مقدمه ای بر رباتیک

-1مقدمه

    اتوماسیون در بخشهای مختلف صنعت و كارهای تولیدی در چند دهه اخیر ظهور پیدا كرده است و روز به روز نیز در حال توسعه می باشد. بیش از چند دهه از ظهور كارخانجات كاملاً مكانیزه كه در آنها تمامی پروسه ها اتوماتیك بوده و نیروی انسانی در آن نقش اجرائی ندارد، نمی گذرد. اما در چند ساله اخیر شاهد بوجود آمدن كارخانجات مكانیزه ای بوده ایم كه طراحی، ساخت و نحوه كار آنها واقعاً حیرت انگیز است. ایده و دانش كنترل اتوماتیك و استفاده از سیستمهای مكانیزه در كارخانجات به جنگ جهانی دوم می رسد. ما تحولات عظیم و چشمگیر آن در سالهای اخیر بوقوع پیوسته است.

رباتها جدیدترین مرحله تلاش انسان جهت صنایع اتوماتیك به شمار می روند. رباتها آن دسته از ماشینهای ساخت بشر هستند كه لزوماً حركتهایی شبیه انسان ندارند ولی توان تصمیم گیری و ایجاد و كنترل فعالیتهای از پیش تعیین شده را دارند.

شكل 1 : نمونه ای از استفاده از ربات در صنعت

    2- تعریف ربات

    دو تعریف موجود در رابطه با كلمه ربات از قرار زیر می باشند[9] :

    1- تعریفــی كه توسطConcise Oxford Dic.  صورت گرفتــه است؛ ماشینی مكانیكی با ظاهر یك انسان كه باهوش و مطیع بوده ولی فاقد شخصیت است. این تعریف چندان دقیق نیست، زیرا تمام رباتهای موجود دارای ظاهری انسانی نبوده و تمایل به چنین امری نیز وجود ندارد.

    2- تعریفی كه توسط مؤسسه ربات آمریكا صورت گرفته است؛ وسیله ای با دقت عمل زیاد كه قابل برنامه ریزی مجدد بوده و توانایی انجام چند كار را دارد و برای حمل مواد، قطعات، ابزارها یا سیستم های تخصصی طراحی شده و دارای حركات مختلف برنامه ریزی شده است و هدف از ساخت آن انجام وظایف گوناگون می باشد.

    3- دسته بندی رباتها

    رباتها در سطوح مختلف دو خاصیت مشخص را دارا می باشند :

    1- تنوع در عملكرد

    2- قابلیت تطبیق خودكار با محیط

به منظور دسته بندی رباتها لازم است كه قادر به تعریف و تشخیص انواع مختلف آنــــــها باشیم. سه

 دسته بندی مختلف در مورد رباتها وجود دارد. دسته بندی اتحادیــــــه رباتهای ژاپنی، دسته بندی

 مؤسسه رباتیك آمریكا و دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی.[9]

   1-3-دسته بندی اتحادیه رباتهای ژاپنی

    انجمن رباتهای صنعتی ژاپن، رباتها را به شش گروه زیر تقسیم می كند :

    1- یك دست مكانیكی كه توسط اپراتور كار می كند : وسیله ای است كه دارای درجات آزادی متعدد بوده و توسط عامل انسانی كار می كند.

    2- ربات با تركیبات ثابت : این دسته رباتها با تركیبات ثابت طراحی می شوند. در این حالت یك دست مكانیكی كارهای مكانیكی را با قدمهای متوالی تعریف شده انجام می دهد و به سادگی ترتیب كارها قابل تغییر نیست.

    3- ربات با تركیبات متغیر : یك دست مكانیكی كه كارهای تكراری را با قدمهای متوالی و با ترتیب تعریف شده، انجام می دهد و این ترتیب به سادگی قابل تغییر است.

    4- ربات قابل آموزش : اپراتور در ابتدای امر به صورت دستی با هدایت یا كنترل ربات كاری را كه باید انجام شود، انجام می دهد و ربات مراحل انجام وظیفه را در حافظه ضبط می كند. هر وقت كه لازم باشد، می توان اطلاعات ضبط شده را از ربات درخواست نمود و ربات وظیفه درخواست شده را بصورت خودكار انجام می دهد.

    5- ربات با كنترل عددی : اپراتور وظیفه ربات را توسط یك برنامه كامپیوتری به او تفهیم می نماید و نیازی به هدایت دستی ربات نیست. درواقع ربات با كنترل عددی، رباتی است كه با برنامه كامپیوتری كار می كند.

    6- ربات باهوش : این ربات درك از محیط و استعداد انجام كار با توجه به تغییر در شرایط و محدوده عمل كار را دارد.

    2-3- دسته بندی مؤسسه رباتیك آمریكا

    انستیتوی رباتیك آمریكا تنها موارد 3 و 4 و 5 و 6 را به عنوان ربات پذیرفته است.

    3-3- دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی

    مؤسسه ربات صنعتی فرانسوی، رباتها را به شكل زیر تقسیم كرده است :

    نوع A : دستگاهی كه توسط دست یا از راه دور كنترل می شود (مورد 1 طبقه بندی قبل).

    نوع B : وسیلة حمل كننده خودكار با یك سیكل محاسبه شده از قبل (موارد 2 و 3 طبقه بندی قبل).

    نوع C : دستگاهی قابل برنامه ریزی و با توانایی خود كنترل (موارد 4 و 5 طبقه بندی قبل).

    نوع D : دستگاهی كه قادر است اطلاعات معینی از محیط را بدست بیاورد و به عنوان ربات باهوش معروف است (مورد 6 طبقه بندی قبل).

    4- اجزاء اصلی یك ربات

    مهندسی ربات، مهندسیهای نرم افزار، سخت افزار، برق و مكانیك را در خدمت خود گرفته است. بعضی مواقع این علوم به حد كافی پیچیده می باشند. همچنانكه در شكل 2-2 مشاهده می شود هر ربات دارای 5 مؤلفه به شرح ذیل می باشد [9]و[15]:

    1-4- بازوی مكانیكی ماهر(Mechanical Manipulator)

    بازوی مكانیكی شامل چندین واصل است كه با مفصلها به هم وصل می شوند. این واصلها در جهات مختلف در فضای كاری قادر به حركت می باشند. حركت یك مفصل بخصوص باعث حركت یك یا چند واصل می شود. عامل تحریك مفصل می تواند مستقیماً یا از طریق بعضی انتقالات مكانیكی بر واصل بعدی متصل شود. به واصل نهایی بازوی مكانیكی وسیله كاری ربات وصل شده است كه به آن عامل نهایی می گویند. هر یك از مفصلهای ربات یك محور مفصل دارند كه واصل حول آن می چرخد. هر محور مفصل یك درجه آزادی(D.O.F.) تعریف می كند. بیشتر رباتها دارای 6 درجه آزادی می باشند به عبارت دیگر دارای 6 مفصل، بمنظور حركت در 6 جهت. اولین سه مفصل ربات به عنوان محورهای اصلی شناخته می شوند. بطوركلی صرفنظر از جزئیات، محورهایی كه برای محاسبه موقعیت

شكل 2 : مؤلفه های یك ربات

و استقرار مچ استفاده می شونــد، محورهای اصلی ربات هستند. محورهای مفصلهای باقیمانده جهت قرار گرفتن دست ربات را مشخص می كنند، ولذا محورهای فرعی  نامیده می شوند.

            دو نوع مفصل اصلی به صورت گسترده در صنعت رباتها بكار گرفته می شود. مفصل دورانی كه نمایش دهنده حركت چرخشی حول یك محور است و مفصل انتقالی یا لغزشی كه نمایش دهنده حركت خطی در طول یك محور است، (جدول 1).

            Description                                Notation                              Type                  

Rotary motion about an axis                R                             Revolute                

Linear motion along an axis                   P                               Prismatic

              جدول 1 : انواع مفصل ربات

    2-4- سنسورها

    برای كنترل صحیح بازوی مكانیكی بایستی وضعیت هر مفصل شناخته شده باشد. منظور از وضعیت، موقعیت مفصل، سرعت و شتاب می باشد. بنابراین در مفصلها بایستی سنسورهایی جهت دید مفصلها و وصلها جهت تعیین موقعیت، گشتاور، سرعت، شتاب، و ... نصب شود، تا وضعیت مفصلها به كنترلر ابلاغ شود. خواندن اطلاعات سنسور، یا در اتمام حركت یا در حین حركت انجام می گیرد و با ارسال اطلاعات آنی سنسورها به كنترلر، كنترل صحیح و واقعی سیستم مكانیكی انجام می شود. این اطلاعات سنسوری، دیجیتال یا آنالوگ و یا تركیبی می باشند.

    3-4- كنترلر

    بخشی است كه به بازوی مكانیكی، هوش انجام كار را می دهد. كنترلر معمولاً از بخشهای ذیل تشكیل می شود :

            1- واحدی كه اجازه می دهد ربات از طریق سنسورها با محیط بیرون ارتباط داشته باشد.

            2- حافظه جهت ذخیره داده هایی كه مختصات را تعریف می كنند تا بازو با توجه به این مختصات حركت كند (برنامه).

            3- واحدی كه داده ذخیره شده در حافظه را تغییر می دهد و سپس داده را برای ارتباط دادن با مؤلفه های دیگر كنترل بكار می برد.

            4- حركت مؤلفه هــای بخصوصی در نقاط معینــی مقدار دهی اولیه شده و در نقطه بخصوص

دیگری پایان می یابند.

            5- واحــد محاسباتی كه محاسبــات لازم برای كنترلـر را انجام می دهد. به عبارت دیگر، برای

انجام صحیح اعمال بایست یك سری محاسبات جهت مشخص كردن مسیر، سرعت و موقعیت بازوی مكانیكی انجام شود.

            6- واسطی جهت بدست آوردن داده ها (مختصات هر مفصل، اطلاعاتی از سیستم بینایی و ...) و واسطی جهت اعمال سیگنالهای كنترل به محرك مفصلها.

            7- واسطی جهت انتقال اطلاعات كنترلر به واحد تبدیل توان، به طوری كه محرك های مفصلها باعث بشوند كه مفصلها به صورت مطلوب حركت كنند.

            8- واسط به تجهیزات دیگر، بطوری كه كنترلر ربات با واحدهای خارجی یا ابزارهای كنترل دیگر، ارتباط داشته باشد.

            9- وسایل و تجهیزات لازم جهت آموزش ربات.

كنترلرهای رباتها كلاً به 5 دسته تقسیم بندی می شوند :

            1- كنترل با قدم ساده(Simple Step Sequencer)

            2- سیستم منطقی پنوماتیكی(Pneumatic Logic System)

            3- كنترلر با قدمهای الكترونیكی (Electronic Sequencer)

            4- میكرو كامپیوتر (Micro Computer)

            5- مینی كامپیوتر (Mini Computer)

سه كنترلر اول در رباتهای كم هزینه به كار برده می شوند. بیشتر كنترلرهای امروزی براساس میكروكامپیوترهای معمولی می باشند و سیستم كنترل براساس مینی كامپیوتر زیاد رایج نمی باشد، چرا كه نسبت به میكروكامپیوترها هزینه بالاتری دارند.

    4-4- واحد تبدیل توان

    این واحد سیگنالهای كنترلر را گرفته و به یك سیگنال در سطح توان محرك ها و موتورها، جهت حركت، تبدیــل می كند. این واحــد شامل تقویت كننده هـای توان الكترونیكی برای رباتهای الكتریكی و شیرهای كنترلی و راه اندازهای هیدرولیكی برای رباتهای هیدرولیكی می باشد.