DESIGN and STRUCTURAL OPTIMIZATION of a ROBOTIC END-EFFECTOR USING SIMP-BASED TOPOLOGY OPTIMIZATION

Year 2025, Volume: 1 Issue: 2, 1 - 7, 29.09.2025

Hilmi Saygın Sucuoğlu

Abstract

In this study a robotic end effector has been topologically optimized using Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) technique. The robotic arm and end effector were designed. The engineering analyses with Finite Element Methods (FEM) were applied to the preliminary structure of the end effector to confirm the feasibility of the topology optimization process. Topology optimization was then applied to the end effector with the same analysis conditions. The optimization process resulted in a good amount of weight reduction while maintaining the mechanical integrity of the structure. These findings highlight the effectiveness of topology optimization for improving structural efficiency of a designed end effector.

Keywords

Evolutionary Structural Optimization , Robot Arm , Robot End Effector , Solid Isotropic Material with Penalization , Topology Optimization

SIMP TABANLI TOPOLOJİ OPTİMİZASYONU KULLANARAK BİR ROBOTİK UÇ EFFEKTÖRÜNÜN TASARIMI ve YAPISAL OPTİMİZASYONU

Abstract

Bu çalışmada, Katı İzotropik Cezalandırma Malzemesi (SIMP) tekniği kullanılarak bir robotik uç efektörü topolojik olarak optimize edilmiştir. Robotik kol ve uç efektörü tasarlanmıştır. Sonlu Elemanlar Yöntemleri (FEM) ile yapılan mühendislik analizleri, topoloji optimizasyon sürecinin uygulanabilirliğini doğrulamak için uç efektörün ön yapısına uygulanmıştır. Daha sonra topoloji optimizasyonu aynı analiz koşullarıyla uç efektöre uygulanmıştır. Optimizasyon süreci, yapının mekanik bütünlüğünü korurken iyi miktarda ağırlık azaltımı ile sonuçlanmıştır. Bu bulgular, tasarlanmış bir uç efektörünün yapısal verimliliğini artırmak için topoloji optimizasyonunun etkinliğini vurgulamaktadır.

Keywords

Evrimsel Yapısal Optimizasyon , Robot Kolu , Robot Uç Efektörü , Topoloji Optimizasyonu

References

• [1] Y. Düzcan, "Yapısal optimizasyon teknikleri ile taşıt süspansiyon bileşenlerinin geliştirilmesi", Master's thesis, Bursa Uludag University (Turkey), 2019.
• [2] S. Dinçel, "Araç fren pedalının polimer kompozit malzemeden eklemeli üretim yöntemine uygun optimum tasarımı ve seri parça ikamesi olarak üretimi", Master's thesis, Bursa Uludag University (Turkey), 2022.
• [3] H. E. Enginar, "Ağır taşıt jantının topoloji optimizasyonu yardımıyla optimum tasarımı", Master's thesis, Dokuz Eylul Universitesi (Turkey), 2014.
• [4] H. Guan, Y. J. Chen, Y. C. Loo, Y. M. Xie, and G. P. Steven, "Bridge topology optimisation with stress, displacement and frequency constraints", Computers & Structures, vol. 81, no. 3, pp. 131–145, 2003.
• [5] B. Erol, "Uçak komponentlerinin bilgisayar destekli malzeme seçimi ve topoloji optimizasyonu ile tasarımı", Master's thesis, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019.
• [6] N. Demir, H. S. Sucuoglu, I. Bogrekci, and P. Demircioglu, "Topology optimization of mobile transportation robot", International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, vol. 6, no. 3, pp. 210–219, 2021.
• [7] D. Ö. Helvacı, "Tiling of Cellular Structures Into the Parts According to the Density Values of SIMP Topology Optimization", Master's thesis, Middle East Technical University (Turkey), 2020.
• [8] M. P. Bendsøe and N. Kikuchi, "Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 71, no. 2, pp. 197–224, 1988.
• [9] G. I. Rozvany and T. Lewiński (Eds.), Topology Optimization in Structural and Continuum Mechanics, Springer, 2014.
• [10] S. Liu, Q. Li, J. Liu, W. Chen, and Y. Zhang, "A realization method for transforming a topology optimization design into additive manufacturing structures", Engineering, vol. 4, no. 2, pp. 277–285, 2018.
• [11] A. Olason and D. Tidman, "Methodology for topology and shape optimization in the design process", 2010.
• [12] G. I. Rozvany, "Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics", Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 21, pp. 90–108, 2001.
• [13] K. A. Proos, "Evolutionary structural optimisation as a robust and reliable design tool", 2002.
• [14] M. Zhou and G. I. N. Rozvany, "On the validity of ESO type methods in topology optimization", Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 21, no. 1, pp. 80–83, 2001.
• [15] Y. M. Xie, P. Felicetti, J. W. Tang, and M. C. Burry, "Form finding for complex structures using evolutionary structural optimization method", Design Studies, vol. 26, no. 1, pp. 55–72, 2005.
• [16] S. Y. Wang, K. Tai, and M. Y. Wang, "An enhanced genetic algorithm for structural topology optimization", International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 65, no. 1, pp. 18–44, 2006.
• [17] F. M. Özkal and H. Uysal, "General Aspects of Evolutionary Structural Optimization: A Review", Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, vol. 15, no. 3, 2009.
• [18] G. P. Steven, Q. Li, and Y. M. Xie, "Evolutionary topology and shape design for general physical field problems", Computational Mechanics, vol. 26, no. 2, pp. 129–139, 2000.
• [19] F. Değirmencioğlu, Y. C. Koşer, and A. Yıldız, "Endüstriyel Robotlarda Kullanılan Çoklu Tutucunun Yapısal Analizi ve Optimizasyonu", Uluslararası Bilim Teknoloji ve Tasarım Dergisi, vol. 4, no. 2, pp. 103–112, 2023.
• [20] B. Monteiro, F. Rocha, and J. Costa, "Topology optimization of a robot gripper with nTopology", U. Porto Journal of Engineering, vol. 10, no. 1, pp. 11–19, 2024.