دانلود مقاله در مورد مقدمه ای بر رباتیک برای رشته برق

[eli joon]

رباتیک چیست؟
رشد روز افزون دانش بشری انسانها را با دست آوردها و علوم جدیدی آشنا می‌سازد که قبل از آن شاید تنها ریشه در تخیل داشت رباتیک یکی از تخیلات انسانی است که کم کم پا به عرصه واقعیت نهاده و زندگی بشری را دست خوش تغییرات شگرفی خواهد کرد.

 قوانین رباتیک:
کلمه ربات اولین بار توسط Karel Capek  نویسنده نمایشنامه R.U.R روبات‌های جهانی روسیه در سال 1921 ابداع شد. ریشه این کلمه، کلمه چک اسلواکی (robotnic) به معنی کارگر می‌باشد.
در نمایشنامه وی نمونه ماشین، بعد از انسان بودن و دارا بودن نقاط ضعف و قوت یک انسان معمولی ، یک انسان دارای قدرت بسیار زیادی بود که در پایان نمایش نامه برای مبارزه علیه سازندگان خود استفاده شد البته لازم به ذکر است که پیش از آن یونانیان نیز مجسمه متحرکی ساخته بودند که نمونه اولیه ماشینی بوده که ما امروزه ان را ربات می‌نامیم.
تعریف امروزه ربات از نظر عوام مردم وسیله ای است که اعمالی هوشمند شبیه انسان انجام می‌دهد در حالی که فرهنگ وبستر ربات را این‌گونه تعریف می‌کند:"یک دستگاه یا وسیله خودکاری که قادر به انجام اعمالی است که معمولا به انسان‌ها نسبت داده می شود و یا مجهز به قابلیتی است که شبیه هوش بشری است".
در این راستا دانشمندان سعی بر آن دارند ربات‌هایی بسازند که به طرق مختلف نیاز ‌های انسان‌ را براورده سازند و در نهایت به رباتی با قابلیت ‌های کامل یک انسان برسند.

قوانین رباتیک مطرح شده توسط آسیموف چنین است:

• ربات ها نباید هیچگاه به انسانها صدمه بزنند.

• رباتهاباید دستورات انسانها را بدون سرپیجی از قانون اوّل اجرا کنند.

• رباتها باید بدون نقض قانون اوّل و دوم از خود محافظت کنند.

ربات‌ها دارای سه قسمت اصلی هستند:

•  مغز که معمولاً یک کامپیوتر است

•  محرک و بخش مکانیکی شامل موتور، پیستون، تسمه، چرخ‌ها، چرخ دنده‌ها و …

•  سنسور که می‌تواند از انواع بینایی، صوتی، تعیین دما، تشخیص نور، تماسی یا حرکتی باشد.

از کجا شروع کنیم؟؟
به نظر بنده ورود به عرصه رباتیک مشکل ترین مرحله می باشد به طور کلی رباتیک رشته ای میان رشته ای است با ترکیبی از رشته های مهندسی برق گرایشات الکترونیک و کنترل ، مهندسی مکانیک گرایش طراحی جامدات و مهندسی کامپیوتر گرایش نرم افزار.
در ایران این رشته در مقطع کارشناسی ارشد، مکاترونیک نام دارد که معمولا مورد توجه دانشجویان رشته برق ، کامپیوتر و مکانیک قرار می گیرد.
رشته رباتیک قبل از رشته مکاترونیک تدرس خود را شروع کرده به طوری که رشته مهندسی رباتیک در سال 1381 در مقطع کارشناسی توسط دانشگاه صنعتی شاهرود وارد ایران شد. اما آموزش رشته مکاترونیک از سال 1383 در ایران شروع شد.
واضح است زمانی که می خواهید به مقوله رباتیک بپردازید باید به بخش هایی از این 3 رشته بپردازیم در حالت کلی رباتیک را به 2 بخش شبیه سازی  (Simulation)، و ربات حقیقی (Real) تقسیم بندی می کنند. در شبیه‌سازی در حقیقت رباتی به صورت فیزیکی ساخته نمی‌شود و ساخت ربات در یک محیط مجازی شبیه سازی شده که در آن بعضی از قوانین دنیای واقعی وجود دارد صورت می‌گیرد هدف از برگزاری و کار بر روی این قسمت بیشتر کار بر روی هوش ربات ( یا همان مقوله هوش مصنوعی) می باشد. در این بخش مسابقاتی در رشته های «شبیه سازی امداد و نجات» (Rescue Simulation) و «شبیه سازی فوتبال» (Soccer Simulation) و... هرسال در جهان برگزار می‌شود. در بخش Real مسابقات بسیار متنوعتری نسبت به Simulation وجود دارد زیرا شما با ربات های حقیقی سر و کار دارید که مهم‌ترین آنها عبارتند از: ربات‌های فوتبالیست(در چندین سطح مختلف)، ربات‌های امدادگر، ربات‌های مسیریاب (Path Finder)، ربات‌های آتش نشان (Fire Fighter)، ربات های مین یاب (Deminer)، ربات‌های لابیرنت، ربات‌های انسان نما (Humanoid)، سگها (Four legged Robot)، ربات های خانگی(At home) و... البته واضح است که ساخت ربات واقعی علاوه بر مشکلات متعددی که داراست دارای هزینه های بالاتری نیز می باشد.


 اتوماسیون (Automation)
انجام کارهای دستی همچون ساخت ربات برای بیشتر افراد فرح بخش است مگر زمانی که کارها به صورت یکنواخت و تکراری در آمده باشد.
در دنیای امروز نیاز به کارهای یکنواخت به علت نیاز بازار به تولید انبوه و مرغوبیت کالا وجود دارد که استفاده از دستگاه های مجهز به وسایل خودکار کامپیوتری یا اتوماسیون کامپیوتری به جای استفاده از نیروی کار انسانی مطرح می گردد به علت تغییرناپذیری و گرانی دستگاه های اتوماسیون که به اتوماسیون سخت (Hard Automation) معروفند، باعث شده که ربات ها در خط تولید محصولات مختلف به کار روند همین امر سبب می گردد که در زمینه های مختلف رباتیک مانند:

• حرکت شناسی یا سینماتیک (Kinematics)

•  دینامیک (Dynamics)

• برنامه نویسی (Programming Language)

• برنامه ریزی (Planning System)

• کنترل (ِControl)

• حس تشخیص (Sensing)

• هوشمندی ماشین (Machine Intelligence)

تحقیقات وسیعی اتفاق بیفتد معمولا زمانی که می خواهیم یک ربات را بسنجیم قابلیت های همچون خصوصیات مکانیکی مانند قابلیت تکرار کار یا حداکثر قدرت جابه جایی بار یا سرعت و شتاب ربات را در نظر می گیریم اما علاوه بر این خصوصیات عنوان شده دو خصوصیت حرکت شناسی و دینامیک ربات هم باید به خوبی بررسی شود تا ربات به سادگی قابل کنترل باشد
در حالت کلی اتوماسیون بر 2 نوع است :

1.  اتوماسیون سخت (Hard Automation) : به نوعی از اتوماسیون گفته می شود که با استفاده از سیستم های الکتریکی ، الکترونیکی و یا مکانیکی انجام می گیرد
2.  اتوماسیون نرم (soft Automation) : به نوعی گفته می شود که در کنترل آن از برنامه نویسی سطح بالا یا سطح پایین استفاده می شود (High or low level programming language)

اگر بخواهید مزایای استفاده از ربات ها را بر شماریم خواهیم دید که:

1.  ربات نسبت به اتوماسیون سخت دارای قابلیت تغییر پذیری بالایی است
2.  از رباتها  می توان در محیط های کاری خطرناک استفاده نمود
3.  بالا بودن سطح تولید از مزایای دیگر آن است
4.  کیفیت تولید یکنواخت است
5.  نیاز به کاربران کمتر و همین طور عدم نیاز به کارگر کم تجربه

 نحوه کنترل ربات
 یک نوع دیگر از تقسیم بندی ربات جهت کنترل که بسیار متداول تر می باشد:

1. کنترل غیر قابل بازخورد یا فیدبک(Non-Servo control) این نوع از کنترل ساده ترین نوع کنترل است که در حقیقت فیدبکی از خروجی به ورودی برگردانده نمی شود یک مثال خیلی ساده از مدار و یا سیستم بدون فیدبک می توان به ماشین لباسشویی اشاره کرد که تمیز یا کثیف بودن لباس ها چک نمی شود و تنها سیستم یک عمل خاص را در یک زمان خاص انجام می دهد. کنترل غیر قابل فیدبک خود بر دو نوع است :

کنترل ایست مکانیکی(Mechanical stop control):  در این روش حرکت ربات توسط مانعی که آن را ایست (stop)  می نامند معین می شود
کنترل نقطه به نقطه (Point-to- point Control): در این روش که در رباتهای هیدرولیک به کار می رود بدین صورت است که با کنترل کردن مقدار روغن داخل پمپ در بازوی ربات به اندازه ای که خواسته شده ربات حرکت می کند و کنترل می شود

1.  کنترل قابل بازخورد یا فیدبک (Servo-Control): در این نوع از کنترل ما می توانیم بدون استفاده از ایست مکانیک ها ربات را متوقف کنیم این مدار یک مدار بسته است اگر بخواهیم مثالی از آنچه در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم داشته باشیم می توان به کنترل کننده های دما اشاره کرد که مثلا شما در تابستان دما را بر روی 35 درجه قرار می دهید زمانی که دما بالای 35 درجه برود کولر روشن شده  و دما را کاهش می دهد زمانی که دما زیر 35 درجه رفت خاموش می شود این یک سیستم مدار بسته است که ورودی بازخورد خروجی است که ( خروجی دمای بیرون است) البته این روش دارای ایرادی است که آن خاموش و روشن شدن مرتب فن می باشدچون ممکن است مثلا پس از 3 دقیقه روشن شدن فن دما پایین آید پس هر 3 دقیقه یکبار فن روشن و خاموش می شود برای جلوگیری از این مشکل که سبب استهلاک و خرابی زودرس دستگاه ها می شود یک بازه تعریف میکنند مثلا دما اگر زیر 30 بود فن خاموش شود و زمانی که بالای 37 بود روشن گردد

کنترل با فیدبک نیز  به دو صورت اتفاق می افتد

•  کنترل نقطه به نقطه (Point-to- point Control)

• کنترل مسیر پیوسته(Continue path control)

    ساختمان ربات

 اندام های مکانیکی ربات: که شامل بازوهای پیوسته که به صورت لولا به هم متصلند و این مفصل ها به دو صورت عمل می کنند

• دورانی (Revolute )

• منشوری (Prismatic)

هر مفصل و بازو یک درجه آزادی را تشکیل می دهند (Degree of freedom)

در نتیجه اگر شما مثلا n مفصل و n‌ بازو داشته باشیم n‌ درجه آزادی خواهیم داشت این بازوها به بازویی که ربات به وسیله آن به جایی نصب شده متصلند این بازو به بازوی صفر مشهور است و جزء بازو های ربات محسوب نمی شود و در حرکت ربات تاثیری ندارند و به جایی مثلا زمین متصل هستند و توسط این پایه است که مختصات اولیه ربات را می سنجیم این مختصات اولیه به مختصات جهانی معروف است (World coordinate)  نحوه شماره گذاری بازوها از بازوی پایه آغاز می شود تا به بازوی انتهایی ادامه می یابد نکته حائز اهمیت آن است که هیچگاه یک ربات یک  مدار بسته را تشکیل نمی دهد

2. نیرو محرکه یا راه انداز(Actuator): تولید کننده قدرت و نیروی ربات است که توسط یک کنترل کننده دقیق به کنترل مفصل ها و بازوهای ربات می پردازد که خود شامل 3 نوع می باشد:

•  پنوماتیک یا سیستم بادی ( Pneumatic system):
• هیدرولیک یا سیستم روغنی (Hydraulic System)
•  سیستم برقی یا الکترونیک سیستم (Electronic System)

3. سیستم انتقال نیرو (Transmission system): واسطه ای بین سیستم اندام های مکانیکی و نیرو محرکه است که از محل تولید آن را به یکی از اندام ها منتقل می کند

4. سنسور یا حسگر(Sensor): حکم چشم ربات را دارند که شامل انواع برقی و نوری و .... می باشند

5. دستگاه کنترل یا کامپیوتر ربات (The robot Controller or computer) : در واقع برتری یک ربات از روی سیستم کنترل و میزان هوشمندی آن قابل ارزیابی است
در ادامه به بررسی هر بخش از ربات خواهیم پرداخت


 کنترل نقطه به نقطه (PTP Control)
PTP control یا کنترل نقطه به نقطه معمولا زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که مسیر حرکت حائز اهمیت نباشد در این روش ربات را به روشی برنامه ریزی می کنند که تنها رسیدن به مقصد مورد اهمیت است

 
چنانچه در مقاله نحوه کنترل روبات عنوان شد دو نوع کنترل برای ربات وجود دارد:

کنترل غیر قابل بازخورد یا فیدبک(Non-Servo control)

کنترل قابل بازخورد یا فیدبک (Servo-Control) که شامل:

کنترل نقطه به نقطه (Point-to- point Control)

کنترل مسیر پیوسته(Continue path control)

می شدند توضیح مختصری دادیم

از بین این دو نوع کنترل، کنترل با فیدبک حائز اهمیت زیادی است زیرا با توجه به خروجی می توان میزان عملکرد و کارایی ورودی را محک زد
در این مقاله به بررسی اجمالی از نوع کنترل نقطه به نقطه (point-to- point control) خواهیم پرداخت PTP control معمولا زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که مسیر حرکت حائز اهمیت نباشد در این روش ربات را به روشی برنامه ریزی می کنند که تنها رسیدن به مقصد مورد اهمیت باشد مسیری که ربات در این حالت طی می کند به سینماتیک ربات یا نوع حرکت شناسی ربات مرتبط است که در مورد حرکت شناسی ربات به طور کامل بحث خواهیم کرد کنترل PTP دارای دقت و قدرت تکرار زیادی برخوردار است و از کاربرد های آن می توان به

• جوشکاری نقطه ای (Spot Welding)
•  انتقال و جابه جایی قطعات (مخصوصا زمانی که لازم است ماشین فاصله های طولانی را در کند مورد استفاده قرار می گیرد)

اشاره کرد

سه نوع کنترل PTP وجود دارد که شامل موارد زیر می باشند:

1.  کنترل نقطه به نقطه متوالی (Sequential PTP control) : در این نوع از کنترل هر یک از محور های ربات به طور جداگانه و به نوبت حرکت می کنند و معمولا زمانی از این روش استفاده می گردد که نوع موتور استفاده شده در ربات از نوع Stepper motor یا موتور پله ای باشد در این روش کنترل توسط یک Single-Micro   اتفاق می افتد در حقیقت این میکرو در هر لحظه تنها یک محور را حرکت می دهد و این سبب می شود که کنترل در این روش بسیار آسان باشد ولی در عین حال سرعت پایینی دارد
2. کنترل نقطه به نقطه ناهماهنگ (Uncoordinated PTP Control) : این نوع کنترل معمولا زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که موتور استفاده شده در ربات موتور DC باشد در این نوع سرعت بالاست زیرا تمامی محورها و مفصل ها با هم می توانند حرکت کنند و هر یک از موتور ها دارا ی کنترل مکانی هستند در این روش هر یک از نیرو محرکه ها محور خود را به مقصد می رسانند ولی زمان قابل پیش بینی نیست چون هر یک به طور جداگانه این کار را انجام می دهند سرعت ربات در این نوع بستگی به سرعت کمترین نیرو محرکه دارد
3.  کنترل نقطه به نقطه هماهنگ متوالی ( Terminally Coordinate PTP Control) : سرعت این نوع کنترل شبیه سرعت کنترل نقطه به نقطه ناهماهنگ است با این تفاوت که در این روش به علت آنکه نیرو محرکه ها هماهنگ هستند از میتوان از کنترل سرعت استفاده نمود.