مکاترونیک

1-     مقدمه

در این مقاله، طراحان به دنبال رسیدن به حالتی هستند که در آن با استفاده از یک ربات متحرک به بازرسی لوله‏های سیستم تهویه پرداخته و معایب آن سیستم را شناسایی کنند. بازرسی ظاهری لوله‏های سیستم تهویه معمولا به صورت دستی و توسط اپراتورهای انسانی صورت می‏گرفت که در آن اپراتورها با استفاده از دوربین به انجام این فرایند می‏پرداختند که فرایندی خسته‏کننده می‏باشد. تنها در شرایط  غیر معمول و غیر عادی انجام بازرسی توسط انسان نسبت به ربات بهتر می‏باشد و دارای نتایج بهتری است. به بیان دیگر می‏توان این چنین گفت که یک ربات در محیط‏های شناخته شده و یا ناشناس به صورت اتوماتیک به جمع‏آوری اطلاعات می‏پردازد. اما در اجرای این روش مشکلات فراوانی در تطابق با مقاله‏های 1، 2 و 7 وجود خواهد داشت.

این کار بر روی فاکتورهای کلیدی از قبیل کنترل‏کننده‏های رفتاری سطح بالا در ساختار "Brooksian" و رقابتی ربات بازرسی و روش‏های مختصاتی شبکه‏ی عصبی تمرکز دارد. سیستم‏های کنترل‏کننده‏یعملکرد ویژگی‏های مفید و سودبخشی از قبیل عملکرد قدرتمند و قابل اطمینان در محیط‏های شناخته شده و ناشناس ارائه می‏کنند. مشکل اصلی در این چنین سیستم‏هایی مشکل انتخاب عملکرد است. بررسی‏های گسترده‏ای در حالت استراتژی انتخاب عملکرد صورت می‏گیرد. طراحان این سیستم حالت‏ها پیشنهادهای مختلفی را برای مکانیزم انتخاب عملکرد در یک مسیر سیستمی، دسته‏بندی کرده‏اند. آن‏ها ویژگی‏های مختلف حالت‏های مشارکتی، رقابتی، مجازی، حقیقی و تطابقی و غیر تطابقی را مورد بررسی قرار داده‏اند. در این پروژه طراحان اطلاعات به کاربرده شده در شماتیک کنترل رفتار را که بسیار شبیه به موارد ذکر شده در بالا هستند اما تغییراتی در آن‏ها دیده می‏شود را به عنوان اطلاعات مبنا قرار می‏دهند.

2-     اولین مرحله در طراحی و گسترش سیستم کنترل رفتاری

این بخش اصلی‏ترین ایده در شماتیک رفتاری، چهارچوب شبیه‏سازی و وظایف و حرکات جنبشی به کار برده شده در تعیین حرکت ربات را توضیح داده است.

2-1- شماتیک رفتار

اصلی‏ترین ایده در ساختار کنترل ارائه شده به شرح زیر می‏باشد: 3 لایه وجود دارد: لایه‏ی سطح پایین، لایه‏ی رفتاری و لایه‏ی سنجشی؛ لایه‏ی رفتاری شامل یک مجموعه رفتارها و مختصات می‏باشد. دو روش که براساس شبکه‏های عصبی feed forwardو رقابتی طراحی شده‏اند، ارائه شده‏اند. اولین روش برای انتخاب رفتار به کاربرده می‏شود و دومین روش برای یادگیری و آموزش نقشه‏برداری ناحیه‏ی عملکرد رفتار به کار برده می‏شود. در این روش دو حالت مستقل وجود دارد. حالت رقابتی و حالت مشارکتی.

2-2- چهارچوب شبیه‏سازی

در دومین مرحله از تحقیقات، طراحان، یک چهارچوب شبیه‏سازی را برای توسعه و گسترش کنترل‏کننده رفتاری ربات بازرس، پیشنهاد کرده‏اند. این چهارچوب کاری این امکان را فراهم می‏کند تا نتایج به دست آمده بر اساس حالت‏های توسعه‏ای را به صورت شبیه‏سازی شده مشاهده کند.

نرم‏افزار پیشنهادی شامل محیط شبیه‏سازی چهاربعدی Matlab/Simulink, MSC. VisualNastran به همراه جعبه ابزار جریان حالت[1] می‏باشد.

بخش Simulink این چهارچوب شامل واحد جریان حالت می‏باشد که هر کدام درباره‏ی یک جریان رفتاری می‏باشد: چرخش به چپ، چرخش به راست و دیواره‏ی سمت راست و غیره می‏باشد. هر واحد انواع اطلاعات زیر را به دست می‏آورد. اولین واحد اطلاعاتی فاصله بین ربات و مانع که از هفتمین حسگر مادون قرمز به دست می‏آید، می‏باشد. دومین واحد اطلاعاتی از 3 محور شتاب‏سنج به دست می‏آید که در مورد جهت‏‏یابی‏های ربات می‏باشد.اما اطلاعات دیگری نیز وجود دارد که از دوربین نصب شده در جلوی ربات به دست می‏آید. علاوه بر آن این بخش اطلاعاتی را در مورد میزان کارکرد موتور، میزان شارژ باطری و از همه مهم‏تر وظایف برنامه‏ریزی شده ارائه می‏دهد.

بر اساس اطلاعات ذکر شده هر قسمت اطلاعاتی را در مورد سرعت خطی نقطه S و شعاع چرخش R برای رفتار حرکت ربات، ارائه و تولید می‏کنند. این اطلاعات به عنوان یک ورودی برای مدل حرکتی ربات به کار گرفته می‏شوند. این اطلاعات محاسبه‏ی زاویه‏ی چرخش و سرعت زاویه‏ای هر چرخ ربات را امکان‏پذیر می‏سازد.

2-3- حرکت‏های جنبشی ربات

توضیحات ارائه شده در زیر در مورد مفاهیمی می‏باشند که امکان تعیین وظایف حرکتی و جنبشی را برای حرکت ربات فراهم می‏کنند. براساس حالت‏های هندسی ربات این پیش فرض به وجود می‏آید که این ربات شامل بدنه‏ی اصلی با ابعاد 200×200mm و چهار واحد حرکتی می‏باشد. هر واحد حرکتی مجموعه‏ای از یک موتور و یک چرخ با شعاع R_w=30mm می‏باشد. البته بسیار واضح و روشن است که مجموعه‏ی بدنه و چرخ شامل بخش‏های دیگری نیز می‏باشد. هر واحد حرکتی دارای 2 درجه آزادی می‏باشد. موتور باعث چرخش چرخ‏ها می‏گردد. علاوه بر آن هر واحد حرکتی می‏تواند حول محور و به صورت عمودی بچرخد. پایه‏ی چرخ L=160mmو خود چرخ b=160mm می‏باشد.

مبنای مباحث بعدی فرضیه‏ای می‏باشد که طبق آن یک ربات به وسیله‏ی 2 پارامتر کنترل می‏گردد. سرعت خطی نقطه‏یS و شعاع حرکت R. در این فرایند این حالت پیشنهاد می‏گردد که ربات در مسیر زیر حرکت کند. هنگامی که ربات مستقیم حرکت می‏کند هر موتور با سرعت ثابت چرخشی به صورت بی‏شمار محاسبه شده است. هنگامی که ربات طول شعاع R می‏چرخد، محور چرخشی هر چرخ که منطبق با نقطه‏یO که همان نقطه‏ی چرخش حرکت ربات است، می‏چرخد.

سرعت چرخش هر نقطه‏ی ربات ω می‏باشد که برابر است با:

زاویه‏ی بین سکوی (صفحه) چرخشی چرخ خروجی و مسیر حرکتی آنی برابر است با:

شعاع آنی دایره‏ی پوشش داده شده به وسیله‏ی نقاط Aو D (B و C) برابر است با:

هنگامی که ربات بر روی شعاع R و با سرعت خطی rs مربوط به نقطه S می چرخد، بعد از آن سرعت خطی Vin نقطه B و C و سرعت خطی Vout نقاط A و D برابر است با:

براساس محاسبات بالا، سرعت چرخش چرخ درونی ω_iw چرخ بیرونی ω_owطبق فرمول زیر ارائه می‏گردد:

3-     نتیجه‏گیری و عملکرد آتی

در این زمان این چهارچوب امکان کنترلی واقعی ربات را به صورت دستی فراهم می‏کند. با توجه به نرم‏افزار 4 بعدی MSC. Visual Nastran اطلاعات مربوط به حرکت جنبشی ربات، مکان، چرخش، سرعت زاویه‏ای خطی و شتاب هر نقطه از ربات در هر نقطه‏ای، به دست می‏آید. دومین مزیت استفاده از این نرم‏افزار این است که رفتار ربات به صورت مجازی، در دسترس است.

اما اصلی‏ترین مشکل این برنامه، وقت‏گیر بودن آن می‏باشد و این هم به خاطر پیچیده بودن محاسبه‏ی اتصالات چرخ‏ها و لوله‏ها می‏باشد.

از زمانی که جعبه ابزار جریان حالت برای مدل برنامه فعال شده است و سیستم‏های حرکتی شبیه‏سازی شده‏اند و کد C در برنامه‏ی به کارگیری شده است طراحان قصد دارند تا سیستم کنترل رفتاری ربات متحرک را توسعه بیش‏تر دهند. این تحقیقات با شبیه‏سازی حرکت‏های ساده آغاز گردید و بعد از آن که ربات به سمت گوشه حرکت کرد چرخش به چپ، توقف و چرخش واحدهای حرکتی، حرکت بر روی شعاع فرضی تا نقطه‏ی فرضی، چرخش به عقب واحد حرکتی و حرکت مستقیم، شبیه‏سازی گردید. دیگر حرکت‏های ساده ابتدا آزمایش گردیدند و سپس به یکدیگر متصل گردیدند. هنگامی که نتایج شبیه‏سازی به اجرا درآیند، کدهای اجرایی در سیستم کنترلی ربات واقعی به کارگیری می‏شوند.