مکاترونیک

1-     مقدمه

طرح و ایده‏ی پایه و مقدماتی برای ساختار ربات‏های ماری غالب زنده‏ی مارهایی هستند که به صورت عمده بر روی زمین وجود دارند. برای حرکت دادن مار از روش‏های مختلفی استفاده شده است که هر کدام از این روش‏ها به ناحیه‏های کاربردهای حرکت بستگی دارد. این ربات‏ها می‏توانند در سطوح صاف و یا سطوح لغزنده حرکت کنند و یا از موانع بالا رفته و از آنها عبور نمایند. وجود ساختار اتصالی در مهندسی ربات‏های ماری امکان انجام حرکت‏های 3 بعدی را برای آن‏ها فراهم می‏کند. ربات‏های مار در ساختارهای بلند و کشیده شده تعریف شده‏اند که این ساختار شامل بخش‏های مشابه‏ای هستند که با یکدیگر ترکیب شده‏اند. حالت‏های حرکت برگرفته از 2 حالت اصلی حرکت‏های مارها و کرم ها می‏باشد. بدنه‏ی این حیوانات به خاطر اینکه دارای بخش‏های زیادی هستند که به یکدیگر جفت شده‏اند توانایی انجام حرکت‏های جنبشی را دارد. این امکان وجود دارد که این بخش‏ها و حول محور عمودی حرکت‏های چرخشی عمودی ایجاد ساخت. از مزایای این طرح توانایی بسیار بالا در حرکت بر روی سطوح ناهموار می‏باشد. این ربات را می‏توان با توجه به ساختار انتخابی و حرکت در سطوح ناهموار و در برآمدگی‏های سطحی بسیار بزرگ و دیگر انواع سطح‏های موجود به کار برد. اصلی‏ترین ایراد این ربات سرعت و انرژی بسیار پایین آن است که این امر هم به خاطر به کار بردن تعداد و انواع مختلف موتورها می‏باشد. ربات‏های ماری برای بازرسی در بخش‏های مختلفی از جمله لوله‏های زیرزمینی، فضاهای بسیار باریک و مناطقی که دسترس به آن‏ها سخت است به کار برده می‏شوند. در حال حاضر از این ربات‏ها در بخش‏های آتش‏نشانی وصنعت خودروسازی نیز استفاده می‏شود. در مناطق دیگری که نمی‏توان از ربات‏های راه‏رونده استفاده کرد می‏توان از این ربات‏ها استفاده کرد.

جدول شماره 1- مزایای ربات‏های ماری

جدول شماره 2- معایب ربات‏های ماری

2-     احتمالات حرکت پایه‏ای و مقدماتی مار

همان‏طور که در بخش‏های گذشته گفته شده است یک ربات ماری توانایی حرکت در محیط‏های مختلف را دارد. پس در طراحی تجزیه و تحلیل حرکت و محیط اطراف ربات ماری باید دقت صورت گیرد. در این طراحی سعی کرده‏ایم تا انواع حرکت‏های چندگانه را با یکدیگر ترکیب کنیم تا بتوانیم از طریق آن به مزایای بیشتری در استفاده از ربات ماری برسیم. انواع حرکت‏های مقدماتی عبارتند از:

• حرکت مارپیچ،
• حرکت تاشونده،
• حرکت چرخیدن به کنار،
• حرکت انتقال به کنار،
• حرکت شبه کرم هزارپا،
• حرکت کرمی

در یک آنالیز و تجزیه و تحلیل بر روی ربات ماری ترکیب شده تمرکز کرده‏ایم که در آن ربات بیش از 3 نوع حرکت نشان داده شده است (حرکت کرمی و کرم هزارپا و تا شونده). در ربات‏های ماری که در آن‏ها از چرخ استفاده نشده است. از بخش‏های انفرادی، کشش و انقباظی، حرکت‏های موجی و غلطکی استفاده شده است. این مدل از حرکت‏ها، از محرک‏های مخصوص استفاده می‏کنند. در بسیاری از مثال‏ها از موتورهای الکتریکی dcو یا سرو موتورهایی که برای کارکرد به انرژی بسیار کمی احتیاج دارند استفاده شده است. واحدهای راه‏انداز (محرک) بسیار کوچک این امکان را فراهم می‏‏کنند تا بتوان ابعاد بدنه‏ی ربات را کاهش داد. در این طراحی ایجاد یک قانون برای میزان اصطکاک بین سطح و پوشش خارجی ربات لازم است. در بعضی از گونه‏ها لازم است که از ساختار سطوح مخصوص که برابری می‏کنند با عملکرد واقعی پوسته‏های مار، استفاده کرد. پوشش خارجی باید حرکت بدنه‏ی ربات را ترکیب کرده، و انعطاف‏پذیر باشد و از نفوذ آب نیز جلوگیری کند.

ساختار طراحی ربات ماری

شکل 3 مدل بخش مستقل ربات ماری (ساختار با چهار سروموتور، سیستم راه‏انداز دنده‏ایی، سه سیستم منشوری)

ربات‏های ماری به خاطر این‏که شامل چندین بخش هستند پس تعداد محرک‏های آن‏ها کاهش یافته و تعداد حرکت‏ها، تأثیرات و نیروهای موجود در آن‏ها افزایش پیدا کرده است. پارامتر مهم در ساختار طراحی این ربات، جنبش و نقل و انتقال مربوط به این ربات است. در حال حاضر استفاده از اتصالات اصلاح شده مخصوص آغاز شده است که در اصطلاح طراحی بدون چرخ‏دنده شیب زاویه‏ای، شیب زاویه‏ای دو برابر، شیب حفظ کننده‏ی جهت نامیده می‏شوند.

در طراحی سعی شده است تا چندین گونه حرکت با یکدیگر ترکیب شوند که همین امر نیازمند به کارگیری درجه‏ی آزادی بسیار دقیق و مناسب در بین اتصالات است. این حالت نیز اساساً یک نمایش در تعداد واحدهای راه‏انداز و محرک در طرح نهایی ربات ماری است.

در شکل 3 مدل ارائه شده برای یک عنصر از ربات ماری است که شامل شش ضلعی اصلی است که تمامی بخش‏های حرکتی در آن قرار دارد. اتصالات تقاطعی بین بخش‏ها به وسیله‏ی شیارهای زبانه‏ای دندانه‏دار ایجاد شده است. در هر دو قسمت انتهایی اتصالات چرخشی اصلاح شده در شش ضلعی اصلی قرار گرفته است.

این حرکت به وسیله‏ی چهار سروموتور DC با عملکرد اجرایی 35-45Ncm تأمین می‏گردد. سه سروموتور برای راه‏اندازی شیارهای زبانه‏ای دندانه‏دار استفاده شده است. در این روش حالت حرکت نوسان‏دار در ربات ماری قطع می‏گردد. طول کلی شیارهای زبانه‏ای برابر 110 میلی‏متر و حداکثر اندازه‏ی آن 190 میلی‏متر است. این بدین معنی است که در بخش انفرادی این امکان وجود دارد که تا 80میلی‏متر افزایش طول داشته باشد که این اندازه 88 درصد طول یک واحد می‏باشد. تشخیص حرکت بر اساس انتخاب الگوریتم‏های کنترل چشمی صورت می‏گیرد. این الگوریتم‏ها به احاطه‏ی محیط و گونه‏ی حرکت انتخاب شده بستگی دارد. حداکثر زاویه‏ی چرخش یک بخش از 25 درجه تا 35 درجه است.

شکل 4  مدل ساختمان ربات ماری ترکیبی. مدل شامل چهار بخش مستقل

زاویه‏ ی چرخش به کیفیت اتصالات چرخشی بستگی دارد. با توجه به ساختار تهیه شده حداکثر انعطاف‏پذیری در ربات ماری به دست می‏آید. چهارمین سروموتور برای افزایش و کاهش ابعاد یک بخش به کار برده می‏شود. با کمک محرک چرخ‏دنده‏ای حرکت از سروموتور به هم بندهای منشوری محول می‏شود.این نوارهای منشوری بر روی سه بازوی متصل به شش ضلعی مرکزی قرار گرفته‏‏اند. سروموتور در محلی قرار گرفته است که در کار سه سرو موتور بعدی هیچ‏‏گونه اخلالی به وجود نمی‏آورد. ابعاد یک بخش برابر 160 میلی‏متر است و می‏تواند تا 220 میلی‏متر افزایش پیدا کند. ساختار بدنه از مواد بسیار سبکی همانند نایلون، دورآلومین، بدنه و آلومنیوم ساخته شده است. با استفاده از این مواد می‏تواند به سبک‏ترین وزن ربات ماری دست پیدا کرد. این حالت توان و ابعاد سروموتورهای به کار برده شده را اثبات می‏کند.

نتیجه ‏گیری

این مقاله بر روی طراحی ساختار و حرکت‏‏های پایه‏ای ربات ماری ترکیب شده تمرکز کرده است. ساختار اولیه‏ی ربات ماری برای محیط ‏های مختلف طراحی شده است که این فعالیت‏ها از طریق حرکت‏‏های مختلف ربات اجرا می‏شود. در برنامه‏ی ساخت و طراحی چندین گونه حرکت تهیه و ایجاد گردیده است. این گونه‏های حرکتی فعالیت‏های مختلف ربات را مناسب می‏کنند. این ربات ماری را می‏توان در برنامه‏های مختلفی از قبیل فعالیت‏های خدماتی و بازرسی تجهیزات غیر قابل دسترسی، بازرسی محیط داخلی لوله‏ها و اکتشافات زیرزمینی و محیط‏های بسیار باریک به کار برد.