بخشی از مقاله
چکیده
طراحی و ساخت ربات های نرم با الهام از طبیعت در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته شده است. ربات های نرم با توجه به اینکه از مواد انعطاف پذیر ساخته میشوند دارای انطباق و سازگاری بیشتری نسبت به ربات های صلب در محیط های با ساختار نامعین دارند.
از اینرو در این مقاله تلاش شده است تا جنبه های مختلف طراحی، ساخت و عملکرد ربات های انعطاف پذیر مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد. اکثر نمونه ربات های نرم از طبیعت و محیط زیست الهام گرفته شده که این امر منجر به پیچیدگی در طراحی و ساخت آنها می شود. استفاده از مواد نرم با خاصیت کشسانی بالا یکی از ویژگیهای بارز مواد نرم استفاده شده در رباتهای انعطاف پذیر میباشد. با پیشرفت تکنولوژی و تنوع ایده های مختلف در اینگونه رباتها، تحول عظیمی در علم رباتیک بوجود آمده است.
-1مقدمه
ربات های نرم از بافت های نرم تنان و اندام های هیدرواستاتیک الهام گرفته شده که این امر باعث شده رباتهای نرم در علم رباتیک حضور پیدا کنند. ربات های نرم دارای یک ساختار تغییر شکل مداوم میباشند که از سیستم های بیولوژیکی شبیه سازی شدهاند.
در ساختارهای پیچیده ربات نرم از الاستومرها و پلیمرها که خاصیت ارتجایی مناسبی دارد استفاده شده است. ربات های نرم بدلیل اینکه ذاتا نرم و انعطاف پذیرند کرنش های بزرگی را از خود در فضاهای محدود و غیر قابل دسترس به نمایش میگذارند. ایده استفاده از سازه های نرم این پتانسیل را دارند که پیچیدگی های مکانیکی و الگوریتمی طراحی ربات را کاهش دهد .[2,1] قابلیت های ربات های نرم از جمله دقت،ایمنی و مهارت های آنهادر طی ده سال گذشته تاکنون افزایش پیدا کرده است
ربات نرم در اواخر دهه 1970، زمانی که ربات زنجیرهای بر اساس مواد گرانول اولین بار ساخته شد [4,5,6] حضور پیدا کرده است. در بررسی های چند دههی گذشته، سازه های نرم، به دلیل تمرکز بر نوع خاصی از مواد نرم مانند الاستومرها و ژلها و مواد گرانول پدید آمده است .>8,7@ اولین بار از الاستومرها در ربات هایی با بازوهای پنوماتیکی برای تغییر شکل بدن استفاده شده است .[10,9] اولین نمونه استفاده از مواد الکترو رئولوجیکال[ 11] 1 و ژلها [ 12] در ساخت رباتهای گیرهای که از ستاره دریایی الهام گرفته - شکل - 1 ساخته شده است
شکل.1 اولین ربات نرم ژله ای الهام گرفته از ستاره دریایی
دلایل پیشرفت قابل توجه سازه های نرم در چند دههی گذشته تاکنون به چند مورد اشاره شده است. -1 تحقیقات علمی بسیاری بر روی مواد سازه های نرم از سال 1990 شروع شده است.-2 مقدار زیادی از مواد نرم جدید در ساخت بدنه ربات به صورت تجاری ساخته شده و در دسترس است.-3 تکنیکهای ساخت مواد نرم ابداع شده است.-4 ربات های نرم نسبت به ربات های صلب در محیط کار پیچیده سازگاری و قدرت مانور بالایی دارند
خاصیت ارتجاعی مواد در طراحی و ساخت سیستم های ربات نرم از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد استفاده شده در ربات های نرم از مدولی به اندازه 109-104 پاسکال - شکل 2 را ببینید - تشکیل شده اند. اگر مدول مواد استفاده شده در ربات های نرم از 104 کمتر باشند، کنترل ربات نرم بسیار دشوار میشود و جز ربات های مهارنشدنی قرار میگیرد، ولی اگر مدول مواد استفاده شده در ربات بیشتر از 109 باشد، ربات مورد نظر دیگر جز ربات های نرم قرار نمیگیرد، پس باید به مدول مواد استفاده شده در ساخت بدنه ربات توجه شود
شکل.2 مدول یانگ برای مواد مختلف - پاسکال -
درادامه، به طراحی ربات های نرم و سنسور های مورد استفاده در اینگونه ربات ها برای کنترل آنها و همچنین تکنولوژی های ساخت ربات های نرم و محرک های هوشمندی که در بدنه ربات بکار میرود پرداخته شده است.
-2طراحی
مفهوم اولیه طراحی، ایجاد ساختار ربات های نرم با تقلید از سیستم های زنده بیولوژیکی میباشد. برای طراحی ربات نرم از الگوریتم های الهام گرفته از طبیعت استفاده میشود .[17] این مفهوم دارای سه الزام میباشد، که باید در طراحی این نوع ربات ها به آن توجه شود: ساختار غیر شکننده قالب ربات، حرکات نامحدود مفاصل طبیعی و غیر تهاجمی بودن ربات. اکثر نمونه ربات های نرم از سه بخش فیزیکی: پایه، محرک و سنسورها طراحی و تشکیل شده اند.
-1-2 پایه
بخش پایه سیستم های ربات نرم به کمک نرم افزار طراحی سه بعدی - کد - 1 طراحی شده است. براساس طرح های سفارشی، به طراحی این بخش از سیستم های ربات پرداخته میشود .[18] طرح های سفارشی محدود ربات نرم، با استفاده از نرم افزار تجزیه و تحلیل عنصر - ووکس کد - 2 که دارای ظرفیت با طیف وسیعی از مدول مواد میباشد، به طور خودکار، کار طراحی را آغاز میکند
در تحلیل یک مدل توسعه یافته ربات رابطه بین فشار ورودی، زاویههای خمش و نیرو های خروجی با در نظر گرفتن خواص ماده الاستیک و هندسه شکل بدست میآید. ماده مورد استفاده در ربات های نرم دارای نسبت فشار لازم بر میزان سختی خمش محرک میباشد .[20] طیف گستردهای از مواد در بدنه ربات مورد استفاده قرار گرفته است. مواد اکو فلکس3 دارای نسبت فشار بالا به سختی پایین - کششی - میباشد ولی مواد استفاده شده دیگر در این گونه ربات ها مثل پلی اتیلن سیلیکونی4 دارای نسبت فشار پایین به سختی بالا - سختی - میباشد که هر دو ماده در سازه مخصوص به خودشان مورد استفاده قرار میگیرد. تغییر این مواد و استفاده از آنها در ترکیبهای مختلف منجر به رفتارهای مختلف محرک میشود
مدل سازی سازه های نرم در این بخش از طراحی قرار میگیرد. مدل سازی سیستم های ربات نرم دارای دو قسمت سینماتیک و دینامیک میباشد. ربات های نرم از یک سری عناصر تحریک تشکیل شده است که باعث شده سازه یک رفتار پیوسته داشته باشد. در تئوری، شکل نهایی ربات را با یک تابع پیوسته می توان توصیف کرد و مدل سازی این رفتار نیاز به ریاضیات پیوسته دار
-2-2 محرک
بخش محرک ربات های نرم از عضلات مصنوعی تشکیل شدهاند که از همتاهای زنده و واقعی خود الگو برداری شده است. دستگاهی که در این ربات ها به عنوان بخش محرک طراحی شده است، باید به عنوان یک نیروی مکمل بتواند به حرکت این ربات ها کمک کند. در طراحی بخش محرک ربات های نرم باید از موادی استفاده کرد، که دارای عملکرد و بازده مطلوب باشد و از اتلافات انرژی جلوگیری کند .[23] موادی که در بخش محرک ربات نرم استفاده میشوند هوشمند میباشند و از بسیاری مشکلات در تماس با طبیعت جلوگیری میکنند.
محرک های متفاوتی در بدنه ربات های نرم بکار گرفته میشود. یکی از ویژگی های متمایز بسیاری از ربات های نرم محرک آن و یا سیستم های انتقال قدرت یکپارچه آنها میباشد که در داخل و سراسر بدن ربات توزیع میشود. در زیر پنج نوع محرک که به طور معمول در بدنه ربات بکار میرود توضیح داده شده است.
-1-2-2 محرک های با آلیاژ حافظه دار
عامل اساسی در تکنولوژی آلیاژ حافظه دار - SMA - ، سیم نیکل تیتانیوم - NiTi - میباشد که شکل اولیه آنها تحت حرارت بازیابی میشود - شکل. - 3 حرارت معمولا توسط عبور جریان الکتریکی از سیم تولید میشود. سیم منقبض کننده می تواند به عنوان یک محرک آگونیست استفاده شود، شبیه یک عضله دو سر، که بازو را به سمت بدنه میکشد. آگونیست یک ماده شیمیایی است که به محرک چسبیده شده و باعث فعال شدن آن میشود. مدل، طراحی، ساخت این محرک ها در ربات های نرم نشان دهندهی قابلیت زیستی بودن این محرک ها میباشد
علاوه بر این، الاستومر های ساخته شده بر اساس هشت پای زیستی توسعه یافتهاند .[25] از محرک های SMA به تقلید از عضلات هیدرو استاتیکی موجودات زنده استفاده میشود .[26] از محرک های SMA برای تولید حرکت در ربات های کرممانند، استفاده شده است SMA .[27] اجازه میدهد اندازه، وزن و پیچیدگی سیستم های ربات به شدت کاهش یابد. در واقع، نسبت نیروی وزن بزرگ، حجم ناچیز، قابلیت سنجش و عملیات بدون سر و صدا موجب استفاده از این تکنولوژی در ربات های نرم میشود
