مکاترونیک

1-     مقدمه

حوزه و حیطه‏ ی علمی ربات‏های متحرک شاخه‏ ها و منابع بسیار جالبی از توسعه، گسترش و تحقیقات در علم مکاترونیک را ارائه کرده است. این عنوان در حالت عمومی بسیار واقعی و بدیهی است چرا که با استفاده از ربات‏های ماشینی مختلف و ماشین‏های راه‏رونده (پیاده‏روی) مردم می‏توانند کارهای خود را ساده ‏تر انجام دهند. علاوه بر آن، هم‏چنین، با گسترش ماشین‏های دستی دانش‏های جدیدی در علم مکانیک، الکترونیک، شبکه‏ های عصبی و دیگر رشته ‏ها به وجود آمده است.

در این مقاله به صورت خلاصه، طراحی ساختار مکانیکی ربات دو پای Golem2 توضیح داده شده است. این ربات در دانشگاه تکنولوژی FME برنو ساخته شده است. یک مسئله در مورد ساختار تعادلی ربات وجود دارد.

ما باید تمامی مسائل پیش‏ رو را با استفاده از شبیه‏سازی کامپیوتری در نرم‏افزار MATLAB/Simulink/SimMechanics  انجام داده و نتایج آن را در نرم‏افزار VRML مجازی‏سازی کنیم.

 2-ساختار مکانیکی

در طول طراحی ساختار مکانیکی از چندین وسیله استفاده کرده‏ایم. اولین وسیله، مدل جنبشی روبه جلو (FKM) می‏باشد. این مدل به صورت نمادین و با استفاده از معادله‏ی شماره‏ی 1 شرح داده می‏شود.

(1)                         

در این معادله  زاویه‏ری الحاق

 موقعیت کارتزین پا

 جهت خاص پا

ساختار جنبشی در شکل شماره‏ی 1 نشان داده شده است. این ساختار دارای 12 عدد درجه‏ی آزادی کلی می‏باشد. محل جایگزینی و قرار گرفتن آن‏ها در زیر آمده است. در هر اتصال چاربند 3 درجه‏ی آزادی قرار داده شده است، هر زانو دارای یک درجه آزادی است و در ناحیه هر ankle  دو درجه آزادی قرار داده شده است.

اگر می‏خواهیم یک موقعیت سرو جدید به دست بیاوریم و از طرف دیگر موقعیت کارتزین و جهت خاص پاها را می‏دانیم، ما از مدل جنبشی معکوس (IKM) استفاده می‏کنیم که می‏توانیم با استفاده از معادله‏ی شماره‏ی 2 آن را شرح دهیم

(1)                          

اطلاعات بیش‏تر در مورد مدل‏های FKM و IKM در پیوست (1) در دسترس است.

3-مدل‏سازی ربات و مجازی‏سازی

بعد از بهینه‏سازی پارامترهای حجمی و هندسی، ساختار این سیستم در مقیاس سیستم برنامه SolidWorks2001 ساخته شده است. بنابراین ما تصاویر مجازی را به دست آورده و بعد قادر خواهیم بود حالت‏های برخورد را مشاهده کنیم. مدل نهایی ساختار در شکل شماره‏ی 2 نشان داده شده است.

شکل 2  مدل ربات (چپ:SolidWorks، راست:Matalb)

یکی از موارد اساسی این مدل دارا بودن از چندین فرایند عملیاتی در محیط برنامه‏یMatalb است. ما می‏توانیم حرکت ربات را با کمک این فرایندها مختصات بندی کنیم. در متن زیر چگونگی در اختیار گرفتن نتایج خروجی و فرامین ورودی این فرایندها، به صورت خلاصه توضیح داده شده است.

ورودی موقعیت های واقعی سروها می باشند. با کمک موقعیت جدید سروها نیازمندیهای حرکتی بدنه‏ی ربات را به دست می‏آوریم. این عملکردها بر اساس مدل‏های FKM و IKM می‏‏باشند. حال قادر خواهیم بود تا مرحله‏ی بین موقعیت جدید و واقعی سروها را میان‏یابی کنیم و اطلاعاتی را که برای مجازی در محیطVRML نیاز داریم، به دست بیاوریم.

4- تعادل ربات بر عیار ZMP

در هنگام ارائه‏ی پیشنهاد در طراحی مکانیکی، لازم است تا مسائل مربوط تعادل ربات برطرف گردد، هیچ‏گونه تعریف منحصر به فردی در مورد کنترل بالانس ربات دو پا وجود ندارد، در واقع موقعیت‏های بسیار زیادی وجود دارد که در آن ربات نتواند متعادل بایستد و در جا خواهد افتاد، با استفاده از فضای کاری و حالت‏های تعادلی این فضای کاری، ما این مشکل را برطرف کرده‏ایم. نقطه‏ی لحظه‏ای صفر معیار (ZMP) معمولا مورد استفاده قرار می‏گیرد. زمانی که ربات بر روی یک پا قرار گرفته است و یا این‏که بر روی 2 پا قرار دارد و یا در حال پشتیبانی ناحیه‏ی بین قدم برداشتن می‏باشد. این بدین معنی است که می‏بایست موقعیت YMP با توجه به 0-XYZ در هر لحظه در طول پیاده‏روی و حرکت را بدانیم. 

ما این مسئله را در محیط Matlab و با استفاده از ایجاد الگوریتم محاسبه ZMP برطرف کردیم. با استفاده از مدل استاتیکی (شکل 2) ما نیروهای اتصالی بین پا و زمین را به دست می‏آوریم. این نیروهای اتصالی بایستی کارکتر فشاری را حفظ کنند، این بدین معنی است که موقعیت متعادل است. ما این نیروها را در ناحیه‏ی تی شکل و مقداری در نواحی پنجه و پاشنه اندازه‏گیری می‏کنیم.

بعد از آن موقعیت واقعی ZMP را با استفاده از به دست آوردن نیروها محاسبه می‏کنیم. این مختصات واقعی ZMP با نیازمندی‏های مختصات‏بندی شده ZMP مقایسه می‏شود. مختصات مورد نیاز ZMP به ناحیه‏ی0-XYZ بر می‏گردد که به ankle متصل است. ما موقعیت واقعی ZMP را به عنوان ورودی برای عملکرد خود مورد استفاده قرار می‏دهیم، تا موقعیت جدید سروها را محاسبه کند. این عملکرد شامل مدل جنبشی معکوس تحلیلی ربات می‏باشد.

در برنامه‏ یMATLAB/Simulink/SimMechanics ما یک موقعیت را که متعادل است تعریف کرده ‏ایم. بعد از آن این موقعیت را در ساختار واقعی ربات نمایش داده‏ایم و قادر خواهیم بود تا نتایج عددی را اصلاح کنیم. تجربه‏ ی کاری توضیح داده شده، در شکل شماره‏ ی 3 نمایش داده شده است.

4- نتیجه ‏گیری

مهم‏ترین وسایل در حرکت مختصاتی ربات مدل‏هایFKM و IKM می‏باشد که در برنامه‏یMAPLE تهیه شده‏اند. برای اصلاح این مدل‏ها از برنامه MATLAB/Simulink/SimMechanicsو به تناوب آن از VRML استفاده کرده ‏ایم.