بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت تکنولوژی و رفع نیازهای اولیه بشر، انسان خود را درگیر دغدغه های متعالی تری یافت. امروزه ساخت ربات های هوشمند برای آسان تر شدن زندگی و کمک به بالاتر رفتن سطح زندگی انسان ها و کمک به بالابردن توانایی انسان از دغدغههای اصلی متخصصین در این حوزه است.
کوادرتور یا کوادکوپتر یا پرنده چهار ملخه نوعی عمودپرواز است که به خاطر استفاده از چهار ملخ بصورت صلیبی این لقب را به آن داده اند .این نوع پیکربندی به پرنده این امکان را می دهد تا پرنده بتواند به راحتی و به طور مساوی در تمامی جهات حرکت کند و قدرت مانور فوق العاده ای داشته باشد. اما این پرنده بر خلاف ظاهر ساده خود بسیار بسیار پیچیده است به طوری که طراحی این نوع از پرندهها در کشورهای محدودی انجام میگیرد. پژوهش حاضر با استفاده از نرمافزار solidwork به طراحی کوادروتور و تحلیل نیروهای وارد بر آن براساس معیار فونمایسز میپردازد. در این مطالعه دو کوادروتور با جنس و ساخت متفاوت طراحی شد که در نهایت کوادروتوری که وزن کمتر و مقاومت بیشتری داشت انتخاب گردید.
.1 مقدمه و هدف
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 - کریث، . - 1 :1999 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.” رباتها میتوانند »در شکل نهایی بسیار پیچیده باشند به ویژه آنهایی که بدون کمک انسان کار واقعی انجام میدهند.
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. حشرات کاملترین و برترین وسایل پروازی هستند و این همان چیزی است که مهندسان برای طراحی رباتهای پرنده به وفور از آن الهام گرفتهاند
طراحی کوادروتور نیز براساس چنین فرآیندی انجام میشود. حوزه رباتهای پروازی، حوزه بسیار پویایی است. در این میان برخی از رباتها، ریختشناسی حشرات را تقلید میکنند و برخی دیگر به صورت وسایل هوایی بیسرنشین طراحی میشوند - آنگلز، - 23 :2007 در همین راستا کولر عنوان میکند که »رباتهای پرنده نه تنها دیدگاه جدیدی درباره علم رباتیک ارائه میدهند، بلکه پیشرفتهای حاصله در سیستمها و فرایندهای مادی به تغییرات شگرفی در روش طراحی، عملکرد و زبان معماری منجر خواهد شد.
انستیتو ربات امریکا ربات را به این صورت تعریف میکند: »یک مداخلهگر قابل برنامهریزی مجدد و چندکاربری که برای حرکت دادن بخشهای مادی، ابزارها، یا وسایل تخصصی یا انجام کارهای متنوع طراحی شده است.
کلمه" کوادروتور" از دو کلمه مجزا با معانی مستقل تشکیل شده است . بخش اول" کواد "به معنای "چهار "و بخش دوم " رتور" به معنای" موتور" است. تحقیقات درباره کوادروتور از اوایل قرن بیستم شروع شد. »شاید بتوان از اتیین اومیشن به عنوان اولین فردی که تحقیقات خود را در این زمینه آغاز کرد، نام برد.« - دمتریو، - 4 :2001 او در سال 1920 تحقیقات خود را در این زمینه شروع کرد.
بنابراین ما با وسیله ای سروکار داریم که از چهار موتور تشکیل شده است .البته این ربات زیر مجموعه ای از "مولتی رتورها "، به معنای چند موتور است .گونه های دیگری نیز مانند سه و شش موتوره وجود دارد . کوادرتور مزیت هایی نسبت به انواع دیگر دارد ، پایداری بیشتر نسبت به نوع سه موتوره و کنترل آسان تر نسبت به نوع شش موتوره.
این ربات برای اهداف مختلفی طراحی و ساخته می شود که بسته به وظیفه مورد نظر پارامترهای متفاوتی در طراحی آن مدنظر قرار می گیرد .وظایفی مانند فیلم برداری، حمل بار و مانند اینها. هوانگ و دیگران :2012 - - 6 در نتیجهگیری از تحقیق خود اعلام میکند که »کوادروتور میتواند پلتفرم مستقل مفیدی باشد.« بدنه کواد شامل شاسی اصلی و بازو ها میشود. شاسی اصلی که در مرکز کواد قرار دارد قطعات الکتریکی و کنترلی رو در خود جای میدهد و همچنین بازو های کواد به شاسی اصلی متصل میشوند
هر چقدر بتوانیم وزن شاسی را کاهش بدهیم بهتر است زیرا با کاهش وزن شاسی میتوان از موتور های ضعیف تری استفاده کرد بالطبع به اسپید هایی با آمپراژ پایین تر نیاز خواهیم داشت و از طرفی به باطری ای با تعداد سل کمتر و آمپر پایین تر نیاز خواهیم داشت و در کل همه اینها هم باعث کاهش وزن قابل ملاحظه ای میشود و همچنین هزینه ها نیز کاهش مییابد.
در ساخت کوادروتورها از چهار عدد موتور براشلس - Brush less - که موتورهای الکتریکی با دور - - RPM زیاد و توان بالا هستند استفاده می کنند که با وجود وزن کم و ابعاد کوچک این موتورها، گشتاور - Torque - زیادی ایجاد می کنند.
در انتخاب ملخ دو فاکتور از بقیه پر اهمیت تر است و از طول و گام ملخ است که معمولا به اینچ و به صورت پیوسته بروی ملخ نوشته میشود. برای مثال ملخ 8*6 ملخی است با طول 8 اینچ و گام 6 اینچ. گام یا همان میزان پیشروی به میزان پیشروی ملخ در هر دور در واحد اینچ نیز اطلاق میشود. البته ملخها از منظر نوع موادی که در ساخت ان به کار رفته هم به چند دسته تقسیم بندی میشوند که از ان جمله میتوان به ملخهای چوبی - پلاستیکی و مواد مرکب یا کربنی نیز اشاره کرد.
نحوه کنترل حرکت کوادرتورها به صورت زیر است:
حرکت عمودی یکی از عجیبترین حرکات در میان رباتهای پرنده است - اولارو، . - 4 :2014 برای حرکت پرنده در محور عمود باید دور جفت ملخهای یک جهت کم و به همان مقدار دور جفت ملخ جهت مخالف افزوده شود . این کار باعث می شود بدون تغییر ارتفاع نیروی عکس العمل یک سمت از سمت دیگه بیشتر شود و در نتیجه پرنده در یک سمت حول محور عمودی چرخش نماید.
اما برای حرکت پرنده حول محور عرضی و طولی لازم است بین دو ملخ هم جهت یک تفاضل دور به وجود آورده شود. به این ترتیب یک سمت پرنده به سمت بالا رفته و طرف دیگر به سمت پایین میل پیدا می کند که این امر باعث کج شدن بردار رانش و حرکت پرنده به سمتی که بازویش پایین تر است میگردد و هر چه مقدار این انحراف بیشتر باشد سرعت پرنده نیز بیشتر میشود. برای تغییر ارتفاع هم فقط کافی است سرعت هر چهار ملخ را با هم کم یا زیاد نماییم.
.2 تئوری و پییشینه تحقیق
در مقالهای با عنوان "طراحی و کنترل مینیکوادروتور داخلی" - 2004 - ، بوعبداالله، مورییری و سیگوارت عنوان کردند که پیشرفتهای اخیر در فناوری حسگرها، پردازش داده و فعالکنندههای یکپارچه، توسعه رباتهای مینیاتوری را ممکن ساخته است. سیستمهای میکروی عمودپرواز نماینده دسته مفیدی از رباتها هستند زیرا در فضاهای مونیتورینگ و اکتشافات مناطق کوچک از توانایی بالایی برخوردارند. آنها در این مقاله طراحی مکانیکی، مدلسازی دینامیک، کنترل حسگرها، و کنترل ربات داخلی نمونه خود را مورد بررسی قرار دادهاند.
همچنین آلتوگ، استروفسکی و تیلور در مقالهای تحت عنوان "کنترل یک هلیکوپتر کوادروتور با استفاده از بازخورد تصویری دوربین دوتایی" - 2005 - روشی برای کنترل ردیابی خروجی و ثابتسازی چشمانداز-محور برای یک هلیکوپتر مدل پرداختند. در نهایت آنها روش موردنظر خود را در پروازهای آزمایشی با اجرای الگوریتم تخمین و تکینکهای کنترل غیرخطی برای یک هلیکوپتر از راه دور پیادهسازی کردند.
در سال 2007، چهار محقق به نامهای هافمن، هوانگ، واسلندر و تاملین در مقالهای با نام "کنترل و دینامیک پرواز هلیکوپتر کوادروتور: تئوری و آزمایش"، با وارد کردن مباحث جدید ایرودینامیک به بحث ساخت کوادروتور، به نتایج بسیار خوبی برای بهبود عملکرد کنترلگر دست یافتند.
علاوه بر این در مطالعهای که در سال 2010 در کشور استرالیا انجام شد، پوندز، ماهونی و کورک در مقالهای با "عنوان مدلسازی و کنترل یک ربات کوادروتور"، ضمن تأکید بر نیاز به ساخت هلیکوپترهایی که با هزینه کمتر فعالیت کنند و بهرهوری بالاتری داشته باشند، کوادروتوری با نام اکس-4 فلایر - X-4 Flyer - طراحی کردند.
در سال 2013، کوشلیف، ملینگر و کوکار در مقاله خود، "به سمت ساخت گروهی از میکرو کوادروتورهای چابک"، به تشریح میکرو کوادروتوری نمونه با وزن 73 گرم و و قطر 21 سانتیمتر پرداختند. آنها در این مقاله عنوان کردند که کاهش اندازهی کوادروتور باعث چابکتر شدن آن میگردد و توانایی فعالیت کردن آن در ساختارهای سخت و کوچک را بالا میبرد.
در این مطالعه در طراحی بدنه فاکتورهای مهمی مد نظر بود که عبارتند از:
.1 وزن سازه
.2 تحمل فشارها و گشتاورهای وارده
.3 آسان بودن رویه ی ساخت
.4 اتصال ساده اجزا به هم .5 کم کردن ارتعاشات ناشی از دور بالای موتورها
برای این قسمت دو طرح در نظر گرفته شده است:
2.1 طرح اول - بدنه آلومینیومی
بازوهای لازم برای نصب موتور با استفاده از پروفیل آلومینیومی با مقطع مربع ، به ضلع 20 mm و به ضخامت 1.85 mm ساخته می شوند.
صفحه دربرگیرنده بازوها از ورق به ضخامت 2.5 mm تشکیل شده است
