بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی در این مقاله ارایه بهترین الگو پایه براي رباتهاي متحرك به منظور استفاده در میادین مینیاب میباشد. با توجه به اهمیت و گستردگی مطالب در این زمینه، تلاش شده است تا اصول طراحی و الزامات مکانیکی یک ربات متحرك بیان و ارزیابی شود . در این مطالعه با توجه به تجربیات شرکتهاي سازنده و تحقیقات دانشگاهی انجام شده نکات و اصول طراحی یک ربات متحرك به طور مختصر مورد بررسی واقع گردیده است.
ابتدا سامانه محرکه پایه براي مکانیزمهاي گوناگون مطرح شده و مکانیزم شنی با چرخدار مورد بررسی و ارزیابی قرار میگیرند و در این راستا بهترین پیشنهاد براي یک ربات مینیاب داده شده است. از طرفی مشخصات و پارامترهاي ابعادي ربات با توجه به خواستههاي طراح و محدودیتهاي فضاي کاري تعیین میگردند. سرانجام الزامات و نیازهاي طراحی مکانیکی شاسی یک ربات متحرك مورد بررسی قرار میگیرند. در این مطالعه با گردآوري و جمعآوري نکات اصولی طراحی مکانیکی پایه ربات بر مبناي تحقیق و تجربه به طراحان این دید را میدهد که به منظور طراحی و ساخت یک ربات متحرك چه فاکتورهایی را باید با چه نوع دیدگاهی مد نظر قرار بدهند.
١- مقدمه
امروزه بهرهگیري از رباتها این امکان را براي صنایع و کارخانجات تولیدي فراهم میآورد که با افزایش راندمان تولید، کاهش ضایعات و بهبود کیفیت تولید در بازارهاي جهانی رقابت داشته باشند. با پیشرفت تکنولوژي و رشد سریع رباتها در صنایع گوناگون، کاربردهاي نظامی آنها نیز گسترش پیدا نموده است. امروزه رباتها براي پاكسازي و خنثی سازي میدانهاي مین نیز بکار گرفته میشوند. استفاده از رباتهاي متحرك بدون سرنشین - UGV - از جمله این رباتها میباشند.
ربات وسیله مکانیکی الکترونیکی هوشمند است که میتواند کارهاي مختلف و از پیش تعریف شده را انجام دهد. اهمیت این موضوع هنگامی روشن میشود که این ماشینهاي مکانیکی - الکترونیکی وظایف سخت و پر خطر انسان را به عهده میگیرند. شاید یکی از این کارهاي پرمخاطره، یافتن مین در زمین هاي مینگذاري شده می باشد. همانطور که میدانید هر ساله تعدادي از هموطنان کشورمان جان خود را به دلیل انفجار مینها از دست می دهند.
به همین منظور بررسی، طراحی و ساخت رباتهاي مینیاب و خنثی ساز بسیار حائز اهمیت میباشد. فرآیند خنثیسازي توسط ربات شامل بازرسی، تشخیص و منهدم نمودن با روشهاي متفاوت است. سازندهها و شرکتهاي زیادي از جمله TALON، iRobot، Mesa و ... رباتهاي متحرك بدون سرنشین با شرایط و عملکردهاي متفاوت به منظور کاربردهاي نظامی، کشف مواد انفجاري و پاكسازي میادین مین طراحی و ساختهاند - شکل . - 1
در سالهاي اولیه، اصول طراحی متوجه ربات هاي متحرك 4 چرخ بود که بتوانند بر روي تمامی سطوح حرکت کنند و محققان بیشتر بر روي مانورپذیري پایه مطالعه کردهاند و تلاش شده که توانایی طرحهاي موجود افزایش یابد. اساسیترین ایده طراحی، افزایش توانایی ربات با توجه به ابعاد و شکل آن میباشد تا بتواند براحتی در فضاهاي کوچک و سطوح ناهموار حرکت کرده و از پله بالا برود. بهترین راهکار براي آن استفاده از فلیپر در قسمتهاي مختلف ربات میباشد و معمولاً در جلو یا عقب و یا در هر دو قسمت مورد استفاده قرار میگیرد.
به طور نمونه ربات Resquake که در شکل - 1 - نشان داده شده دو جفت فلیپر در جلو و عقب دارد و ربات را قادر میسازد که در تمامی سطوح ناهموار عبور نماید. اگرچه این طرح ربات مزایاي بدیهی و قابلیتهاي فراوانی دارد اما پیچیدگی طرح بخصوص هنگام بالا رفتن از پله، هزینه سیستم را زیاد میکند. در این مقاله با استفاده از ایده رباتهاي تجاري و مسابقهاي؛ سعی شده است که بهترین الگو براي یک طرح مفهومی و ایدهآل بیان شود. ابتدا مزایا و معایب سامانه محرك پایه ربات بررسی شده است. سپس ابعاد شاسی پایه با توجه به الزامات و نیازهاي خواسته شده از ربات محاسبه شده است. سرانجام تلاش شده است نکات اصولی و مبرم ساخت شاسی ربات با توجه به نمونههاي ساخته شده بیان شود.
٢- سامانه محرکه پایه ربات
در طبیعت حرکت از یک مکان به مکان دیگر به روشهاي مختلف صورت میپذیرد. طبیعت الگوي مناسبی به منظور طراحی سامانه محرکه ربات ها میباشد. براساس اهمیت و کاربرد میتوان مکانیزمهاي حرکتی رباتها را به سه گروه اصلی طبقهبندي نمود. دسته اول رباتهایی که با استفاده از چرخ حرکت میکنند. استفاده از چرخ؛ عمومیترین و رایجترین ایده براي جابجایی مکانیزمهاي متحرك است. رباتهاي متحرك چرخدار عمدتاً در زمینهاي هموار یا کمی ناهموار استفاده میشوند و به دلیل درجات آزادي کم و راحتی حرکت از قابلیت کنترل و مانورپذیري بیشتري برخوردار میباشند.
از مزایاي اصلی چرخ نسبت به سایر مکانیزمهاي حرکتی، بازده خیلی خوب آن میباشد . ربات هاي چرخدار طوري طراحی میشوند که همیشه همه چرخها با زمین در تماس باشند و معمولاً این رباتها با دو، سه، چهار و شش چرخ ساخته شدهاند. در این نوع رباتها نگرانی و تحقیقات بیشتر بر روي پایداري، میزان اصطکاك چرخ، مانورپذیري و کنترل متمرکز است. اینگونه رباتها وزن کمتري نسبت به رباتهاي دیگر دارند و فرمانپذیري بیشتري دارند.
ولی از عیوب مکانیزمهاي چرخدار پویایی و مانورپذیري ضعیف آنها میباشد. دسته دوم رباتهایی که مکانیزم حرکتی آنها با استفاده از شنی میباشد. این دسته از رباتها از سطح تماس بالا با زمین برخوردار بوده که منجر به پایداري زیاد آنها میشود و از طرفی با استفاده از اصطکاك شنی و زمین توانایی حرکت و مانورپذیريشان عالی میباشد. با این وجود بهدلیل سطح تماس زیاد؛ تغییر جهت ربات معمولاً منجر به چرخش همراه با لغزش می شود و انرژي را اتلاف میکند و از طرفی بازده ربات را کاهش میدهد. همچنین براي رباتهاي شنی باید از چرخهاي کمکی براي ایجاد کشیدگی اولیه در شنیها استفاده نمود تا از تماس مناسب با زمین اطمینان حاصل شود.
طراحان و محققان مدت زمان مدیدي است که معتقدند تحرك و پویایی سیستم حرکتی شنی بهتر از چرخ و هر سیستم دیگري میباشد. از مزایاي آنها حرکت بر روي سطوح نرم، گلی، سست و لجنی میباشد و توانایی عبور از موانع و درز را بهتر از سیستم چرخ دارا هستند. پویایی بیشتر منجر به صرف هزینه بیشتر میشود در حالیکه بازده این رباتها کم است در نتیجه در حالت کلی نمیتوان بیان کرد که سیستم شنی بهتر از چرخدار میباشد.
مکانیزمهاي شنی حرکت یکنواختی را ایجاد میکنند که براي عملکرد بدون نقص تجهیزات و دوربینهاي ربات حائز اهمیت میباشد. همانطور که از رباتهاي ساخته شده موجود دیده میشود انواع گوناگون رباتهاي شنی با طرحهاي متنوع طراحی شدهاند . اینگونه رباتها عملکرد خوبی براي عبور از موانع دارند و با توجه به سطح تماس طولی با زمین نسبت حمل بار به وزنشان زیاد میباشد - شکل . - 2
همانطور که در طرحهاي موجود دیده میشود؛ مکانیزم شنی از چرخ دنده، شنی، سیستم تعلیق و قرقره زنجیر تشکیل میشود و اساس طراحی بر مبناي پویایی و توان حرکتی سیستمهاي شنی پایهگذاري شده است. با توجه به موارد ذکر شده؛ رباتهاي با چرخ معمولاً پایدار هستند ولی مکانیزم شنی بیشترین پایداري را نسبت به حالتهاي دیگر دارد. تحرك و جابجایی رباتهاي شنی از چرخدار بیشتر می باشد ولی به دلیل لغزش رباتهاي شنی بالاخص هنگام تغییر جهت، انرژي زیادي تلف میشود. دسته سوم رباتهاي چند مفصله مانند رباتهاي پادار، شناگر، خزنده و غیره را شامل میشوند.
با توجه به مطالب و نکاتی که در این بخش مطرح شده است میتوان یک قاعده کلی براي طراحی مکانیزمهاي حرکتی بیان نمود. با در نظر گرفتن اندازه و وزن ربات، باید سیستم حرکتی بزرگ؛ سبک؛ حرکت آرام؛ مرکز جرم پایین - یا متغیر - و با تعداد دندانه کافی ساخته شود. اگر همه اینها حداکثر باشند رباتی که ساخته شده است بیشترین قابلیت مانورپذیري را داراست.
٣- طراحی مشخصات ابعادي شاسی ربات
طراحی شاسی بیشتر بر مبناي ناهمواري سطح، ابعاد پله و شرایط محیط مورد بررسی قرار میگیرد. شکل ربات به ویژه در محیطهایی که موانع زیادي وجود دارد ملاك مانورپذیري ربات محسوب می شودابعاد. طول و ارتفاع ربات مستقیماً بر توانایی آن از عبور از موانع مؤثر است. هر چه ابعاد طول و ارتفاع بیشتر باشد قابلیت گذر از سطوح مختلف و عبور از موانع راحت تر میباشد. از طرفی دیگر عرض ربات زمانی حائز اهمیت میشود که ربات بخواهد از مسیرهاي باریک عبور نماید و یا میزان شعاع دور زدن و مقدار حجم ربات مد نظر باشد.
دور زدن درجا از مشخصات بحرانی تحركپذیري ربات محسوب میشود بنابراین قطر بدنه که حاصل طول و عرض ربات میشود نیز ملاکی براي تعیین ابعاد رباتها در نظر گرفته میشود. مقدار این قطر با توجه به مینیمم پهناي مسیر حرکت ربات انتخاب میشود. از طرفی دیگر ممکن است به دلایلی مانند حجم بزرگتر به ربات پهنتر نیاز شود. حجم کلی ربات با توجه به قسمتهاي مختلف مکانیزم حرکتی که در شاسی جانمایی شدهاند، مشخص میشود. یک قاعده کلی که براي رباتها لحاظ میشود معمولاً عرض ربات 62 درصد طولش طراحی می شود.
به منظور تحركپذیري و مانورپذیري ربات بر روي سطوح ناهموار و پرپیچ و خم، شاسی باید قابلیت تغییر طول داشته باشد. بنابراین ناگزیر باید از فلیپر استفاده نمود. اولین الگو شاسی جمع و جور به همراه فلیپر در جلو و عقب که ربات را قادر به عبور از موانع بلند می کند. مشکل اساسی این طرح، پیچیدگی آن میباشد که نیاز به سوار کردن دو جفت فلیپر، موتورها و کنترلرهاي الکترونیکی بر روي پایه را دارد. این پیچیدگی هزینه هنگفتی را براي شاسی بویژه در ابعاد بزرگتر متحمل می شود.
