بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله، براي یک بازوي رباتیک دو درجه آزادي، یک مکانیزم انتقال گشتاور متغیر پیوسته - CVT - پیشنهاد شده است. هدف این است که با توجه به توابع گشتاور مفاصل، گیربکسی خاص با قابلیت تغییر نسبت تبدیل به صورت پیوسته بین کارانداز و مفصل قرار بگیرد و با تغییر نسبت تبدیل خودکار و بدون کنترل گشتاور موتور، نیروي مورد نیاز را جهت حرکت بازو که در شرایط مختلف تغییر میکند را تامین گردد. بنابراین در گشتاورهاي بالا، حرکت بازو با سرعت کمتر و قدرت بالا و در گشتاورهاي پائین، حرکت بازو با سرعت بالا و قدرت پائین انجام میگیرد که در این صورت نیازي به کنترل گشتاور کارانداز نمیباشد.
-1مقدمه
بازوهاي رباتیک براي اهداف و مقاصد مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند - به عنوان مثال رباتهاي صنعتی 2]، [1 ، رباتهاي پزشکی [3] ، و... - .این رباتها بسته به نوع کاربردشان باید داراي ویژگیهاي طراحی مختلفی باشند مانند: تعداد درجه آزادي - DOF - ، اندازه ، وزن ، سیستم تحریک ، سیستم انتقال نیرو ، نوع محركها و ...
به طور ویژه در تمامی کاربردهاي بازوهاي رباتیک ، وزن ربات از عوامل بسیار مهم طراحی میباشد از این رو باید بتوان تا حد ممکن لینکها را طوري طراحی نمود که داراي کمترین وزن باشند زیرا ماهیت این گونه رباتها به علت سري بودن لینکها باعث میشود که هر مفصل علاوه بر تولید نیروي مورد نیاز جهت حرکت بازو ، نیرویی جهت غلبه بر وزن لینکهاي بعدي نیز ایجاد کند. از سوي دیگر با توجه به اینکه کاراندازها به طور مستقیم مفاصل را تحریک میکنند و هر کارانداز خود نیز داراي وزن میباشد ، باید کارانداز مفصل قبل علاوه بر تولید نیروهاي مورد نیاز جهت حرکت بازو ، نیرویی جهت جابجایی این کارانداز نیز تولید کند.
در همین راستا راه حل مکانیزم انتقال نیروي کابلی این مشکل را بر طرف ساخته و باعث میشود که محركها از مفاصل دور باشند و بر روي پایه ربات یا زمین نصب گردیده و از همانجا توسط کابلها مفاصل را تحریک کنند که این امر سبب میشود وزن کاراندازها از روي لینکها برداشته شود.
براي اینکه یک بازوي مکانیکی را از حالت سکون با شتاب افزاینده به حرکت در آوریم و حرکت آن را تداوم بخشیده و پس از انجام عمل مورد نظر، سرانجام با شتاب کاهنده به سکون در آوریم باید مجموعهاي پیچیدهاي از توابع گشتاوري را به وسیله کاراندازهاي مفاصل اعمال کنیم ، شکل دقیق توابع گشتاور کارانداز مورد نیاز نه تنها وابسته به مشخصههاي فضایی و زمانی مسیر پیموده شده به وسیله مجري نهایی است، بلکه به خواصجرمی رابطها، بار مفید مجري نهایی ، اصطحکاك در مفصلها و غیره بستگی دارد، در این صورت کاراندازها باید بتوانند گشتاورهاي مختلفی را در شرایط مختلف بازو ایجاد نمایند، بنابراین شاهدآن میباشیم که به کار اندازها نیروهاي غیر یکسانی وارد میشود که باید بتوانند خود را با این تغییرات وفق دهند.
اگرچه موتورهاي الکتریکی به صورت ذاتی توانایی این را دارند که بتوانند در نیروها و بارهاي زیاد ، گشتاورهاي زیاد با سرعت پایین و در نیروها و بارهاي کم ، گشتاورهاي کم با سرعت بالا تولید کنند که مستلزم آن است که سرعت موتور رنج بزرگی داشته باشد صرف نظر از روش درایو و کنترل گشتاور که کار سادهاي نمیباشد، نمیتوان موتور را به مدت زیادي در اوج بهره وري خود نگه داشت چرا که این امر ممکن است باعث آسیب رسیدن به موتور شود[4 ] ، به همین علت در این مقاله از یک مکانیزم انتقال قدرت پیوسته - CVT - کابلی بین کاراندازها و مفصل استفاده شده است که میتواند موتور را در یک سرعت ثابت نزدیک اوج بهره وري نگه دارد و به جاي کنترل گشتاور موتور، نسبت تبدیل گشتاور این مکانیزم در شرایط مختلف تغییر خواهد نمود.
-2 مکانیزمهايCVT متداول
سیستم انتقال قدرت پیوسته - CVT - ، مکانیزمی میباشد که به صورت پیوسته نسبت تبدیل بین ورودي و خروجی خود را تغییر میدهد. این مکانیزم به عنوان بخشی از سامانه انتقال توان برخی از سیستمها، چندین سال است که پا به عرصه صنعت گذاشته است. در سال 1490 میلادي لئوناردوداوینچیبراي اولین بار این ایده را مطرح نمود. این مکانیزم در ابتدا توسط خودرو سازها مورد استقبال قرار گرفت و به مرور زمان بر روي انواع خودروها نسب گردیدکه اولین حق امتیاز این جعبه دنده با ورود CVT دوار در اروپا و در سال 1886 توسط دایملر بنز ثبت گردید، و در آمریکا و در سال 1935 این حق امتیاز اعطا شد از آن پس تا به امروز به علت مزایایشان در انواع خودروها از این مکانیزم استفاده میشود.
اما کمکم محققان رباتیک در فکر استفاده از این نوع سیستمها در رباتها بودند تا اینکه در سال 1999 اولین مکانیزم CVT تحت عنوان X-screw توسط هیروسه معرفی شد[4 ] که در زمینهي رباتیک قابل استفاده بود زیرا cvtهایی که تا آن زمان اختراع شده بودند به دلایلی مانند وزن و حجم بالا، دقت پائین و پیچیدگیشان قابل استفاده در رباتها نبودند اما مکانیزم معرفی شده توسط این محقق با رفع عوامل فوق توانست این سیستمها را براي اولین بار در رباتها به کار گیرد. البته ناگفته نماند به علت طراحی خاص این مکانیزم، استفادهي آن محدود به ربات-هایی میباشد که نیاز به گردش 360 درجه ندارند ونیاز به حرکت خطی دارند.اما چرا این مکانیزم براي استفاده در رباتها معرفی شد؟
همانطور که گفته شد مواقعی پیش میآید که ربات باید بارهایی با وزنهاي متفاوت را جابجا نماید، به عنوان مثال میتوان به ربات پا اشاره نمود.
پاها براي راه رفتن در دو موقعیت عمومی قرار میگیرند، لحظهاي که پا بر روي زمین قرار گرفته است و لحظهاي که پا از روي زمین برداشته شده تا قدم بعدي را بردارد. در لحظهي تماس پا با زمین به دلیل اینکه تمام وزن و بار بر روي این پا قرار میگیرد محركها باید بتوانند نیروي بیشتري را نسبت به لحظهاي که پا با زمین در تماس نمیباشد و از روي زمین برداشته شده است وارد کنند. یعنی شاهد آن میباشیم که یک محرکه ربات در لحظات مختلف، باید بتواند نیروهاي مختلف و غیر یکسانی را ایجاد نماید، به همین علت بود که این مکانیزم توسط این محقق معرفی شد و میتوانست با تغییر نسبت تبدیل خودکار، نیرو را از محرکهها به لینکها در بارهاي زیاد با قدرت زیاد و در بارهاي کم با قدرت کم انتقال دهد.
این مکانیزم در حالت کلی از یک پیچ و مهره و یک فنر تشکیل شده است. در نظر بگیرید که در یک مکانیزم پیچ و مهره، یکی از دو عضو را - معمولا مهره - به تکیه گاهی ثابت کنیم به نحوي که نتواند هیچ چرخشی را حول محور خود داشته باشد در حالی که عضو دیگر - پیچ - از یک سمت به موتور متصل می باشد، در این صورت به ازاي یک دور گردش موتور، پیچ به اندازهي یک گام به صورت خطی حرکت خواهد کرد. همانطور که در شکل 1 مشاهده می-کنید طراحی ابعاد قطعات به این صورت میباشد که در یک گام مشترك و هم اندازه، قطر مهره از پیچ کمی بزرگتر میباشد. بنابراین یک لقی بین پیچ و مهره به وجود خواهد آمد.
شکل:1 موقعیت قرار گیري پیچ
ومهره دنده ها در یک نقطه در تماس میباشند که در این نقطه قطر
دایرهي گام مهره از دایرهي گام پیچ بزرگتر میباشد. در این صورت به ازاي یک دور گردش پیچ، حرکت خطی ایجاد شده کمتر از حالت معمولی - با قطر مساوي بین پیچ و مهره - خواهد بود. با توجه به شکل اگر بتوان به نحوي محل تماس پیچ و مهره را در قطرهاي مختلف تغیییر داد، به تبع آن اندازهي حرکت و نیروي خروجی خطی پیچ هم تغییر خواهد کرد که این تغیر توسط فنري که در محیط مهره تعبیه شده است انجام میگیرد. به این صورت که هر چه میزان بار خروجی بیشتر باشد، فنر نیروي بیشتري را وارد میکند و میزان خروج از مرکز دایرههاي پیچ و مهره بیشتر خواهد شد در نتیجه نقطه تماس پیچ و مهره تغییر خواهد کرد که این امر سبب تغییر سرعت زاویه اي و حرکت خطی پیچ خواهد شد.
اما بزرگترین مشکل این مکانیزم این بود که خروجی مکانیزم دورانی نبوده و به صورت حرکت خطی میباشد که همین امر سبب محدودیت استفاده از آنها شده و تنها در بعضی از ربات-هایی که به حرکت خطی نیاز دارند به کار گرفته شود.
در سال 2005 مکانیزم حساس به بار خروجی با سیستم cvt جهت استفاده در انگشت دست توسط تاکاکی معرفی شد[5] که میتوانست براي گرفتن اجسام نیروي بیشتري را نسبت به زمانی که انگشتان در حالت بی باري باز یا بسته میشوند، تولید کند زیرا همانطور که میدانید انگشتان دست براي گرفتن اجسام به قدرت نیاز دارن اما براي باز یا بسته شدن به سرعت نیاز دارند.
شکل:2مکانیزم انگشت دست CVT
مشکلات این مکانیزم یکی این بود که براي حرکتهاي سریع با قدرت کم یک محدوده - 0- 90ᵒ - و براي حرکت هاي کند با قدرت زیاد یک محدودهي - 90-180ᵒ - وجود داشت. به این معنی که ربات تنها میتوانست در محدوده - 0-90ᵒ - اجسام سنگین را گرفته و نیز تنها در محدودهي - 90-180ᵒ - با سرعت باز و بسته شود دیگر اینکه از این مکانیزم میتوان تنها براي یکی از مفاصل انگشت استفاده نمود و اگر بخواهیم مفاصل دیگر انگشترا فعال کنیم به علت ماهیت مکانیزم امکان پذیر نمیباشد.
به همین خاطر در سال 2009 ماتسوشیتا با هدف رفع محدودیتهاي سیستمهاي سالهاي قبل و براي نخستین بار یک مکانیزم cvtحساس به بار کابلی با جهت استفاده در انگشتان دست رباتیک با لینکهاي کابلی معرفی نمود [6] که میتوانست قطر خود را نسبت به بارهاي خروجی تغییر دهد و این اولین و آخرین مکانیزم cvt بود که تا به حال جهت استفاده در رباتهاي کابلی معرفی و ساخته شد که در شکل 3 ساختار اولیهي این مکانیزم نمایش داده شده است.
شکل:3 مکانیزم CVT کابلی
همانطور که در شکل 3 مشاهده میکنید در حالت کلی این سیستم از دو دیسک - که توسط یک فنر از هم دور نگه داشته اند - ، یک شفت، بدنه، کابل و سرو موتورRC تشکیل شده است. که هر چه میزان بار در خروجی بیشتر باشد دیسکها به هم نزدیکتر شده و قطر موثر پولی کوچکتر خواهد شد در نتیجه میزان قدرت خروجی افزایش، وسرعت آن به همان نسبت کاهش پیدا میکند.
این مکانیزم به توسط فنري که بین دو دیسک قرار گرفته است به بار خروجی بر حسب ضریب سختی k فنر حساس میباشد به این صورت که در بارهاي بالا فنر توسط دیسکها فشرده شده و در نهایت شعاع پولی همانند شکل 4 کاهش پیدا میکند.
شکل:4 تغییر شعاع پولی بر حسب بار خروجی
و این امر سبب تغییر نسبت تبدیل ورودي و خروجی خواهد شد و در نتیجه سرعت و گشتاور در خروجی بر حسب بار تغییر خواهد نمود. بنابراین وظیفهي فنر، تنظیم قطر پولی بر حسب میزان بار خروجی میباشد. که خود این امر یکی از محدودیت و مشکلات اساسی این مکانیزم میباشد چرا که فنر در تمام لحظات - چه زمانی که وزنهاي بر روي دست قرار گرفته است و چه در حالت بی باري در حال فشار بر روي دو دیسک میباشد، این امر سبب باز شدن انگشتان دست در حالتی که وزنه اي بر روي آن نمیباشد خواهد شد یعنی دست در حالتهاي بی باري همیشه به صورت باز توسط نیروي فنر خواهد ماند و براي اینکه وزنه یا جسمی را دست بگیرد باید ابتدا موتور بر نیروي فنر غلبه نموده که این امز سبب اتلاف انرژي خواهد شد.
مهمترین مشکل و محدودیت این سیستم این میباشد که به دلیل استفادهي فنر در مکانیزم، این فنر نیز به سهم خود در میزان باز و بسته شدن دست تاثیر گذار میباشد، بنابراین کنترل دقیقی بر میزان باز و بسته شدن مفاصل یا اندازهي حرکت آنها نداریم و از این سیستم تنها میتوان در رباتهایی کهموقیت مجراي نهایی آنها اهمیتی ندارد وتنها میزان نیروي خروجی، آن هم با دقت پائین داراي اهمیت میباشد استفاده نمود.
