مقاله طراحی و ساخت ربات امدادگر پِران و کاربرد آن در مدیریت بحران

بخشی از مقاله

چکیده

استفاده از رباتهای امدادگر و رباتهایی که بتوانند در محیطهای ناهموار، خطرناک و یا غیرقابل دسترس توسط انسان کار کنند، میتواند در شرایط بحرانی مانند جنگ، حوادث غیرمترقبه و یا شرایطی مانند حملات تروریستی و گروگانگیری به مدیریت بحران و کنترل آن کمک شایانی کند. به همین دلیل در این مقاله به طراحی نوع خاصی از رباتهای امدادگر، از دستهی رباتهای مریخنورد پرداخته شده است. این ربات، از استراتژی هماهنگ کردن چهار چرخ برای بالا رفتن از پله و سطوح ناهموار پیروی میکند که این موضوع به توسعهی تعاملات هندسی بین پاهای ربات و سطح نیاز دارد.

مکانیزم ربات پران بهگونهای است که احتمال واژگونی در آن کاهش پیدا کرده است، همچنین ربات بهوسیلهی یک کاربر از طریق کامپیوتر و دستگاههای اندرویدی قابل کنترل است. در این مقاله همچنین به موضوعاتی چون مقایسهی بین ربات پران با رباتهای پیشین و بررسی مکانیزم، برنامهنویسی و پایداری حرکت ربات پرداخته شده است.

.1 مقدمه

عملیات جستجو و نجات دارای اهمیت زیادی در شرایط بحرانی مانند زلزله، حملات تروریستی و ... است. در استراتژیهای مدیریت بحران در چنین شرایطی اولین اقدام انجام عملیات جستجو و نجات است. بهطور مرسوم چنین عملیاتی توسط تیمهای انسانی انجام میگیرد؛ اما با توجه به معایب این روش از قبیل مضرات جبرانناپذیر در تلفات و صدمات انسانی، اتلاف وقت و هزبنه، در حال حاضر تحقیقات زیادی برای توسعهی تیمهای متشکل از رباتها برای انجام ماموریتهای امداد و نجات در حال انجام است.[1] در این میان، پیمایش پله یک نیاز حیاتی برای رباتهای جستجو و نجات است.

رباتهای مریخنورد1 یکی از انواع رباتهایی هستند که در این تحقیقات مورد توجه قرار گرفتهاند و دارای کاربردهای متنوعی نیز هستند؛ زیرا که میتوان از آنها در مناطق خطرناکی مانند نیروگاههای هستهای، کارخانجات صنایع شیمیایی و سیارههای دیگر به عنوان ربات جستجوگر، امدادگر و یا عامل استفاده کرد. بهعلت زمینههای گسترده و کاربردهای متنوع این نوع از رباتها، استفاده از آنها گسترش زیادی پیدا کرده و روزبهروز نیز به گستردگی آن اضافه میشود.

اولین ربات مریخنورد، ربات Lunakhod بود که در سال 1984 برای یک سفر تحقیقاتی به کرهی ماه توسط شوروی سابق اعزام شد و در زمان خود یکی از موفقترین رباتهای مریخنورد به حساب میآمد چون توانست 37 کیلومتر مسیر غیرقابل پیشبینی در کرهی ماه را بپیماید.[4] سپس در سال 1996، ناسا به همراه چند موسسهی دیگر ربات مریخنوردی را با نام Sojourner طراحی کردند که این ربات دارای اندازه کوچک و وزن حدودا 10 کیلوگرم و مجهز به ماژول تعقیب مسیر بود ولی بهدلیل نقایص ربات، برنامه ارسال آن به مریخ در سال 2001 لغو گردید.

همچنین در سال 1997 ، ناسا با قرار دادن یک بازوی رباتیکی بر روی ربات Sojourner ربات دیگری به نام راکی 7 را ایجاد کرد[7] و نیز با ایجاد تغییراتی مانند تعداد چرخها و ... پیچیدگی سیستم کنترل این ربات را کاهش داد. اندکی بعد و در سال 1999، ناسا به منظور ایجاد قابلیت حرکت در محیطهای ناهموار از ربات دیگری به نام Inflatable استفاده کرد.

این ربات دارای 3 چرخ با قطر 1/5 متر بود که با توان 100 وات میتوانست 30 کیلومتر در هر ساعت حرکت کند. پروژه بعدی ناسا در سال 2000، طراحی ربات Sample Return بهمنظور جمعآوری نمونه خاک و سنگ از سطح مریخ بود. نکته حائز اهمیت دربارهی این ربات دارا بودن سیستم تعلیق و قابلیت تنظیم زاویه بین لینکهای آن بود.[9] در این بین فعالیتهای تحقیقاتی و پژوهشی بسیاری نیز در زمینه طراحی نانو ربات مریخنورد با سیستم تعلیق فعال و با هدف کاوش بر روی سطح اجرام آسمانی و ... صورت گرفت.

پس از آن در سال 2002، ژاپنیها ربات میکرو 5 را بهمنظور بالا رفتن از موانع طراحی کردند که این ربات دارای 5 چرخ با قطر 100 میلیمتر است و نیز توانایی بالا رفتن از موانع با ارتفاع 150 میلیمتر را دارد.[10] همچنین در همین سال، موسسه تکنولوژی فدرال سوئیس رباتی از نوع میگو با 6 چرخ را طراحی کرد، از قابلیتهای مهم این ربات آن است که به کمک یک بازوی جلویی توانایی بالا رفتن از موانع را بدون بر هم خوردن تعادلش دارد.

از سال 2011 نیز، رباتهای مریخنورد، با رویکرد شبیهسازی حرکتی از الگوی حرکتی موجودات مختلف مورد توجه ویژه قرار گرفت. به این علم نوین بایو اینسپایرو2 گفته می شود. اولین رباتی که با استفاده از این علم اختراع شد، ربات چهار دست و پا بود که از الگوی حرکتی گربهسانان بهره گرفته شده بود

امروزه بسیاری از محققان علاقه بسیاری به ساخت و طراحی رباتهای مریخنورد برای انجام ماموریتهای مشخص و با مدت زمان طولانی دارند. در واقع هدف اصلی این محققان این است که در محیط یکسان، رباتهای کاوشگر بتوانند در زمان کمتر، حرکتهای طولانی مدت و ماموریتهای بزرگتر با تحرک بالاتر و مصرف انرژی کمتر و سهولت کنترل بیشتر را به انجام برسانند.

با توجه به بررسیهای انجامشده مشخص شده است که ربات مریخنورد میگو، بهترین گزینه از نظر قابلیت بالا رفتن از موانع، مقاومت در برابر سرنگونی، پیچیدگی سیستم تعلیق، سهولت کنترل، اندازه و میزان قدرت مورد نیاز است.[13] علیرغم تمامی مزایای ذکر شده برای ربات میگو، این ربات به دلیل داشتن چرخهای غیرمتعارف، تعداد لینکهای زیاد و سازگاری منفعلانه ساختار خود کاملا از دسته سیستمهای مکانیکی پیچیده غیرخطی و چند متغیره بهحساب میآید و تجزیه و تحلیل سینماتیکی و دینامیکی برای چنین سیستمهایی پیچیده و وقتگیر میباشد.

در این مقاله سعی بر این است که اصلاحاتی در مکانیزم حرکتی ربات مریخنورد الگوبرداری شده از میگو ایجاد شود تا ضمن رفع نواقص نمونههای پیشین پایداری حرکتی بیشتر و بهطور کلی مهارتهای حرکتی ربات برای عبور از موانع افزایش یابد. برای اینکار طرح هوشمندانهای که ترکیبی از چرخ و ارتباط لینک قابل تنظیم برای حفظ وضعیت مناسب بدن و افزایش تحرک ربات در زمینهای ناهموار و پله است، برای ربات مریخنورد پران در نظر گرفته شده است. در این مکانیزم هر یک از لینکهای جانبی و بازوی جلویی دارای دو درجه آزادی و بازوی انتهایی ثابت در نظر گرفته شده است. هر کدام از لینکها دارای دو پیشرانش هستند که مکان موتورها و تعداد درجه آزادی درنظر گرفتهشده برای آنها بر اساس مدلسازی حرکتی خرچنگ پران است.

.2 طراحی

در خلال طراحی و ساخت این ربات همواره چندین نکته زیر دارای اهمیت بوده است:

- 1 توجه ویژه به قابلیت ساخت ربات در سایزهای مختلف

- 2 تعادل ربات در عبور از موانع و پلهها

- 3 چند منظوره بودن ربات برای استفاده در مناطق مختلف.

- 4 قابلیت کنترل از طریق مینی کامپیوتر نصبشده در ربات

- 5 برنامهی کنترلی برای کنترل ربات از طریق لپتاپ، موبایل و تبلت

.1,2 فرضیات و طراحی مفهومی

نمایی از ربات طراحیشده در شکل 1 نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشخص است این ربات از 5 قسمت تشکیل شده است. بازوهای 1 و 5 که بهترتیب نشاندهندهی بازوی جلویی و عقبی ربات هستند. بازوی جلویی دو درجه و بازوی عقبی یک درجه آزادی را دارا میباشد و در هر یک از آنها از یک چرخ، یک موتور سرو و یک موتور DC استفاده شده است. هر یک از موتورهای DC به صورت مستقیم و از طریق شافت موتور به چرخها متصل شدهاند. موتور DC وظیفهی حرکت مستقیم چرخ به جلو و عقب و سروو موتور وظیفه فرمان دادن به چرخ چرخش به چپ و راست را بر عهده دارد.

همچنین بازوی جلوی دارای سیستم تعلیق فنری است که تماس بهینهی چرخها با زمین را در هر زمان و حالتی تضمین کند و ارتعاشات و ضربههای واردشده به ربات در حین حرکت را دفع میکند و نیز در ایجاد حرکت با پایداری بیشتر در ربات نقش ایفا میکند. نقش دیگری که این سیستم فنری بر عهده دارد بازگشت بازوی جلویی با حالت اولیه و نرمال خود پس از بالا رفتن از مانع و رسیدن به سطح صاف است . اعضا 2 و 4 نیز نشاندهندهی لینکهای جانبی ربات هستند که به صورت قرینه در دو طرف ربات قرار گرفتهاند.

هر یک از این لینکها دارای دو درجه آزادی بوده و توسط دو پین به عضو 3 یا همان بدنهی اصلی ربات متصل میگردند. به هر لینک جانبی 2 چرخ و 2 موتور از نوع DC متصل شده است. موتورها وظیفهی حرکت چرخها به سمت جلو و عقب در لینکهای 2 و 4 را دارند. به این اعضا اصطلاحا پای ربات نیز گفته میشود. بدنهی اصلی، عضو 3، از دو صفحهی موازی که توسط شش تسمهی آلومینیمی به یکدیگر متصل شدهاند و در نهایت یک بدنهی صلب را ایجاد کردهاند، تشکیل شده است. علاوه بر این لینکهای جانبی، بازوهای جلویی و عقبی و نیز تمامی تجهیزات و سنسورهایی که لازم است بر روی ربات نصب گردند، بر روی بدنهی اصلی و صلب ربات قرار میگیرند.

شکل .1 نمای کلی ربات به همراه تمامی اتصالات آن

حرکت این ربات از طریق هماهنگسازی حرکت چرخ جلو و عقب و همچنین اختلاف سرعت چرخهای جانبی ممکن میشود. این ویژگی حرکتی به ربات اجازه میدهد تا در حرکت خود دقت بالاتر، لغزش کمتر و در نتیجه پایداری بالاتری داشته باشد. استفاده از دو تسمه موازی در بازوی جلو و لینکهای جانبی ربات این قابلیت را برای آن فراهم میکند که یک مرکز مجازی چرخش در سطح محور چرخ ایجاد کند و باعث میشود که فاصله بالایی از زمین برای ربات در حین حرکت حفظ شود. این ویژگی حداکثر پایداری و توانایی بالا رفتن از موانع را حتی در شرایطی که ضریب اصطکاک بین چرخ و زمین کم است، برای ربات فراهم میکند. در واقع در این ربات، لینکهای جانبی نسبت به بدنه اصلی دارای قابلیت حرکت و تنظیم زاویهی مناسب هستند. این زاویه با توجه به مشخصات مانع تنظیم میشود؛ بنابراین ربات پران قادر به غلبه بر موانع منفعلانه بدون ساختار تا دو برابر قطر چرخهای خود است.

نکته حائز اهمیت دربارهی بازوی عقبی ربات این است که این بازو صلب در نظر گرفتهشده است و در مواقع بالا رفتن از پلهها و موانع نقش تکیهگاه را بهمنظور افزایش تعادل ربات ایفا میکند. بازوی جلویی ربات نیز قابلیت تغییر ارتفاع در هنگام بالا رفتن از موانع را دارا میباشد و پس از بالا رفتن این بازو توسط سیستم فنری به حالت اولیه خود بازمیگردد. این نکته نیز لازم به یادآوری است که ربات تنها قادر به بالا رفتن از موانعی است که ارتفاع آنها کمتر از دو برابر قطر چرخهای آن باشد.

در طراحی هر وسیله و ساختار، یک طراح پارامترهایی را بهمنظور انجام فرآیند طراحی در نظر میگیرد، در طراحی این ربات با توجه به نکاتی که در ادامه ذکر میگردد، پارامترهای مختلفی برای طراحی در نظر گرفتهشده است که در ادامه به این پارامترها و مقادیر انتخابی برای آنها اشاره میشود.

- 1  پله

با توجه به اینکه ربات موردنظر برای عبور از موانع طراحی میشود و پله یکی از این موانع است، پله و پارامترهای توصیفکننده آن بهعنوان یکی از پارامترهای طراحی ربات در نظر گرفتهشده است. این پارامترها در شکل 2 نشان دادهشده است.

شکل .2 پلهی در نظر گرفته شده

در این شکل L طول،  شیب، H ارتفاع و W عرض هر پله است