1-     مدل‏سازی و شبیه ‏سازی سیستم مار

شکل 1 مدل ساختمان ربات مار مرکب. مدل شامل چهار بخش مجزا می‏باشد.

مدل ریاضی ربات ماری در برنامه‏یMatlab/Simulink ارائه شده است و براساس ساختار طراحی شده، ارائه گردیده است (شکل 1). مدل کامل این ربات شامل سیستم‏های فرعی نیز می‏‏باشد. در این سیستم‏های جانبی، تمامی واحدهای نورپردازی، قسمت‏های چرخشی، تعاریف حرکتی در انواع محیط‏های مختلف و سیستم‏های کنترلی مختلف، شرح داده شده است. همان‏طور که قبلا نیز اشاره شده تمامی حرکت‏های ربات براساس اتصالات چرخشی و نورانی (منشوری) تعریف شده است. این اتصالات به صورت خطی و همانند شکل 2، چیده شده ‏اند. تمامی این مدل‏های خطی به واحد شش ضلعی مرکزی متصل شده‏اند. در طرح نهایی تنها 2 گونه مکانیزم بازویی به کار برده شده است (شکل 2). اولین نوع آن جانشین و جایگزین مسیر حرکتی جفتی دندانه‏دار[1] می‏باشد. قسمت انتهایی هر قسمت با اتصالات چرخشی پایان می‏یابد. زاویه‏ی چرخش این اتصالات 25 درجه می‏باشد. این مدل شامل 2 اتصال چرخشی و یک اتصال نورانی می‏باشد که در شکل 2-الف نمایش داده شده است. تغییرات زاویه‏ای و تغییرات حرکتی به وسیله‏ی یک حسگر اتصالی و یک محور اتصالی تعریف می‏گردد. حسگر اتصالی برای اندازه‏گیری مکان واقعی اتصال و محرک اتصال برای کنترل حرکت اتصالات کاربرد دارد. اتصالات چرخشی به وسیله‏ی اتصالات با چرخش آزاد جایگزین شده‏اند. با استفاده از این اتصالات که دارای چرخش آزاد هستند حرکت انتقالی در 3 محور سیستم مختصاتی دکارتی، امکان‏پذیر خواهد بود. دومین نوع مکانیزم به کاربرده شده برای واحد اتصالی مرکزی قرار گرفته است. این قسمت برای ثبت موقعیت متقابل بین 2 بخش مستقل کاربرد دارد. این قسمت دارای واحدهای محرک نمی‏باشد و شامل 2 اتصال نورانی ساده است که به وسیله‏ی اتصالات چرخشی به سیستم متصل شده‏اند (شکل 2 ب). ساختار داخلی واحد اتصال مرکزی با بلوک دیاگرام سینماتیکی ارائه شده است.


[1]Cogged dovetail guide way

شکل 2-ساختار داخلی مکانیزمهای واحد و بازوهای سیستم ربات ماری (اتصالات چرخشی و منشوری) الف- ساختار راهنمای مسیر کام و زبانه دندانه دار ب) ساختار بخش اتصال مرکزی

شکل 3-مدل بخش ربات ماری مستقل به همراه سیستم کنترل موقعیت همراه با بلوک دیاگرام حرکت جنبشی آن

از این اتصالات داخلی سیستم‏های جانبی ساده‏یposM و  Osایجاد شده‏اند. در سیستم جانبی posM تمامی واحدهای اتصالی در مسیر هدایت جفتی دندانه‏دار، شرح داده شده است. در سیستم جانبی Osساختار واحد اتصالات شرح داده شده است. بعد از اتصال 3 بخش جانبی posM و یک بخش جانبی Os به یک واحد مرکزی تعریف شده در بلوک بدنه‏ی[1] با نام دیسک 1 مدل بخش ربات ماری مستقل می‏تواند ایجاد شود. بلوک دیاگرام خروجی به همراه سیستم کنترلی و بلوک دیاگرام سینماتیکی جایگزین در شکل 3 نمایش داده شده‏اند. مدل ریاضی نهایی ربات ماری مرکب به وسیله‏ی 4 بخش رباتی مستقل تفهیم می‏گردد. این بخش‏ها همانند ساختار نشان داده شده در شکل 3 به یکدیگر متصل هستند. ساختار داخلی اتصالات مکانیزم ربات ماری در شکل 4 نشان داده شده است. حرکت کامل سیستم در یک محیط ماشینی و به صورت مجموعه‏ای از محاسبات سینماتیکی تعریف گردیده است. حرکت ربات ماری با توجه به اتصالات به هم پیوسته که در یک محیط ماشینی به یکدیگر متصل شده‏اند مقدور خواهد بود. با کمک این اتصالات حرکت‏های انتقالی و چرخشی در سیستم مختصات دکارتی تعریف می‏گردد.


[1]Body block

شکل 4-مدل ساختار داخلی مجموعه ربات ماری ترکیب شده         شکل 5-مدل کامل ربات ماری ترکیب شده به همراه سیستم کنترل

 

در شکل 5 مدل نهایی مکانیزم ربات ماری نشان داده شده و شامل زیر مجموعه‏ها می‏باشد. سیستم کنترل برای مجموعه‏ی کامل با تولید سیگنال‏های کنترل ورودی تشخیص داده می‏شود.

 

 

 

نتایج شبیه‏ سازی

این سیگنال‏ها دربلوک‏های کنترلی D1 تا D3 تولید می‏شوند. در بلوک کنترلی D1 حرکت زنجیری به شکل کرم تولید می‏گردد. حرکت‏های موجی کناری نیز به وسیله‏ی بلوک کنترلی D2 تولید می‏گردد و حرکت کرمی و حرکت هارمونیک در بلوک کنترلی  D3 تولید می‏گردد. شکل 6 حرکت مار از نقطه آغازین با حداقل طول مار را نشان داده است. در طول این مدت اتصالات نورانی در حداقل اندازه‏ی خود هستند. در ادامه در شکل 6 حداکثر طول ربات ماری نشان داده شده است. در این حالت اتصالات نورانی در حداکثر وضعیت متورم خود قرار دارد.

شکل 6-شبیه ساز عملکرد ربات ماری، حداقل طول موقعیت اصلی ربات ماری به حداکثر طول موقعیت نهایی ربات ماری تبدیل شده است.

شکل 7-شبیه ساز ربات ماری چهار بخشی (زاویه انحراف بین دو بخش حداکثر 30 درجه است)

 

 

تغییرات موجود در موقعیت‏های زاویه‏ای بین بخش‏های ربات ماری در شکل 7 مشاهده می‏‏شود. محرک چرخ‏دنده در سرو موتور موقعیت منشوری واقعی را متعادل می‏کند.

تفهیم ربات ماری

برای بررسی این فرایند، 2 بخش مستقل ایجاد شده است (شکل 8). اتصالات بین این 2 بخش به وسیله‏ی مسیرهای هدایتی و یک سرو موتور (تغییرات فاصله) و اتصالات توپی تفهیم شده است (چرخش در تمامی مسیرها و سمت‏ها).

شکل 8  مجموعه آزمایشگاهی ربات ماری ( مجموعه شامل دو قسمت می باشد)

حداکثر زاویه‏ی ممکن بین این 2 بخش 35 درجه است و توسط یک اتصال مرکزی محدود می‏گردد. فاصله این 2 بخش از 12 سانتی‏متر تا 20 سانتی‏متر می ‏باشد. موقعیت مدل تأیید شده در حالت چرخشی ناپایدار است. به همین دلیل اتصالاتی که دارای حالت چرخش آزاد هستند جایگزین اتصالات توپی شده ‏اند.

شکل 9  اتصال گاردان با چرخش آزاد بدون چرخش محوری

نتیجه‏ گیری

این مقاله بر روی تحقیق درباره‏ی طراحی ساختار سیستم مورد نظر، شبیه‏سازی نوع حرکت ربات ماری تمرکز کرده است. این مدل به وسیله‏ی برنامه‏یMatlab/Simulink و برای انواع مختلف حرکت‏ها، حرکت‏های هزارپا، حرکت‏های موجی کناری ، حرکت کرمی و حرکت هارمونیک شبیه‏سازی شده است. انواع حرکت‏های ذکر شده به فعالیت‏های مختلف ربات بستگی دارند. این ربات‏های ماری ترکیبی برای برنامه‏های مختلف از قبیل فعالیت‏های بازرسی و خدماتی مخصوص به تجهیزات و واحدهایی که به راحتی در دسترس نیستند بازرسی لوله‏ها و اکتشافات زیرزمینی و معابر بسیار باریک، کاربرد دارند.