بخشی از مقاله
چکیده: از بخشهای مهم در طراحی رباتهای انسان نما که امروزه یکی از پارامترهای پیشرفت یک کشور محسوب می-شود، قسمت دست آن است. درصد بالایی از کیفیت کاری که یک روبات انجام میدهد، به قابلیت حرکتی دست آن بستگی دارد. کارکرد یک روبات با افزایش حرکت پذیری دست آن به شدت بالا میرود. یکی از حرکاتی که در توانایی یک دست مصنوعی از اهمیت بالایی برخوردار است، حرکت جانبی انگشتها میباشد.
این حرکت در گرفتن اجسامی با شکلهای خاص مثل کره و یا حرکت دادن یک جسم گرفته شده در داخل دست تاثیر زیادی دارد. در این پژوهش علاوه بر طراحی و ارائه دست روباتیک به شکل دست انسان، روشی بر اساس جاسازی موتور در قسمت کف دست و استفاده از مکانیزم جدید برای حرکت جانبی انگشت پیشنهاد میگردد. مکانیزم ارائه شده، در نرم افزار سالیدورکس شبیه سازی شده و تحلیل استاتیکی ودینامیکی بر روی آن انجام گرفته است. تعیین اندازه وشکل ظاهری مناسب و حرکت جانبی انگشتها به عنوان هدف مشخص پژوهش، محقق شده است.
-1 مقدمه
در طول تاریخ، فرض شده که رباتها یک روز قادر به تقلید رفتار انسان بوده و در مدیریت وظایف مانند انسان عمل میکنند. امروزه، رباتیک به سرعت در حال رشد است. تحقیق، طراحی و ساخت ربات های جدید در خدمت اهداف عملی،پزشکی، تجاری، و یا نظامی.[1] با توجه به انواع ربات ها متوجه می شویم که بیشتر آنها برای انجام دادن وظیفه ای که دارند باید بتوانند با شرایط محیط خارجی ارتباط برقرار کنند. این ارتباط بر حسب شرایط می تواند حالت های مختلفی داشته باشد.
هر سیستم روباتیکی برای داشتن درکی از دنیای اطراف نیاز به سنسورها و همچنین ابزارهایی دارد تا بتواند خواسته خود را در آن محیط اعمال کند. سنسور نیرو و فشار، خمش، تعداد دوران، موقیت خطی و زاویه ای، نمونه ای از انواع سنسورهای پایه ای هستند که در بیشتر سیستم ها مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین سنسورهای خاصتری نیز همچون ژیروسکوپ- ها، انواع دوربین ها، اثر انگشت و سنسور رنگ نیز در مواردی بر روی روبات ها بکار می روند. حال یک روبات با کمک تمامی سنسورها بعد از برداشت اطلاعات مورد نیاز، برای ارتباط با اجسام محیط اطراف خود باید مجهز به عضوی باشد که بتواند اجسام با اشکال و ابعاد متنوع را گرفته و بردارد.[2]
توسعه دست رباتیک یکی از مسائل عمده در زمینه رباتیک است، که تعداد زیادی از مطالعات تحقیقاتی برای پیاده سازی توابع معمولی و اشکال دست انسان به آن اختصاص داده شده است.[2] با این حال، هنوز هم علم روباتیک از انجام ویژگیهای عمومی دست انسان مانند ظرافت و مهارت و چابکی در حرکات انگشت، حرکت نسبتا سریع، و نیروی درک بالا با ساختار باریک و سبک به دور است.[3] اگر دستی با قابلیت های اشاره شده طراحی شود، می تواند علاوه بر کار فیزیکی، کار غیر فیزیکی مانند ساخت یک ژست را انجام دهد. هدف از این مطالعه توسعه یک عملکرد بالا، وزن بسیار سبک و دست رباتیک انسانی است.[4] - [3] یکی دیگر از برنامه های احتمالی چنین روباتی این است که به عنوان یک دست مصنوعی مورد استفاده باشد. این بسیار مطلوب است که دست مصنوعی جمع و جور تر و بسیار سبک وزن باشد زیرا به بازوی انسان متصل خواهد شد .[5]
با بررسی سیستمهای طراحی شده مختلف برای گرفتن اجسام، از نظر ظاهر، درجات آزادی، وزن، و مهمترین پارامتر نوع انرژی مورد استفاده، می توان به این عبارت رسید که بهترین الگو برای این عضو می تواند همان دست انسان باشد. دست انسان نشان دهنده یک نمونه فوق العاده از یک سیستم بیومکاترونیکی طبیعی است، که هنوز هم نشان دهنده یک معیار برای طراحان رباتیک با هدف ایجاد قابلیت های پیچیده آن است.[6] تاکنون، توسعه دست رباتیک، که تقلیدی از دست انسان باشد، یک مسئله مهم بوده است. برای رسیدن به یک ربات دست بسیار کاربردی، طراحی مکانیزم تحریک به عنوان یک عامل مهم در نظر گرفته می شود، زیرا عملکرد کلی دست ربات اغلب توسط معماری مکانیکی محدود می گردد.[7] - [9]
-2 بخش تجربی
-1-2 مکانیزم محرک انگشت روبات
انگشت روباتیک طراحی شده برای حرکت در محدوده 90 درجه باید بتواند حول محوری که در آن لولا شده است بچرخد. در این طراحی از روش تبدیل نیرو از حالت چرخشی به خطی استفاده شده است. برای این تبدیل سیستم پیچ و مهره که به عنوان یکی از مکانیزم های محرک غیر برگشتی می باشد انتخاب شد. با توجه به طراحی مکانیکال انجام گرفته و ابعاد انگشتهای دست روباتیک، حرکت خطی مورد نیاز برای باز و بسته کردن کامل هر کدام از انگشتها، باید اندازه ای در حدود کمتر از 10 میلی-متر باشد. برای رسیدن به این اندازه در مدت زمانی مناسب، تعداد دور موتور گیربکس دار در واحد زمان، گام پیچ محرک و محل اتصال با انگشت مؤثر می باشند.
-2-2 طراحی انگشتهای روبات
با بررسی نمونههای مطالعه شده مشخص شد که دستهای روباتیکی طراحی شده در اندازه و شکل دست واقعی بیشترین و بهترین کارآیی را دارند. دست روباتیک با پنج انگشت و هر انگشت دارای سه بند با زاویه حرکتی 90 درجه که در شکل 1 نشان داده شده پایه شروع این طراحی است.
-3-2 انتخاب موتور
موتور الکتریکی DC گیربکس دار انتخاب شده برای ایجاد حرکت لازم در هر انگشت، دارای سرعت چرخشی 800 دور بر دقیقه در خروجی خود می باشد. طبق روابط زیر، این سرعت بعد از تبدیل به حرکت خطی و در خروجی مکانیزم پیچ و مهره با گام 0,5 میلیمتر، به حرکت خطی با سرعت تقریبی بیش از 6 میلیمتر بر ثانیه می رسد.
-3-2 سیستم ارتباط پیچ محرک خطی با انگشت
شکل 2 سه حالت فرضی را برای زاویه لینک نشان می دهد. با بررسی چگونگی عملکرد گرفتن یک جسم در میابیم که همواره یکی از انگشت های دست می تواند از نظر حرکت جانبی ثابت باشد، به این معنی که قبل از بستن دست برای گرفتن جسم، همان انگشت ثابت در محل مناسب خود توسط بازوی دست تنظیم شده و بقیه انگشت ها نسبت به آن انگشت، نقاط مناسب برای گرفتن جسم را انتخاب و به آن سمت حرکت می کنند. با دقت بیشتر متوجه می شویم این کار به صورت دقیق و کنترل شده توسط مغز و دست انسان انجام می پذیرد.
شکل -3چگونگی گرفته شدن اجسام [8]
برای هر کدام از انگشت ها یک قطعه جداگانه طراحی شده تا موتورها و تمام قطعات مرتبط با مکانیزم حرکتی آن انگشت به صورت یک مجموعه در آمده و انگشت ها کاملا از هم مستقل باشند. همچنین این طراحی دارای نکته ای در نحوه حرکت و کارآیی دست روباتیک می باشد که در ادامه توضیح داده شده است. استفاده از موتورهای جداگانه برای ایجاد حرکت جانبی برای هر کدام از انگشت ها، درجات آزادی دست روباتیک را بالا برده و باعث افزایش کارآیی روبات می گردد. البته در طراحی روباتها بایستی وزن کلی روبات که به واسطه تعداد قطعات استفاده شده در آن حاصل می شود و همچنین هزینه ساخت که رابطه مستقیم با قطعه اصلی یعنی موتور الکتریکی دارد و همینطور نحوه کنترل روبات که با افزایش تعداد محرک ها سخت تر می شود را در نظر داشت.
