3B Yazıcının Kontrolünde Optimizasyon Algoritmalarının Performansı

Üç boyutlu (3B) biyo yazıcılar, rejeneratif tıp ve doku mühendisliği alanlarında özellikle kulak, burun ve yüz-çene protezlerinin biyo baskılarında yoğun şekilde kullanılmaktadır. Modelden modele farklılık gösteren baskı hataları yapay doku ve organların biyo-baskısında sıklıkla görülmektedir. Modelin yüzeyinde meydana gelen hatalar yazdırılacak organın verimli kullanımına engel olmaktadır. Yapay doku ve organ biyo-baskısı sürecinde meydana gelen hataların en aza indirilebilmesi için 3B yazıcının kontrolcü performansının iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, yapay doku ve organların biyo-baskısı için İyileştirilmiş Gri Kurt Optimizasyon (İGKO) tabanlı yeni bir uyarlanabilir PID kontrolcü geliştirilmiştir. Yerel minimumlardan kaçınmak için İGKO algoritması tercih edilmiştir. Önerilen algoritmanın yakınsama hızı PID kontrolcünün parametrelerinin hızlı ve doğru şekilde ayarlanabilmesine olanak sağlamaktadır. Geliştirilen İGKO tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün performansı, performans metriklerinden biri olan zaman ağırlıklı karesel hatanın integrali (Integral of Time multiplied Squared Error-ITSE) yardımıyla ölçülmüştür. 3B yazıcı için önerilen kontrolcünün performansı, klasik PID ve Balina Optimizasyon Algoritması (BOA) tabanlı PID kontrolcülerin performansı ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlardan, önerilen İGKO tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün 3B yazıcının geçici tepkisini önemli ölçüde iyileştirdiği ve yazdırılan burun ve kulak gibi organlardaki yüzey hatalarını en aza indirdiği görülmektedir.

Performance of Optimization Algorithms in the Control of 3D Printer

Three-dimensional (3D) bio printers are used extensively in regenerative medicine and tissue engineering, especially in bioprinting of ear, nose and face-chin prostheses. Printing errors that differ from model to model are frequently seen in the bio-printing of artificial tissue and organ. Errors occurring on the surface of the model prevent the efficient use of the organ to be printed. The controller performance of the 3D printer needs to be improved so that errors in the artificial organ and tissue bio-printing process can be minimized. In this study, a novel adaptive PID controller based on Improved Grey Wolf Optimization (IGWO) has been developed for bio-printing of artificial tissues and organs. The IGWO algorithm has been preferred to avoid local minima. The convergence speed of the proposed algorithm allows the parameters of the PID controller to be adjusted quickly and accurately. The performance of the developed IGWO based adaptive PID controller has been measured with the help of Integral of Time multiplied Squared Error (ITSE), one of the performance metrics. The performance of the proposed controller for the 3D printer has been compared to the classical PID and Whale Optimization Algorithm (WOA) based PID controllers’s performance. From the experimental obtained results, it can be seen that the proposed IGWO based adaptive PID controller significantly improves the 3D printer's transient response and minimizes surface errors in the printed organs such as the nose and ear.

___

  • Nuseir, A., Hatamleh, M. M. D., Alnazzawi, A., Al‐Rabab'ah, M., Kamel, B., & Jaradat, E., (2019). Direct 3D printing of flexible nasal prosthesis: optimized digital workflow from scan to fit. Journal of Prosthodontics, 28(1), 10-14.
  • Zhong, N., & Zhao, X., (2017). 3D printing for clinical application in otorhinolaryngology. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology, 274(12), 4079-4089.
  • Di Gesù, R., Acharya, A. P., Jacobs, I., & Gottardi, R., (2020). 3D printing for tissue engineering in otolaryngology. Connective Tissue Research, 61(2), 117-136.
  • Farook, T. H., Jamayet, N. B., Abdullah, J. Y., Rajion, Z. A., & Alam, M. K., (2020). A systematic review of the computerized tools and digital techniques applied to fabricate nasal, auricular, orbital and ocular prostheses for facial defect rehabilitation. Journal of Stomatology, Oral and Maxillofacial Surgery, 121(3), 268-277.
  • Bauermeister, A. J., Zuriarrain, A., & Newman, M. I., (2016). Three-dimensional printing in plastic and reconstructive surgery: a systematic review. Annals of Plastic Surgery, 77(5), 569-576.
  • Nemli, S.K., Aydin, C., Yilmaz, H., Bal, B.T., & Arici, Y.K., (2013). Quality of life of patients with implant-retained maxillofacial prostheses: a prospective and retrospective study. The Journal of Prosthetic Dentistry, 109(1), 44-52.
  • Irish, J., Sandhu, N., Simpson, C., Wood, R., Gilbert, R., Gullane, P., Brown, D., Goldstein, D., Devins, G., & Barker, E., (2009). Quality of life in patients with maxillectomy prostheses. Head & Neck: Journal for the Sciences and Specialties of the Head and Neck, 31(6), 813-821.
  • Levine, E., Degutis, L., Pruzinsky, T., Shin, J., & Persing, J. A., (2005). Quality of life and facial trauma: psychological and body image effects. Annals of Plastic Surgery, 54(5), 502-510.
  • Horlock, N., Vögelin, E., Bradbury, E. T., Grobbelaar, A. O., & Gault, D. T., (2005). Psychosocial outcome of patients after ear reconstruction: a retrospective study of 62 patients. Annals of Plastic Surgery, 54(5), 517-524.
  • Hatamleh, M. M., Haylock, C., Watson, J., & Watts, D. C., (2010). Maxillofacial prosthetic rehabilitation in the UK: a survey of maxillofacial prosthetists’ and technologists’ attitudes and opinions. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 39(12), 1186-1192.
  • Watson, J., & Hatamleh, M. M., (2014). Complete integration of technology for improved reproduction of auricular prostheses. The Journal of Prosthetic Dentistry, 111(5), 430-436.
  • Hatamleh, M. M., & Watson, J., (2013). Construction of an implant‐retained auricular prosthesis with the aid of contemporary digital technologies: a clinical report. Journal of Prosthodontics: Implant, Esthetic and Reconstructive Dentistry, 22(2), 132-136.
  • Altan, A., & Hacıoğlu, R., (2018). The algorithm development and implementation for 3D printers based on adaptive PID controller. Journal of Polytechnic, 21(3), 559-564.
  • Mirjalili, S., Mirjalili, S. M., & Lewis, A., (2014). Grey wolf optimizer. Advances in Engineering Software, 69, 46-61.
  • Wang, X., Zhao, H., Han, T., Zhou, H., & Li, C., (2019). A grey wolf optimizer using Gaussian estimation of distribution and its application in the multi-UAV multi-target urban tracking problem. Applied Soft Computing, 78, 240-260.
  • Altan, A., & Parlak, A. (2020). Adaptive Control of a 3D Printer using Whale Optimization Algorithm for Bio-Printing of Artificial Tissues and Organs. IEEE Innovations in Intelligent Systems and Applications Conference, October, 1-5.
  • Nadimi-Shahraki, M. H., Taghian, S., & Mirjalili, S., (2021). An improved grey wolf optimizer for solving engineering problems. Expert Systems with Applications, 166, 113917.
  • Tan, P. N., Steinbach, M., & Kumar, V., (2005). Introduction to Data Mining. Pearson Addison Wesley.
International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences-Cover
  • Yayın Aralığı: Yılda 4 Sayı
  • Başlangıç: 2008
  • Yayıncı: Marmara Üniversitesi
Sayıdaki Diğer Makaleler

Duygu Algılamaya Dayalı Evrişimli Sinir Ağı ile Küçük Resmi Seçimi

Mahmut ÇAKAR, Kazım YILDIZ, Önder DEMİR

Speaker Accent Recognition Using MFCC Feature Extraction and Machine Learning Algorithms

Ahmet Aytuğ AYRANCI, Sergen ATAY, Tülay YILDIRIM

3B Yazıcının Kontrolünde Optimizasyon Algoritmalarının Performansı

Aytaç ALTAN, Ahmet PARLAK

Rüzgâr Enerjisi Dönüşüm Sistemlerinde bir DC-DC Güç Dönüştürücüsünün Denetimli Öğrenme Destekli Kontrolü

Alper Nabi AKPOLAT, Erkan DURSUN, Ahmet Emin KUZUCUOĞLU

Ses Efektlerine Özel Yüksek Seviye Hızlandırıcılarla Düşük Gecikmeli SoC Tasarımı

Yunus Emre ESEN, İsmail SAN

Çevik Yazılım Geliştirme Metodolojisi Üzerine Bir Üçüncül Çalışma ve Sosyal Ağ Analizi

Egemen BAYRAM, Buket DOĞAN, Volkan TUNALI

Arama ve Kurtarma Alanlarında Anlamsal Sınıflandırma için Nokta Tabanlı Derin Öğrenme Tekniklerinin Karşılaştırmalı Bir Çalışması

Kaya TURGUT, Burak KALECİ

İnsansız Sualtı Aracı Hareketinin Kalman Filtre İle Kestirimi ve Makine Öğrenmesi ile İyileştirilmesi

Berna EROL, Recep CANTEKİN, Seda KARTAL, Rıfat HACIOĞLU, Kurtulus Serdar GÖRMÜŞ, Şenol Hakan KUTOĞLU, Kemal LEBLEBİCİOĞLU

Otel Değerlendirmeleri Üzerinde Hedef Tabanlı Fikir Madenciliği

Yunus Emre DEMİR, Semih DURMAZ, Ahmet ELBİR, İbrahim Onur SIĞIRCI, Banu DİRİ

Süreksiz Referans Sinyalleri ile İnsan Sinovyal Sıvısında Birden Fazla Biyohibrit Mikrorobotun Hareket Kontrolü için Benzetim Çalışmaları

Ahmet Fatih TABAK