بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک گیرنده روباتیک - Gripper - با قابلیت کارگیرش پایدار اجسام استوانهاي طراحی و ساخته شده است. با کاربرد روزافزون بازوهاي روباتیک در صنایع، گرفتن، برداشتن و انتقال اجسام، بهعنوان بخشی از عملیات صنعتی حائز اهمیت است. از اینرو طراحی مناسب گیرندههاي روباتیک در اجراي موفق وظیفه کاري بازوي روباتیک نقش کلیدي ایفا میکند. یکی از ویژگیهاي یک گیرنده روباتیک کارا قابلیت کارگیرش به صورت قرارگیر-شکلی - - Form-gripping است که در این مقاله این ویژگی براي طرح موردنظر ارائه و اثبات شده است.
مشخصه اصلی طرح ارائه شده کارآیی و قابلیت اعتماد در عین حفظ سادگی در اجراي وظایف مورد نیاز میباشد. این گیرنده روباتیک بهمنظور نصب بر روي یک روبات متحرك که وظیفه حمل اجسام استوانهاي را برعهده دارد طراحی شده است. ملاحظات سینماتیکی طرح، به کمک نرم افزار Catia انجام و عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین ملاحظات کنترلی طرح بهکمک نرمافزار Matlab صورت پذیرفته و نتایج آن ارائه شده است. نتایج آزمایشات تجربی براي گیرش اجسام با مدل اولیه ساخته شده ارائه شده است.
کلید واژه- بازوي روباتیک- جابجایی اجسام - گیرنده روباتیک - ویژگی بسته بودن
-1 مقدمه
با ارتقا روزافزون قابلیتهاي سیستمهاي روباتیک، کاربردهاي آنها از محیطهاي صنعتی و اجراي وظایف کاري ساده و یکنواخت به محیطهاي جدید و وظایف پیچیدهتر توسعه یافتهاند. استفاده از روباتها به عنوان روباتهاي پرستار در محیطهاي بیمارستانی، [1]، روباتهاي خدمتکار در محیط هاي اداري، [2]، روباتهاي جستجوگر در محیطهاي ناشناخته، [3]،روباتهاي فضایی آزاد-پرواز، [4]، روباتهاي زیردریایی براي بازرسی خطوط انتقال نفت، [5]، روباتهاي کمک جراح در اتاق عمل، [6]، و بسیاري از این دست، نمونههایی از این وسعت کاربرد و بالا رفتن سطح پیچیدگی وظایف روباتهاست.
در این میان، لزوم پرداختن به زیر سیستمهاي روباتها، نظیر گیرندهها - - grippers و مجریان نهایی - - end-effectors، که بتوانند از عهده وظایف کاري تعریف شده به خوبی برآیند، بیش از پیش اهمیت مییابد. کارگیرش - - grasping توسط روباتها از مباحثی است که در دو دهه اخیر تحقیقات زیادي بر روي آن صورت گرفته و از نظرگاههاي مختلفی به آن پرداخته شده است. در این زمینه موضوعاتی چون طرحریزي کارگیرش، [7]، [8]، ارزیابی کیفیت کارگیرش،[9]، [10]،کارگیرش در سیستمهاي چندعملگري نظیر بازوهاي روباتیک همکار، [11]، و دستهاي روباتیک، [12]، ویژگیهاي خاص کارگیرش نظیر کارگیرش پایدار، [13]، کارگیرش قرارگیر-شکلی - - form-closure، [14]، و قرارگیر-نیرویی - - force-closure، [15]، از جمله مباحث اصلی این زمینه هستند.
-2 طراحی مفهومی و مشخصات گیرنده رباتیک
سادهترین طرح گیرندههاي رباتیک، گیرندههاي با فکهاي موازي هستند که طرحهاي مختلفی از آنها در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد، .[16] در گیرندههاي دو فکی براي دستیابی به کارگیرش با ویژگیهاي خاصی چون قرارگیر-نیرویی، نیاز به اعمال نیروهاي بزرگی نسبت به وزن جسم گرفته شده است، تا نیروي اصطکاك حاصله بتواند شرایط پایداري گیرش را فراهم آورد. از اینرو به منظور دستیابی به کارگیرش پایدار و در عین حال اجتناب از پیچیدگی طرح گیرنده، مدلی شامل دو فک موازي با افزودن اهرمی به عنوان انگشت سوم طراحی شده و مورد آنالیز قرار گرفته است.
-1پایه ثابت. -2 موتور رفت و برگشتی. - 3 لینکهاي متصل به موتور. -4 لینکهاي اصلی گیرنده.
مدل طراحی شده اولیه در شکل - - 1 نشان داده شده است. عملکرد گیرنده به این صورت است که دو لینک هم صفحه در قسمت فوقانی گیرنده براي برداشتن جسم، از دو طرف آن را مهار کرده و آن را برمیدارد - گیرش با ویژگی قرارگیر-نیرویی - و سپس بعد از جدا شدن جسم از سطح تکیهگاه، لینک سوم از پایین جسم اضافه شده و با وجود مهارکننده-هایی که به لینکهاي اصلی فوقانی اضافه شده است کاملا مقید شده و حرکتی نخواهد داشت - گیرش به روش قرارگیر-شکلی - .البته این نکته حائز اهمیت است که این گیرنده براي برداشتن و حمل اجسام استوانهاي و نظیر آن طراحی شده است و به دلیل نزدیک بودن ابعاد گیرنده به ابعاد دست انسان، اجسامی در ابعاد و اندازههاي اجسامی که با دست میتوان گرفت، قابل حمل با گیرنده طراحی شده است.حال در ذیل به بررسی مدل اولیه طراحی شده به صورت جزئیتر میپردازیم:
با توجه به شکل - - 1 که قسمت فوقانی گیرنده را نشان میدهد، قطعه 2 نشاندهنده موتور رفت و برگشتی است. دو لینک که در شکل با شماره 3 مشخص شده اند به قطعه شماره - 2موتور رفت و برگشتی - پین شدهاند و همچنین میلههاي شماره 4 هر کدام داراي دو مفصل هستند که توسط یکی از آنها به قطعه شماره - 1زمین-قطعه مرجع یا ثابت - و توسط دیگري به میله شماره 3متصلاند، لذا وقتی قطعه 2 روي قطعه 1 به سمت جلو بلغزد دو میله 3 نیز حرکت کرده - باز می شوند - و به تبع آن دو لینک - دو انگشت - مورد نظر که براي گرفتن و برداشتن قطعه طراحی شدهاند نیز باز میشوند طبیعتاًو اگر حرکت قطعه 2 عکس شود - یعنی به سمت عقب برود - این دو لینک نیز بسته میشوند و جسم بین این دو لینک قرار میگیرد.
در لینک پایینی نیز از مکانیزمی نظیر آنچه در لینکهاي فوقانی طراحی شده، استفاده شده است. نظیر قسمت فوقانی از یک موتور رفت و برگشتی که به روي شیار تعبیه شده به سمت عقب و جلو حرکت میکند، استفاده شده است. این قطعه لغزنده توسط دو میله به قطعه 4 متصل است و از طرفی قطعه شماره 4 نیز به قطعه شماره - 1زمین- قطعه ثابت - پین شده است. لذا با ساز و کاري که در بالا توضیح داده شد حرکت لغزشی قطعه شماره 2 منجر به باز و بسته شدن لینک - انگشت - پایینی گیرنده شده.براي گیرش اجسام استوانهاي بلند نظیر لولهها استفاده از گیرندهاي در ابعاد طرح قبلی کارایی لازم را ندارد لذا براي گیرش پایدار چنین اجسامی گیرندهاي موازي در محلی بالاتر از سیستم گیرنده توضیح داده شده نیاز است. در شکل زیر این سیستم گیرنده در چند نما نمایش داده شده است:
مختلف نسبت به گیرنده را داراست. براي استفاده کاربردي از طرح، دو عدد از این گیرنده به صورت موازي با یکدیگر، مطابق شکل - 3 - ، مورد استفاده قرار میگیرند. بدین ترتیب که از دو موتور رفت و برگشتی براي باز و بسته کردن دو گیرنده و لینک سوم تنها در یکی از گیرندهها براي بهبود گیرش، مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین از یک موتور پلهاي براي دوران محور گیرندههاي موازي بعنوان محور مچ استفاده میشود.
نحوه عملکرد سیستم گیرنده روباتیک براي گیرش و دوران یک جسم استوانهاي شکل، در تصاویر شکل - - 4 نشان داده شده است. ابتدا دو گیرنده موازي در جهت مطلوب براي گیرش اولیه قرار میگیرند. سپس با حرکت موتور رفت و برگشتی دو گیرنده بالایی بسته می شوند. موتور محور مچ در جهت عکس چرخیده تا گیرندههاي موازي به حالت قائم بازگردند. در همین حال موتور رفت و برگشتی مربوط به لینک پایینی به جلو رانده شده تا این لینک نیز بسته شود و گیرش پایدار جسم استوانهاي شکل انجام شود.
-3 قابلیت کارگیرش به صورت قرارگیر- شکلی - form-closure -
براي آنکه کارگیرش جسم در حین انجام وظیفه کاري پایدار باقی بماند، ویژگیهایی براي نوع کارگیرش تعریف میشود. دو گونه بسیار مهم این ویژگیها به ترتیب کارگیرش با قرارگیر-شکلی و کارگیرش با قرارگیر-نیرویی هستند. بنا به تعریف یک کارگیرش را قرارگیر- شکلی گویند اگر قیود حرکتی هندسی ، یعنی به صورت اعمال نیرو یک جهته ، کلیه درجات آزادي جسم گرفته شده را محدود نمایند. همچنین یک گیرش را قرارگیر-نیرویی گویند اگر با اعمال نیرو در نقاط گیرش بتوان کلیه درجات آزادي جسم گرفته شده را محدود نمود، .[17] ثابت میشود که هر گیرش قرارگیر-شکلی، قرارگیر-نیرویی نیز هست ولی عکس آن درست نیست، .[18] همچنین میتوان نشان
