مکاترونیک

اهداف این فصل عبارتند از:

• معرفی مفاهیم نقل و انتقال، کار و دوگانگی آنها

• توضیح پایداری استاتیکی در مقابل دینامیکی

• معرفی "درجه آزادی"

• و معرفی سینماتیک رو به جلو بازوهای استاتیک

2-1. مثالهایی از نقل و انتقال و کار

نقل و انتقال شامل مفاهیم بسیار متفاوت حرکت از جمله چرخش، راه رفتن، دویدن، پریدن، کشویی (نقل و انتقال موجی)، خزیدن، کوهنوردی، شنا، و پرواز است. آنها به شدت از نظر مصرف انرژی، سینماتیک، ثبات، و قابلیت های مورد نیاز ربات برای انجام امور متفاوت هستند. با این حال، تعاریف بالا بی­قاعده و مبهم هستند: به عنوان مثال، "شنا" را می­توان با استفاده از اشکال بسیاری مختلف از سیستم نیروی محرکه انجام داد. به طور مشابه، یک حرکت کشویی بر روی زمین را ممکن است با تنها چند تغییر به شنا تبدیل کرد.

روشی که در آن قطعات منحصر به فرد یک ربات می­تواند با توجه به یکدیگر و محیط حرکت کنند سینماتیک ربات نامیده می­شود. سینماتیک تنها با موقعیت و سرعت (مشتق اول موقعیت) قطعات مربوط می­شود، اما دینامیک شامل شتاب (مشتق دوم موقعیت) و جرک (مشتق سوم موقعیت) است.

از لحاظ تجاری، چرخش غالب­ترین شکل نقل و انتقال است. به این خاطر که چرخش تا بحال کارآمدترین نسبت انرژی- سرعت (شکل 2-1) را فراهم می­کند. اختراع چرخ یکی از بزرگترین پیشرفت های تکنولوژیکی در تاریخ است. در نتیجه، انسان محیط پیرامون خود را مانند شبکه جاده­ها، حتی انبار و طبقه­های مسکونی را تا حد زیادی به سطوح صاف اصلاح کرد. در مقابل، سیر تکامل یک حیوان دارای محرکی مانند چرخ را نمو نداده است.

می­توانید نمونه ­هایی از ربات­ها از مقوله­های بالا را پیدا کنید؟ انواع مختلف عملگر که در آنها استفاده شده را تشخیص دهید.

با توجه به افزایش رباتهای چرخشی، موتور الکتریکی در میان عملگرها، محبوب­ترین است. به جز موتور پله­ای، که با استفاده از قطب­های بزرگ، چرخش اسپیندل داخلی با چند درجه در هر زمان امکان پذیر است، بخاطر فیزیک موتور الکتریکی نیاز به چرخیدن با سرعت بسیار بالا (چند هزار دور در دقیقه) می­باشد. بنابراین، موتور تقریباً همیشه به چرخ دنده برای کاهش سرعت و افزایش گشتاور نیاز دارد تا نیروی موتور را به چرخش محور اعمال کند. به منظور اندازه گیری تعداد چرخش محور و تعیین موقعیت، موتور اغلب با رمزگذار چرخشی ترکیب می­شود. موتور که ترکیبی از موتور الکتریکی با جعبه دنده، رمز گذار و کنترل حرکت در موقعیت سمت است به عنوان سرو موتور شناخته می­شود و در میان علاقمندان محبوبیت خاصی دارد. یکی دیگر از کلاس­های محبوب عملگر، به ویژه برای رباتهای پا دار، عملگر خطی، که ممکن است به صورت الکتریکی باشد، پنوماتیک یا هیدرولیک است. در نهایت، یک آرایه وسیعی از عملگرهای خاص مانند شکل حافظه آلیاژ، الکترواکتیو پلیمرها و یا پیزو-عناصر وجود دارند که اغلب برای بی­نهایت کوچک­سازی استفاده می­شوند، اما نسبت انرژی به نیرو جذابی را فراهم نمی­کنند و به سختی قابل کنترل­ اند.

شکل 2-1 .: مصرف توان در مقابل سرعت برای وسایل مختلف حمل و نقل. تاد (1985).

بیشتر عملگرها (و مکانیزمها) مناسب حمل و نقل نیز می­توانند برای کارهای دستی با تغییرات جزئی استفاده شوند. بیشتر ابزار کنترل کننده صنعتی از زنجیره­ای از دیسک­های دوار که توسط لینک­هایی به هم متصل شده­اند تشکیل شده است. بیشتر ربات­های صنعتی شش یا بیشتر محور دوار به طور مستقل دارند. ما چرایی آن را در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد. بازوهای مکانیکی صنعتی مدرن از این توانایی برخوردارند که نه تنها موقعیت هر یک از مفاصل را کنترل نمایند، بلکه توانایی کنترل دقیق گشتاور و نیرو در هر مفصل فردی را با ساخت بازوی سازگار دلخواه که معکوس سختی به یک معنا مکانیکی است، دارند. برای کار با دست ربات نه تنها به یک بازو، بلکه به یک پنجه یا دست نیاز دارد. به چنگ آوردن[1] یک مسئله سخت است که خود سزاوار یک فصل می­باشد.