüdükçe gerekli swing açısı küçülmektedir.

Modelin verdiği mekanik sınırlar:

• İçbükey yüzey: minimum R = 120 mm,
• Dışbükey yüzey: minimum R = 188 mm.

Bu değerler robotun çıplak mekanik/tutunma kabiliyeti içindir; denetim probları eklendiğinde farklı sınırlar ortaya çıkmaktadır.

Mekanik konsolların dönmesi neden ayrıca sınırlandırılıyor?

Robot eğri yüzeyde dönerken yalnız mıknatıs taşıyıcıları değil, sağ ve sol mekanik konsollar da diferansiyel merkez çevresinde birbirlerine göre açı değiştirir. Araştırmacılar bu konsolun yerel yüzeye göre pitch açısını \(\beta\) ile tanımlamıştır.

Modelde maksimum izin verilen konsol pitch açısı 10° olarak sınırlandırılmıştır. Bu koşul altında maksimum manyetik tutunma korunurken robotun çalışabileceği yüzey yarıçabının 136 mm'den küçük olmaması gerektiği hesaplanmıştır.

Denetim probları eğrilik kapasitesini neden sınırlıyor?

C3bot altında toplam yedi elektromanyetik ultrasonik prob dört grup hâlinde yerleştirilmiştir. Prob merkezi ile metal yüzey arasındaki açıklık denetim doğruluğunu etkilediği için kaynakta önerilen maksimum prob boşluğu:

\[ \delta \leq 1,5\ \text{mm} \]

olarak kullanılmıştır.

Dışbükey bir yüzeyde çevresel hareket için örnek açıklık bağıntısı:

\[ \delta = \left| \sqrt{R^2-(w-b/2)^2} - \sqrt{R^2-w^2} \right| \]

şeklinde verilmiştir. Araştırma, probun merkezden uzaklığına bağlı olarak dört prob grubunun açıklığını ayrı ayrı hesaplamıştır.

Kaynak metindeki sonuçlara göre:

Bu sonuç pratik açıdan kritiktir: robot R=100–188 mm gibi sıkı eğriliklerde fiziksel olarak hareket edebilse bile, altına geniş bir sensör dizisi takıldığında bütün probların gerekli yüzey mesafesini koruması mümkün olmayabilir.

Prototipin temel özellikleri nelerdir?

Gerçek prototipte DYNAMIXEL XM540-W270R aktüatörleri kullanılmıştır. Kaynakta motorun nominal torku 6 Nm, maksimum torku 10,2 Nm olarak verilmiştir.

Robotun toplam kütlesi; prob, aydınlatma ve üst muhafaza dahil 7,5 kg'dır. STM32 tabanlı kontrol kartı, otomatik güvenlik kablosu sarma mekanizması ve kablosuz komut sistemi kullanılmıştır.

Kaynak içindeki farklı bölümlerde maksimum hız için 0–6 m/dak ve 0–8 m/dak olmak üzere iki farklı değer verilmektedir. Gerçek türbin saha testinde ise yaklaşık 6,5 m/dak hareket rapor edilmiştir.

Kauçuk kaplama tutunmayı nasıl etkiledi?

Tek mıknatıslı tekerlek sürtünme deneyinde tekerlek metal borunun yan yüzeyine yerleştirilmiştir. Kauçuk kaplamalı durumda maksimum statik sürtünme kuvveti 0,48 kg, kaplamasız durumda 0,18 kg olarak ölçülmüştür.

Buna karşılık hesaplanan sürtünme katsayıları:

• Kauçuk kaplamalı: 0,39
• Kauçuk kaplamasız: 0,15

olarak raporlanmıştır. Kaynak, maksimum statik sürtünme kuvvetinin kaplama ile yaklaşık 2,6 kat arttığını belirtmektedir.

Düz duvarda robot nasıl davrandı?

Dikey düzlem testinde robot yaklaşık 33 mm/s hızla zikzak bir rota izlemiş ve bütün yüzeyi yaklaşık bir dakikada tamamlamıştır. Araştırmacılar boyuna hareket, yanal hareket ve dönüş sırasında kayma veya devrilme gözlemediklerini bildirmiştir.

100–350 mm yarıçaplı borularda ne oldu?

Robot dış yüzeyde R=100, 150 ve 350 mm, iç yüzeyde ise R=350 mm yarıçaplı metal borularda test edilmiştir. Düz hareketlerin yanında boru çevresinde spiral hareketler de uygulanmıştır.

150 mm yarıçaplı borunun üst ve yan generatrisi boyunca doğrusal hareketlerde kaynak tablosu %100 başarı bildirmektedir. Kaynak dikişlerinin yüksekliği yaklaşık 3–7 mm arasında değişmiştir ve robot bunları farklı yönlerden geçebilmiştir.

R=100 mm dış yüzey spiral deneyinde çalışma, teorik 120 mm içbükey minimum sınırın da ötesinde hareketin mümkün olduğunu göstermektedir; ancak performans kusursuz değildir. Metinde bu koşul için %80 başarı, bir ayrılma ve bir kayma olayı belirtilmiştir. Bu sonuç daha küçük eğrilik yarıçapında temas alanının azalması ve hareket yönüne karşı ek normal kuvvet bileşenleriyle ilişkilendirilmiştir.

Kaynak içi tablo notu: Tablo 4'te “Spiral motion (outer surface, R = 100 mm)” iki kez yazılmış ve sırasıyla %90 ile %80 başarı verilmiştir. Hemen önceki metin 150 mm borudaki spiral harekette bir ayrılmadan söz ettiğinden ilk satırın farklı bir yarıçapı temsil etmesi olası görünse de çalışma bunu açıkça düzeltmemektedir. Bu nedenle tablo etiketi burada değiştirilmemiştir.

Paslı ve kirli yüzeylerde hareket mümkün oldu mu?

R=350 mm boru deneylerinde robot hem dış hem iç yüzeylerde çalıştırılmıştır. Dış yüzeyde paslı metal ve yaklaşık 2–5 mm kaynak dikişleri üzerinde hareket gerçekleştirilmiştir. Tablo 4 dış yüzey spiral hareket için %100 başarı bildirmektedir.

İç yüzeyde ise bir kayma olayı oluşmuştur. Araştırmacılar bunu borunun alt bölümünde biriken yoğun metalik kalıntıların manyetik tutunmayı ve sürtünmeyi azaltmasıyla açıklamaktadır.

Küresel tekerlekte mıknatıs alanı bütün tekerlek çevresinde sürekli olmadığı için metal parçacıkların ağırlıklı olarak aktif temas bölgesinde toplandığı ve tekerleğin büyük bölümünün daha temiz kalabildiği de çalışmada gözlemsel avantaj olarak belirtilmektedir.

Robotun yük taşıma kapasitesi ne kadar?

Dikey ferromanyetik yüzeyde robot iki sürüş motor grubuyla çekilirken ölçülen maksimum kuvvet 166,3 N'dur. Araştırmacılar bunun robot ağırlığının yaklaşık 2,2 katına karşılık geldiğini belirtmektedir.

Kaynağın farklı bölümlerinde bu kapasite kütle eşdeğeri olarak 16,63 kg, 16,67 kg ve 16,6 kg biçimlerinde verilmiştir. Bu nedenle en güvenilir doğrudan deneysel ifade 166,3 N ölçülen maksimum gerilme değeridir.

Engel aşma kapasitesi nedir?

Deney bölümünde robotun boru iç ve dış yüzeylerinde yaklaşık 2–7 mm yüksekliğindeki engelleri ve kaynak dikişlerini geçebildiği belirtilmiştir. Özet de maksimum 7 mm değerini kullanmaktadır.

Buna karşılık performans Tablo 5'i ultrasonik prob olmadan 8 mm, probla 5 mm engel aşma kapasitesi vermektedir. Kaynak bu 7 mm ve 8/5 mm değerleri arasındaki deney koşulu farkını ayrıntılı biçimde uzlaştırmamaktadır.

Güvenlik halatı ne işe yarıyor?

Robotun arkasına bağlı güvenlik halatı yalnız düşmeye karşı pasif emniyet sağlamamaktadır. Deneyde robot 90° dikey yüzeye tutunurken halat elle çekilerek yukarı ve aşağı hareket ettirilmiştir. Böylece güç veya sürüş arızasında robotun elle güvenli bölgeye alınabilmesi amaçlanmaktadır.

C3bot gerçek bir endüstriyel tesiste denendi mi?

Evet. Araştırmacılar robotu Çin'in güneybatısındaki bir hidroelektrik santralinin Francis tipi türbin çarkında saha testine tabi tutmuştur.

İncelenen türbin çarkı:

• Malzeme: ZG04Cr13Ni4Mo döküm paslanmaz çelik,
• Yarıçap: 8,9 m,
• Yükseklik: 3,59 m,
• Kanat sayısı: 15

olarak tanımlanmıştır. Yüzeyde pas, çizik ve kavitasyon hasarları bulunduğu belirtilmektedir.

Robot ters ve dikey yüzeylerde çalıştırılmış, ön ve arka kameralar konum doğrulaması için kullanılmış ve kaynakta problar için 0–1 mm yüzey kusuru derinlik çözünürlüğü ifade edilmiştir. Robotun türbin kanatlarını yaklaşık 6,5 m/dak hızla zikzak biçiminde taradığı ve araştırmacıların tam yüzey kapsaması elde ettiklerini bildirdiği belirtilmektedir.

Terminoloji notu: Saha uygulamasının ana metni probları bir noktada “Magnetic Flux Leakage (MFL)” olarak adlandırırken aynı Şekil 24'ün açıklaması “electromagnetic ultrasonic probes” ifadesini kullanmaktadır. Kaynak bu sensör adlandırma farkını açıklamadığından iki ifade tek bir sensör tipiymiş gibi sessizce birleştirilmemiştir.

Çalışmanın desteklediği temel sonuçlar

• İki serbestlik dereceli pasif mıknatıs taşıyıcısı ve diferansiyel konsol yapısı fiziksel prototipte uygulanmıştır.
• Halbach manyetik devresi karşılaştırılan üç düzen içinde aynı hava aralığında en yüksek tutunma kuvvetini sağlamıştır.
• Tek tekerlek için statik modelde gerekli maksimum kuvvet 75,73 N, tam tekerlek simülasyonunda kuvvet 98,547 N'dur.
• Robot 100–350 mm yarıçaplı deney yüzeylerinde hareket ettirilmiştir.
• R=100 mm gibi teorik tasarım sınırının ötesindeki sıkı eğrilikte hareket mümkün olmuş ancak ayrılma ve kayma olayları görülmüştür.
• Kauçuk kaplama ölçülen statik sürtünmeyi belirgin biçimde artırmıştır.
• Dikey yük deneyinde 166,3 N gerilme ölçülmüştür.
• Robot kaynak dikişleri ve birkaç milimetrelik yüzey engellerini aşabilmiştir.
• Gerçek bir hidroelektrik türbin çarkında dikey ve ters yüzey saha testi gerçekleştirilmiştir.
• Pasif mekanizma yüzey uyumunu çok sayıda ilave aktif eklem kullanmadan sağlayabilmektedir.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar

• C3bot'un bütün üç boyutlu metal yapılarda ayrılmadan çalışacağı gösterilmemiştir.
• 100 mm yarıçapta %100 güvenilir çalışma kanıtlanmamıştır.
• Tekerleklerin hareket edebildiği minimum eğrilik, ultrasonik problarla güvenilir denetim yapılabilecek minimum eğrilikle aynı değildir.
• Robot otonom yol planlaması gerçekleştirmemektedir; yüksek performanslı yerleşik kontrolcü ve otonom planlama gelecek çalışma olarak belirtilmiştir.
• Kaynak, bütün yüzey kaplamaları ve pas koşullarında aynı manyetik kuvveti garanti etmemektedir.
• 0–1 mm olarak verilen saha kusur derinliği çözünürlüğü bütün malzeme ve sensör konfigürasyonları için evrensel bir algılama performansı değildir.
• Gerçek saha uygulaması tek bir türbin geometrisinin bütün endüstriyel yapılara genellenebileceğini göstermez.
• Çalışma Türkiye'deki tesisler veya yerel bakım standartları için doğrulama yapmamıştır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırmanın mühendislik iş akışı

Çalışma birbirini takip eden beş doğrulama katmanı kullanmaktadır:

1. Değişken eğrilikli yüzey problemine uygun mekanik robot mimarisinin tasarlanması,
2. Kayma ve devrilme için statik kuvvet modelinin kurulması,
3. Halbach ve alternatif manyetik devrelerin ANSYS Maxwell ile karşılaştırılması,
4. Eğrilik, mıknatıs swing açısı, mekanik konsol pitch açısı ve prob açıklığının geometrik modellenmesi,
5. Prototipin laboratuvar ve gerçek türbin ortamında deneysel olarak sınanması.

Robot mimarisi

Robot boyutları için kaynakta hangi değerler var?

Kaynakta tek bir tutarlı dış boyut seti bulunmamaktadır:

• Karşılaştırma Tablo 1: 312 × 210 × 176 mm,
• Mekanik tasarım açıklaması: 320 × 230 × 180 mm,
• Performans Tablo 5: 315 × 210 × 176 mm.

Bu farkların prototip revizyonu, ölçüm tanımı veya yazım farkından kaynaklanıp kaynaklanmadığı açıklanmamıştır. Bu nedenle bir set “doğru değer” olarak seçilmemiştir.

Manyetik devre simülasyonu

Manyetik model ANSYS 24 R1 Maxwell ortamında kurulmuştur. Halbach dizisi ile iki alternatif mıknatıslanma düzeni karşılaştırılmıştır. Hava aralığı arttıkça bütün düzenlerde kuvvet düşmüş, Halbach düzeni en yüksek kuvveti sağlamıştır.

Tam küresel tekerleğin simülasyonunda manyetik alan yüzeye bakan bölgede yoğunlaşmış; teğetsel bileşenlerin simetrik yapısı nedeniyle büyük ölçüde birbirini sönümlediği ve net kuvvetin esas olarak yüzey normaline yöneldiği gösterilmiştir.

Simülasyondaki net tutunma kuvveti 98,547 N'dur.

Fiziksel manyetik test

Mıknatıs taşıyıcısının açısı değiştirilerek tutunma kuvveti deneysel olarak ölçülmüş ve her nokta için üç ölçümün ortalaması kullanılmıştır. Kaynağın bir bölümünde ölçüm–simülasyon farkının yaklaşık %2 olduğu belirtilirken deney bölümünde sonuçların simülasyonun %10 hata sınırı içinde kaldığı yazmaktadır. Bu iki ifade aynı hata metriğinin farklı özeti olup olmadığı açıklanmamıştır.

Sürtünme deneyi

Tek mıknatıslı tekerlek metal boru üzerinde test edilmiştir. Üst yüzeyde ayırma kuvveti 1,45 kg, tekerlek ağırlığı 0,23 kg olarak ölçülmüş ve yaklaşık 1,22 kg etkili manyetik tutunma hesaplanmıştır.

Yan yüzey sürtünme deneyinde kauçuk kaplamanın sürtünme katsayısını 0,15'ten 0,39'a yükselttiği raporlanmıştır.

Kontrollü eğri yüzey deneyleri

Deneylerde düz dikey duvar, R=100 mm, R=150 mm ve R=350 mm dış yüzeyler ile R=350 mm iç yüzey kullanılmıştır. Hareket modları doğrusal, enine, dönüş ve spiral hareketleri içermektedir.

Kaynak Tablo 4'ün başlığı başarı oranlarını “10 trials” olarak tanımlarken aynı bölümün metni sonuçların “five repeated trials” üzerinden özetlendiğini söylemektedir. Deney tekrar sayısı için bu iki ifade birbirine uymamaktadır.

Denetim problarının geometrik analizi

Yedi elektromanyetik ultrasonik probun dört grup hâlindeki konumu nedeniyle her grubun yüzey açıklığı farklıdır. Eğrilik küçüldükçe robot merkezinden uzak prob gruplarında yüzeyden uzaklaşma artmaktadır.

Bu analiz, robotun mekanik tırmanma kapasitesi ile gerçek denetim sensörünün çalışma kapasitesinin ayrı değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir. Kaynak metnindeki en kısıtlayıcı eksenel sonuçlar dışbükey yüzeyde 990 mm ve içbükey yüzeyde 1357 mm'dir.

Yük ve engel testleri

Dikey yük testinde 166,3 N maksimum gerilme kaydedilmiştir. Kaynak bunu robot ağırlığının yaklaşık 2,2 katı olarak değerlendirmektedir.

Boru iç ve dış yüzeylerinde 2–7 mm engel ve kaynak dikişleri başarıyla geçilmiştir. Performans tablosu ayrıca prob yokken 8 mm ve prob takılıyken 5 mm engel kapasitesi rapor etmektedir.

Saha doğrulaması

Robot gerçek bir Francis türbin çarkında kamera ve temas/elektromanyetik denetim sistemiyle kullanılmıştır. Pas, çizik ve kavitasyon kusurlarının bulunduğu yüzeylerde ters ve dikey hareket gerçekleştirilmiştir.

Kaynak, robotun yaklaşık 6,5 m/dak hızla zikzak tarama yaptığını ve türbin kanadı yüzeyinin tam kapsamasını sağladığını bildirmektedir. Bu saha deneyi çalışmayı yalnız laboratuvar prototipinden ayıran önemli bir doğrulama katmanıdır.

Çalışmanın başlıca sınırlılıkları

Birinci sınırlılık, statik modelde yüksek hızlı dinamik ve ataletsel etkilerin ihmal edilmesidir. Kayma ve devrilme denklemleri yarı-statik çalışma varsayımına dayanmaktadır.

İkinci sınırlılık sensör geometrisidir. Mekanik robot 100–188 mm düzeyindeki eğriliklere yaklaşabilse bile geniş prob dizisi çok daha büyük minimum yarıçap gerektirebilir.

Üçüncü sınırlılık, R=100 mm gibi çok sıkı eğriliklerde %100 başarı sağlanmamasıdır. Bu koşullarda ayrılma ve kayma gözlenmiştir.

Dördüncü sınırlılık otonomidir. Mevcut çalışma temel olarak mekanik uyum, tutunma ve saha uygulanabilirliğine odaklanmaktadır. Yüksek performanslı yerleşik bilgisayar, otonom yol planlama ve heterojen yüzeyler arasında sürekli geçiş gelecek çalışma olarak bırakılmıştır.

Beşinci sınırlılık kaynak içindeki performans parametrelerinin bazı bölümlerde tutarsız verilmesidir. Boyut, hız, yük kapasitesi, prob eğrilik etiketleri, deney tekrar sayısı ve bazı engel değerleri tek bir sayısal set hâlinde tam olarak uyuşmamaktadır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: C3bot: A Climbing Robot for 3D Variable-Curvature Structures

Yazarlar: Mingyuan Wang; Yize Xu; Ziqing Gu; Jianjun Yuan; Sheng Bao; Zhengtao Hu.

Yazar sırası: Kaynakta verilen sıra aynen korunmuştur.

Sorumlu yazarlar: Jianjun Yuan ve Zhengtao Hu.

Eş birinci/eş katkı: Kaynakta eş birinci veya eş katkı beyanı belirtilmemiştir.

Kurumlar:

1. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444, China.
2. Shanghai Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Robotics, Shanghai University, Shanghai 200444, China.

Dergi: Machines.

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland.

Cilt/sayı/makale numarası: 14(5), 492.

DOI: 10.3390/machines14050492.

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Hakemli özgün araştırma makalesi (Article).

Gönderim: 10 Mart 2026.

Revizyon: 11 Nisan 2026.

Kabul: 21 Nisan 2026.

Yayın: 28 Nisan 2026.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY).

Finansman: Yazarlar araştırmanın dış finansman almadığını belirtmiştir.

Veri erişilebilirliği: Verilerin çalışma içinde yer aldığı belirtilmiştir.

Ek materyal: Video S1: Climbing Robot Experiment.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma M.W. ve J.Y.; yöntem M.W. ve Y.X.; yazılım M.W. ve Y.X.; doğrulama M.W., Y.X. ve Z.G.; biçimsel analiz M.W. ve Z.G.; araştırma M.W., Y.X. ve Z.H.; kaynaklar M.W., J.Y., S.B. ve Z.H.; veri kürasyonu Z.G.; ilk taslak M.W., Y.X. ve Z.G.; gözden geçirme/düzenleme M.W., Z.G., J.Y., S.B. ve Z.H.; görselleştirme Z.G.; denetim J.Y., S.B. ve Z.H.; proje yönetimi M.W., J.Y., S.B. ve Z.H.

Önceki çalışma ilişkisi: Makale, “Design and Validation of a Climbing Robot via Passive Wheel Compliance” başlıklı 2025 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems konferans çalışmasının gözden geçirilmiş ve genişletilmiş sürümüdür. Mevcut makalede robot tasarımı, manyetik tutunma mekanizması, eğri yüzey kinematiği ve deneysel doğrulama genişletilmiştir.

Konferans tarihi notu: Makalenin Acknowledgments bölümü önceki konferansı 24–26 Ekim 2025 olarak belirtirken kaynakça [30] aynı konferans bildirisi için 17–19 Ekim 2025 tarihini vermektedir. Kaynak bu farkı açıklamamaktadır.

Resmî yayın kaydı: MDPI Machines, Volume 14, Issue 5, Article 492; DOI 10.3390/machines14050492.

Bu Verianla içeriğindeki bilimsel açıklamalar yalnızca incelenen çalışmanın mekanik tasarımı, matematiksel modelleri, manyetik simülasyonları, laboratuvar deneyleri ve saha doğrulamasına dayanmaktadır. Dış kaynak yalnız bibliyografik kimlik ve resmî yayın kaydını doğrulamak için kullanılmış; ana bilimsel içeriğe dışarıdan deney, istatistik veya mekanizma eklenmemiştir.

Kaynak içi tutarlılık notları: (1) Robot dış boyutları 312 × 210 × 176 mm, 320 × 230 × 180 mm ve 315 × 210 × 176 mm olmak üzere üç farklı biçimde verilmiştir. (2) Hareket hızı 0–6 m/dak ve 0–8 m/dak olarak iki farklı aralıkta rapor edilmiş; saha deneyinde yaklaşık 6,5 m/dak kullanılmıştır. (3) Yük kapasitesi 16,63 kg, 16,67 kg ve 16,6 kg olarak farklı biçimlerde yazılmış; doğrudan deneysel maksimum gerilme 166,3 N'dur. (4) Bölüm 5.3 metni prob takılı sistem için dışbükey R=990 mm ve içbükey R=1357 mm sınırını verirken Tablo 5 bu iki yüzey etiketini ters göstermektedir. (5) Tablo 4'te R=100 mm dış yüzey spiral hareket iki kez ve farklı başarı oranlarıyla yer almaktadır; çevre metni bunlardan birinin R=150 mm koşuluyla ilişkili olabileceğini düşündürse de tablo sessizce düzeltilmemiştir. (6) Aynı bölüm metni beş tekrardan söz ederken Tablo 4 başlığı on deneme yazmaktadır. (7) Engel aşma sonucu özet ve deney metninde 7 mm'ye kadar, Tablo 5'te prob olmadan 8 mm ve probla 5 mm olarak verilmiştir. (8) Mıknatıs açı deneyindeki simülasyon–ölçüm farkı bir yerde %2, başka bir yerde %10 sınırı içinde olarak ifade edilmiştir. (9) Saha bölümünde sensörler bir yerde MFL probları, Şekil 24 açıklamasında elektromanyetik ultrasonik problar olarak adlandırılmıştır. Bu farklılıkların hiçbiri çalışma dışında varsayımla giderilmemiştir.

Çalışmanın mevcut kanıt düzeyi, C3bot'un pasif manyetik ve mekanik uyum mekanizmasının çeşitli eğrilikli çelik yüzeylerde çalışabildiğini ve gerçek bir türbin ortamında denetim taşıyıcısı olarak kullanılabildiğini desteklemektedir. Buna karşılık çok daha karmaşık yüzey geçişleri, tam otonom yol planlama, sensör geometrisinin sıkı eğriliklerde iyileştirilmesi ve uzun dönem endüstriyel güvenilirlik için ek doğrulama gerekmektedir.