مکاترونیک

1)معرفی

توانایی ساخت مجموعه ای از انگشتان با قدرت گرفتن و نگهداری پایدار به شدت افزایش پیدا کرده است از زمانی که از انگشتان دست انعطاف پذیر استفاده می شود به این خاطر که این انگشتان می توانند در طول تماس شگل اولیه خود را تغییر داده و نسبت به نسل قبلی انگشتان که بسیار سخت و محکم بودند توانایی انعطاف و حرکت در فضاهای بیشتری را در اختیار ما قرار می دهند . این روش گرفتن اجسام نه تنها برای انسان بلکه برای دست ربات ها که از مواد نرم و قابل انعطافی درست شده نیز صدق می کند . مزیت انگشتان انعطاف پذیر انسانی در مقایسه با انگشتان سخت و غیر قابل انعطاف ربات ها موجب انجام یک سری از تحقیقات در مورد دست ربات ها شده است که برای ساخت آنها از الاسترومرها ( نوعی پلیمر طبیعی که دارای انعطاف بالایی است) و یا موادی مانند یک سری مایعات و پودرهایی در زیر غشاء انگشتان ربات ها استفاده می شود .

زمانی که از انگشتان انعطاف پذیر استفاده می شود ، در حین نگه داشتن اجسام و درهنگام تغییرات ابعاد جسم نگهداری شده بر اثر فشار به آن ، نرمی اجسام در نحوه گرفتن ربات تاثیر بسزایی دارد ،به طوری که می تواند در کنترل جسم و ثبات در نگهداری آن تاثیر فراوانی داشته بگذارد . در انگشتان دست انسان یک حالت نرمی طبیعی وجود دارد که ترکیبی از حالت ارتجاعی و تعدیل کنندگی در گرفتن اجسام دیده می شود ، این ترکیب حالت ارتجاعی و گرفتن اجسام از طریق طبیعت با استفاده از گوشت و خون در زیر پوست ما تعبیه شده است . این حالت در دست انسان گرفتن اجسام را محکم می کند وبه ما کمک می کند که اشیا را ثابت و محکم  بتوانیم نگه داریم.

2)پیش زمینه

طی چند دهه گذشته ، نحوه گرفتن اجسام و تغییرات در دست ربات به صورت گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است ، تحقیقات بر روی دست های چند انگشتی در نحوه کنترل اجسام به صورت بصری و تاکتیکی انجام شده و کمتر بر روی زمان گرفتن آنها بررسی هایی انجام شده است . همچنین بر روی به کار گیری انگشتان در گرفتن اجسام به صورت عمده تمرکز شده است . همچنین استفاده از کف دست ربات ها پیشنهاد شده است .

این مطالعات فرض را بر این پایه می گذارد که انگشتان دست و اشیا ء قابل گرفتن توسط ربات ها سفت و محکم هستند ، که موجب می شود قسمت قابل لمس اشیا را محکم بسازند و شی مورد آزمایش را نیمه ایستا طراحی کنند . این چنین نظریه ها برا ی آنالیز های ایستا و حرکتی انگشت دست ربات ها و نحوه به کارگیری آن ها مناسب است اما کمتر در نحوه گرفتن اجسام پویا  قابل استفاده خواهد بود .

گرفتن و نگه داشتن اجسام با کمک انگشتان انعطاف پذیر برای نگه داری استوار و با ثبات به منطقه تماس و سطح بالای اصطحکاک نقطه تماس بستگی دارد .

یکی از این تحقیقات در این بخش ابتدا بر روی ثبات در کنترل حرکتی یک شی توسط دو انگشت به وسیله یک رابط نرم با استفاده از مواد ارتجاعی بین انگشتان و یک شی قابل تغییر تمرکز دارد و سپس مدل سازی آن توسط روش باندوگراف انجام می پذیرد . انگشت ها از ویسکوالاستیک ساخته شده اند که دارای حالت فنری و تعدیل کننده هستند ، در جزیات مدل سازی باندوگراف برای گرفتن یک شی با دو انگشت انعطاف پذیر به نظر می رسد که نیروی انگشت ها در مقابل همدیگر قرار می گیرند و این مخالف روش کلی کار انگشتان در طبیعت است . حالت فنری و تعدیل کننده ویسکو الاستیک برای این تعبیه شده که بین انگشت ها ثباتی را در گرفتن اجسام به وجود آورد ، که شامل سختی بین انگشت ها در تماس با سطح و اجسام می شود . این کار همچنین ثبات در کنترل در انگشتان را در مقابل رابط نرم بین انگشتان و جسم آنالیز می کند . این مسئله مشهود است که ثبات این سیستم وابسته به مواد ویسکو الاستیکی موجود در سطح رابط می باشد . این روش برای بررسی این آزمایش مورد استفاده قرار می گیرد .

هدف نهایی این برنامه طراحی و توسعه دست ها ی رباتیکی است که دست های نرمی مانند دست انسان دارند . انگشتان انعطاف پذیر شرایطی را در سطح تماس به وجود می آورد که  گرفتن ماهرانه اشیاء ، ثبات در نگهداری و درست گرفتن اشیا ء توسط ربات ها را به ارمغان می آورد . شاخه رباتیک به حوزه  کاربردهای جدید و وسیعی دست یافته است و در زندگی روزمره بسیار فراگیر شده است .مهارت های بکارگیری ربات ها در مقیاس ماکرو ومیکرو جزء پر اهمیتی از کاربردهای ربات های جدید شده است هم در صنعت ( جا به جایی غذا ، پوشاک و چرم ) و هم در حوزه های کمتر تجهیز شده ( عمل جراحی ، فضا و زیر آب ) . بکارگیری ابزار گرفتن و سیستم های آنها به جز حیاتی در صنایع ، خدمات و ربات های شخصی برای کاربردهای گوناگون و شرایط مختلف تبدیل شده اند تا به این وسیله تا حد امکان توانایی ربات ها را به صورت خودکار در آورند . هدف از ساخت این ربات ها انجام دادن کارهای خطرناک برای انسان و بالابردن استاندارد زندگی انسان هاست .

دست انسان که دارای سه کاربرد بسیار مهم است که شامل کندن و کاوش ، مهار کردن و نگه داشتن و استفاده از اشیاء به شکل دلخواه است ( که این حرکات همگی وابسته به مچ و کف دست هستند ) به روش های گوناگون به کمک ما می آیند . اولین کاربرد مربوط به حوزه لمس می شود ، یک منطقه جستجوگر با توان و شایستگی های منحصر به فرد خودش ، پروژه ما تلاش بر این ندارد که این قسمت را به طور خسته کننده ای پوشش دهد . این تحقیق در مورد فهم بیشتر در نحوه گرفتن اجسام توسط ربات ها و رقابت در دو بخش دیگر با دست انسان است .وظیفه بکارگیری اشیا ء با انگشتان ( در مقایسه با نحو ه کار انگشتان ربات ) گاهی اوقات به عنوان کاربردی سریع و زیرکانه در رباتیک از آن یاد می شود . این پروژه به ساختار مکانیکی دست انسان مجذوب شده است و به ما کمک خواهد کرد که در توانایی ربات ها تمام این امید ها و انتظارات را برآورده کنیم .احتمالا اولین موضوع دست های مکانیکی در ابزار پروتزی موجود در انگشتان بود تا جایگزین اندام هایی شوندکه ربات فاقد آن هاست . تقریبا بدون هیچ استثنایی می توان گفت که دست های پروتزی برای گرفتن اشیا توسط ربات ها طراحی شده اند . تحقیق در روش کار مهار کردن اشیاء با دست انسان و چگونگی کارکرد آن به طراحی و ساخت انواع ربات های چند انگشتی منجر شد ، مانند دست استانفورد / جی پی ال ، دست یوتاه / ام آی تی و انواع دیگر دست ها در مقایسه با روش قراردادی انگشتان موازی تولید شدند ، ربات های چند انگشتی چند مزیت قابل تحسین دارند : 1) آنها توانایی نگهداری یک جسم با ثبات بیشتر از طریق چند نقطه مختلف را دارند .2) آنها می توانند اشیاء را به انواع روش های دلخواه نگه دارند . 3) امکان این وجود دارد که تغییراتی را در جسم نگه داشته شده اعمال کنند . به هر حال ربات های چند انگشتی هنوز در مراحل نخست رشدو توسعه خود به سر می برند . لزوم توانایی ربات ها برای گرفتن صحیح اشیاء از این بابت است که در آینده ربات ها باید وظیفه گرفتن و جابه جایی اشیا را به صورت مستقل از انسان انجام دهند و این شرایط زمینه مطالعه و برنامه ریزی در نحوه گرفتن اشیا توسط ربات ها را ایجاد می کند . تعداد زیادی از ربات هایی که امروزه در حال استفاده هستند مانند دست های شش مفصلی و یا تاثیر گذاران پایانی

(end effectors  ) برای گرفتن اشیا را شامل می شوند . کاربرد استفاده از ربات ها در حوزه هایی مثل برداشتن و جابه جایی اجسام تا حرکت دوربین ها و وسایل بازرسی و نظارت برای اجرای دقیق برنامه های مونتاژ و سرهم بندی را در بر می گیرد .  توانایی موجود در ربات های امروزی بسیار به دور از توانایی ربات ها در داستان های علمی و تخیلی هستند اما در هر صورت در شاخه های گوناگون مانند جوشکاری

نقاشی ، جابه جایی و انتقال مواد ، مونتاژ بردها ی الکترونیکی و تعمیر و بازرسی در محیط های خطرناک برای انسان را برای ما میسر می سازد .

دست رباتیک پلی بین به کار گیرنده آن ( دست انسان ) و محیط طبیعی ماست . دست های مکانیکی سنتی ساختار نسبتا ساده ای دارند . به جز شباهت دست ربات به دست انسان ، آنها دارای انگشتان گیرنده ( با دویا سه محور ) ، گاز انبر و همچنین یک سری لوازم برای تطابق در نحوه گرفتن اشیا مختلف را دارا هستند . بسیاری از این دست ها تک منظوره هستند و برای کار مشخص با وسیله مشخصی طراحی شده اند . به عنوان مثال تعدادی از آنها دارای کلاهی مکشی برای برداشتن یک سری لیوان طراحی شده اند ، هر چند که استفاده از ربات ها برای انجام کارهای ساده ای چندان مناسب نیست و یا دست های چند محور که با فشار هوا قسمت آهنی اشیا را نگه می دارند که در این روش نیز نگهداری جسم با قسمت های پلاستیکی و شکننده میسر نیست اما در هر حال سختی استفاده از این کاربردهای این ربات ها در صنعت به خاطر ناتوانی و دست و پا چلفتی بودن این دست هاست که امکان استفاده از آن ها را در صنعت محدود کرده است . کمبود مهارت در طراحی این ربات ها دیده می شود زیرا این روش های تعبیه شده برای نگه داشتن اجسام توسط ربات ها این امکان را به آنها می دهد که وسیله مورد نظر را بدون آسیب به آن نگه دارند ولی ربات ها نمی توانند روی شی نگه داری شده کار دیگری انجام دهند . تعداد محدودی روش در نگه داری اشیا توسط دست ربات ها تعبیه شده است که نیازمند انجام تغییراتی درطراحی در دست ربات هاست و نبود کنترل کافی در دست ها استفاده از ربات ها را به ابتدایی ترین  شکل ممکن نگه داشته است .

3) هر مکانیزمی که بتواند اشیا مختلف را نگه دارد به عنوان یک نگه دارنده شناخته می شود . در حقیقت این مکانیزمی در زیرمجموعه سیستم کنترل اشیا است که تماس موقتی شی نگهداری شده رابرقرار می کند . یک نگه دارنده این امکان را می دهد که وضعیت و جهت شی نگه داشته شده به اندازه کافی تحت کنترل باشذ که به کمک آن بتوان فرآیند جابه جایی ، اتصال و غیره را به درستی انجام داد . عبارت نگه دارنده همچنین درجایی استفاده می شود که نه گرفتن بلکه نگه داشتن یک شی به وسیله مکش مورد استفاده قرار می گیرد .

4) تقسیم بندی

نگه دارنده ها می توانند بر اساس روش های مختلفی در نحوه گرفتن  اشیا تا تعداد انگشتان تقسیم بندی شوند که در زیر به بررسی آنها پرداختیم :

4-1- تقسیم بندی بر اساس نحوه تماس

در اینجا سه روش کلی در نگه دارنده ها براساس نحوه تماس آنها وجود دارد که در شکل 1 نشان داده شده است :

• تماس نقطه ای
• تماس خطی
• تماس منطقه ای

4-1-1- همانطور که نام این قسمت نشان می دهد نحوه گرفتن نقطه ای زمانی استفاده می شود که انگشتان نگه دارنده و شی مورد نظر در نقطه معینی با هم تماس پیدا کنند . در این روش نگه داشتن حداقل 3 یا 4 نقطه تماس بین انگشتان نگه دارنده با شیی که با نگه داشته شود وجود دارد .

4-1-2- درتماس خطی تماس بین محورها/ انگشتان به شکل شی نگه داشته شده وابسته است . در تماس خطی باید اطمینان حاصل شود که خطوط فرضی که در طول تماس انگاشته شده است در هنگام تماس باید به صورت موازی در کنار یکدیگر قرار بگیرند و  یا حدالامکان نزدیک به هم باشند و الا نگه داشتن درست جسم بسیار دشوار است .

4-1-3- تماس منطقه ای

بر خلاف تماس خطی و نقطه ای ، در تماس منطقه ای نقاط وسیعی وجود دارند که انگشتان می توانند با شی مورد  نظر تماس برقرار کنند ، به طور کلی در تماس منطقه ای ، تماس در دو کناره شی کافیست تا به طور کامل بتوان حرکت شی مورد نظر را کنترل کرد .

شکل 1 . نحوه تماس ها ، فشار آن ها بر روی جسم و روش کلی گرفتن آن ها را نشان می دهد .

4-2- تقسیم بندی بر اساس تعداد انگشتان

در این روش تقسیم بندی ، نگه دارنده ها می توانند بر اساس تعداد 2 ، 3 ، 4 و یا تعداد بیشتری از انگشتان تقسیم بندی شوند .

4-2-1- نگه دارنده 2 انگشتی

نگه دارنده 2 انگشتی فقط دارای 2 انگشت برای نگه داری اشیا است . این نوع از نگه دارنده ها معمولا از روش تماس منطقه ای استفاده می کنند زیرا شکل انگشت ها به طوری طراحی شده است که نمی تواند بیش از دو نقطه تماس با شی مورد نظر برقرار کند و همینطور که قبلا در مورد آن صحبت شد این اطمینان وجود ندارد که بتوان یک شی را  با این روش به صورت محکم نگه داشت و میزان حرکت آن را محدود کرد .

 4-2-2- نگه دارنده 3 انگشتی

بر اساس که این نگه دارنده ها دارای 3 انگشت هستند ، هم می توانند از روش تماس منطقه ای و هم تماس سطحی استفاده کنند ، اما استفاده از این انگشت ها در نگهداری اشیا پیچیدگی طراحی شکل نگه داشته شده و همچنین پیچیدگی وسیله طراحی شده را افزایش می دهد .

4-2-3- نگه دارنده 4 انگشتی

نگه دارنده 4 انگشتی گاهی اوقات ترکیبی از دو نگه دارنده 2 انگشتی است و دیگر وقت ها ترکیبی از انگشت های مستقلی است که با همدیگر کار می کنند . این نگه دارنده ها معمولا در کارهای پرهزینه و کارهایی که نیازمند دقت فراوان هستند مورد استفاده قرار می گیرند .

4-2-4 نگه دارنده 5 انگشتی

این نگه دارنده ها به طور کلی در تحقیقات برای نزدیک کردن مهارت دست ربات ها به دست انسانی ساخته شده اند . این نگه دارنده ها گاهی اوقات حتی بیشتر از 5 انگشت را نیز در اختیار دارند .

4-3 تقسیم بندی بر اساس نحوه نگه داشتن اشیا

به طور کلی چهار روش در نحوه نگهداری اشیا وجود دارد . جدول 1 روش های نگهداری را بر اساس روش نفوذ و یا عدم نفوذ در شی نگهداری شده به همراه مثال نشان می دهد .

4-3-1- نگه داردنده های تاثیر گذار

نگه دارنده های تاثیر گذار به وسیله حرکت محورها برای کنترل اشیا استفاده می کند تاثیر لازم را بر روی جسم هدف اعمال کنند .

4-3-2- نگه دارنده نفوذ کننده

نگه دارنده های نفوذ کننده با عمق تعریف شده ای وارد شی مورد نظر می شوند ( مانند فرم اجبار گونه در روش جفت گیری حیوانات )

 4-3-3- نگه دارنده های مجاور ( در تماس )

نگه دارنده های مجاور شکلی از نگه دارنده ها هستند که تماسی مستقیم با جسم برقرار می کنند تا نگه داشتن شی راحت تر شود مانند چسبنده های شیمیایی

4-3-4 نگه دارنده های سریع و سخت

نگه دارنده های سریع فشار سریعی بر روی سطوح وارد می کنند . به عنوان مثال حالت چسبندگی مغناطیسی و یا الکترونیکی ای که شی را برای لحظاتی نگه می دارد . بعضی از این نگه دارنده ها حتی هیچ تماسی با وسیله که باید نگه داشته شود برقرار نمی کنند .

4-3-5- اهمیت نگه دارنده ها

ربات های تاثیر گذار نهایی ( end effectors ) که معمولا ازطریق یک دستگاه مورد استفاده قرار می گیرند هم یک نگه دارنده هستند . تعداد زیادی نگه دارنده با مکانیزم های مختلف و با انواع  طراحی های متنوع در صنعت وجود دارد . نگه دارنده ها به صورت عمده قسمت های زیادی از کارهایی راکه توسط انسان انجام میشد امروزه انجام می دهند . اگر توانایی نگه داشتن اجسام در یک نگه دارنده 5 انگشتی را 100 در نظر بگیریم ، پس در این صورت نگه دارنده 4 انگشتی 99 درصد ، 3 انگشتی 90 درصد و 2 انگشتی 40 درصد از این توانایی و قابلیت ها را داراست .

4-4- طبقه بندی تاثیر گذارهای نهایی رایج

امروزه ربات ها و تاثیر گذاران نهایی شامل نگه دارنده های 2 انگشتی تا نگه دارنده های مکشی با چند دست چند انگشتی را شامل می شوند . شاید بهترین روش برای نحوه آشنایی با تاثیر گذاران نهایی این باشد که ابتدا باطراحی تاثیر گذاران نهایی موجود در بازار بیشتر آشنا شویم .

4-4- شکل 2 طبقه بندی تاثیر گذاران پایانی را نشان می دهد ،  این طبقه بندی نظیر طبقه بندی نحوه نگه داشتن توسط دست انسان هنگام کار با اشیای مختلف است و نیاز به دقت و قدرت در هر یک از وظایف در این تقسیم بندی احراز شده است . سمت چپ شامل قسمت های کنش پذیر است که می توانند اشیا را نگه دارند اما نمی توانند از آنها استفاده کنند یا به طور فعال آنها را کنترل کنند . قسمت راست شامل نگه دارنده های فعال و دست های رباتیک ماهر هستندد و در تحقیقات آزمایشگاهی و کاربردهای دور از دست انسان مورد استفاده قرار می گیرد .

4-4-1- تاثیر گذارهای پایانی کنش پذیر

بسیاری از تاثیر گذاران نهایی مورد استفاده امروزی کنش پذیر هستند ، آن ها روش نگه داشتن اجسام را تقلید می کنند ولی در کنترل آن ها تاثیری ندارند ، به هر حال تاثیرگذارهای نهایی ممکن است  ( و به طور کلی باید )با یک سری و یا عضو حسی تجهیز شوند و اطلاعات موجود در این سنسورها ممکن است در کنترل ربات مورد استفاده قرار بگیرد . قسمت عمده طبقه بندی در سمت چپ مربوط به نگهدارنده های کنش پذیر شامل روش مکش ، الکترومغناطیس و تاثیر گذاران نهایی با روش تاثیر برنولی را شامل می شوند . نگه دارنده های مکشی به صورت تنها و ترکیبی شاید به طور کلی بیشتر در صنعت امروزی مورد استفاده قرار می گیرند . آن ها در قسمت های زیادی در صنعت از جایگذاری چیپ های میکروپروسسور و انتقال ابزاری که نیازمند دقت فراوان هستند تا جابه جایی وسایل بزرگی مثل شیشه اتومبیل و پنل هواپیماها مورد استفاده قرار می گیرند . این تاثیر گذاران نهایی به عنوان بدون توانایی در نگه داشتن طبقه بندی می شوند زیرا این ابزار در مجاورت وسیله موجب نگه داشتن آن می شوند و نه با فشار وسیله مورد نظر را نگه می دارند در نتیجه

آن ها برای جابه جایی اجسام بزرگ وظریف مانند پنل های شیشه ای مناسب هستند . برخلاف نگه دارنده هایی که دارای انگشت هستند ، نگه دارنده های مکشی احتیاجی به انتقال اجزا به همان شکلی که آن ها را برداشته اند ندارند . اگر مشکلی در نگه دارنده های مکشی به وجود آید نیاز است که یاد شویم که این مشکل از چند روش قابل بررسی است ، این روش ها شامل افزایش منطقه کلاه مکشی با استفاده از کلاه بزرگ تر و یا استفاده از چند کلاه برای برداشتن اجسام و یا طراحی دوباره سطح قابل لمس به طوری که نگه داشتن آن آسان تر شود ( شاید با افزودن نواری به سطح تماس ) و یا افزایش مکش در کلاه مکشی میسرباشد . دومین شاخه در طبقه بندی تاثیر گذاران نهایی شامل نگه دارنده های پوشاننده است که یک وسیله را طوری نگه می دارد که یک انسان می خواهد یک چکش و یا یک گریپ فروت را نگه دارد . در این روش ، انسان ها از نگه داری پوشاننده به روشی استفاده می کنند که انگشت ها دور یک شی را در بر می گیرد و فشار برابری به دور شی وارد می شود به طوری که اصطحکاک در اینجا در بالاترین حد ممکن مورد استفاده قرار می گیرد . روش دیگر برای کنترل اشیا نامنظم و یا نرم با افزایش مکش و یا نیروی مغناطیسی نگه دارنده ها با استفاده از کیسه ای شامل یک سری اجزا و یا نوعی مایع مورد استفاده قرار می گیرد . زمانی که قسمت آهنی وسیله ای راتحت کنترل داریم ، این نگه دارنده ها می توانند از طریق نیروی الکترومغناطیس تعبیه شده در دست ها به کنترل شی مورد نظر اقدام کنند . روش دیگر استفاده از نوک انگشتان پر از مایعی الکترو رئولوژیکی است که سطح زیرین یک وسیله الکترواستاتیک را سفت و محکم می کند . شاخه وسط در تقسیم بندی تاثیر گذارهای پایانی شامل نگه دارنده های رایج دو انگشتی است . این نگه دارنده های فشاری نیشگون مانند بین دو انگشت به وجود می آورند مانند زمانی که شخصی کلیدی را بین انگشتانش نگه می دارد وقتی که می خواهد قفلی را باز کند . بسیاری از این نگه دارنده ها بدون  انگشت به فروش می رسند به این علت که بخش اصلی در این طراحی ، خود نگه دارنده ها محسوب می شوند و نه تعداد و نوع انگشتان آن ها .

 سر انگشتان طوری طراحی شده اند تا با اندازه وسیله مورد نظر خود را تطبیق دهند . شکل وسیله مورد نظر ( صاف و یا دارای شیار های V شکل برای بخش های استوانه ای ) و مواد آن ها ( پلاستیک و لاستیک برای جلوگیری از آسیب زدن به اشیا شکننده )نشان می دهد از آنجایی که تاثیر گذارهای نهایی دو انگشتی از یک سیلندر هوا و یا یک موتور استفاده می کنند تا هر دو انگشت را با هم به حرکت در آورند ، آنها تمایل دارند که به مرکز شی نگهداری شده فشار وارد کنند . این بدین معناست که برای نگه داری بهتر اشیا قسمت های تعریف شده ای مانند ( میخ هایی که در سوراخ هایی تعبیه شده است و یا قسمت هایی که برای نگهداری اشیا طراحی شده است ) به این نگه دارنده ها اضافه می شود .

 4- 4-2- تاثیر گذارهای پایانی و دست ها

شاخه سمت راست در طبقه بندی شامل نگه دارنده های فرمان یار و دست های چند انگشت ماهر است . در اینجا تفاوت عمده بر سر تعداد انگشتان و تعداد مفاصل و همچنین میزان آزادی عمل در هر انگشت دیده  می شود . به عنوان مثال نگه دارنده های فرمان یار دو انگشتی نسبتا ساده منحصر به نگه دارنده های نیشگون مانند می شوند . مانند نمونه های دوانگشتی موجود در بازار که در شکل 3 نشان داده شده اند . تاثیر گذارنده های پایانی فرمان یار کنترل شده برای وظایفی با حرکات مشخص و کنترل شده مناسب هستند . در مقایسه با دست یک ربات ، دارای سرانگشتان سبک و کوچکی هستند ، این بدین معناست که می توانند با سرعت و دقت حرکت کنند . دامنه حرکتی آنها معمولا خیلی اندک است که به ما این اجازه را می دهد که در شرایطی با دقت فراوان و سرعت زیاد از آنها استفاده کنیم . زمانی که با سنسورهایی دارای فشار سنج مجهز می شوند ، انشگت های ربات می توانند فشار را احساس و کنترل کنند . معمولا این روش دقت بیشتری نسبت به مچ دست ربات ها و یا سنسورهای نصب شده مشترک روی بدنه آن ها دارد . یک نگه دارنده فرمان یار همچنین می تواند هم برای کنترل یک جز غیر محدود شده ویا تطبیق با بخش مشخصی مورد استفاده قرار بگیرد . سنسورهای یک تاثیر گذار پایانی فرمان یار کنترل شده همچنین اطلاعات قابل استفاده ای را برای برنامه ریزی ربات ها فراهم می کنند . به عنوان مثال ، سنسور های موضعی می توانند برای اندازه گیری عرض وسیله نگهداری شده مورد استفاده قرار بگیرند . بدین وسیله به ما می توانند این اطمینان را دهند که وسیله به درستی توسط دستگاه نگه داشته شده است . به صورت مشابه سنسورهای فشار سنج برای وزن کردن وسیله مورد نظر مناسب هستند و می توانند به ما این اطلاعات را بدهند که آیا وزن وسیله برای انجام وظیفه تعیین شده مناسب است یا نه .

برای دامنه وسیعی از فعالیت هایی که نیازمند ترکیبی از دقت و تطبیق پذیری برای نگه داشتن طیف گسترده ای از اجسام است ، یک دست چند انگشتی دقیق و ماهر بهترین راه حل محسوب می شود . تعدادی از این دستان چند انگشتی در مقالات توصیف شده اند و نمونه های با کاربرد اقتصادی آنها نیز در بازار موجود است . صادقانه باید گفت که بسیاری از این دست ها طرحی شبیه سازی شده از دست انسان هستند . همچنین معیارهای حرکتی مانند همسان شده برای استفاده در فضاهای کاری و توانایی در گرفتن اشیا ( به طور کلی بر این مبنا که چقدر دقیق یک ربات می تواند فشار را درجهت های متفاوت کنترل کند ) مورد استفاده قرار گرفته اند . بر خلاف مزیت های کاربردی آنها ، دستهای دقیق و ماهر تنها برای استفاده در تعداد محدودی آزمایشگاه تحقیقاتی در حال استفاده هستند . یکی از این دلایل این است که طراحی و کنترل چنین دست هایی مشکلات زیادی در مورد قیمت ، اندازه ، قدرت ، انعطاف پذیری و راحتی در کنترل را در بر دارند . به عنوان مثال تلاش برای کاهش ابعاد دست ، در حالی که نیازمند تولید فشار کافی در انگشتان هستیم ما را به سوی استفاده از کابل ها می برد ، که این کابل ها از مچ دست برای کنترل انگشتان استفاده می کنند . این کابل ها به وسیله حالت ارتجاعی و اصطحکاکی که در آنها وجود دارد به کمک مشکل کنترل در دست ها می آیند . مشکل  دوم در پیشرفت فرآیند استفاده از دست های دقیق و ماهر برا ی کارهای عملی چالش بزرگ برنامه ریزی و کنترل آن هاست . برنامه ریزی برای یکسان سازی نیرو در چند انگشت که در کنار هم دور یک شی را احاطه کرده اند بسیار پیچیده است . مشکل در اینجا برقراری ارتباط و کنترل چند ربات در انتهای یک ربات است . به علاوه ، سیستم مکانیکی مابین دست و شی مورد نظر نسبت به وضعیت ما بین انگشت ها و شی مورد نظر تفاوت هایی دارد ( به عنوان مثال ظاهر شی و یا میزان اصطحکاک شی تفاوت هایی را در کنترل جسم ایجاد می کند  ) . علاوه بر این ، در طول فرآیند استفاده از انگشت ها ، آنها به صورت پی در پی تماس را با شی برقرار کرده و دوباره قطع می کنند مانند این نمونه : شروع تماس ، قطع تماس ، لغزش روی جسم مورد نظر و غیره ... ، همچنین تغییراتی در نیروی حرکتی که برای کنترل ربات نیاز است اتفاق می افتد . زمانی که انگشتان انعطاف پذیر هستند ، در طول نگه داشتن و استفاده از اشیا در زاویه ها و ابعاد دقیق ، ویژگی انعطاف پذیری آنها بین نقطه تماس با جسم مورد نظر اهمیت زیادی پیدا می کند که این انعطاف پذیری موجب محدودیت حرکت جسم مورد نظر و ثبات در کنترل آن می شود . در انگشت انسان یک نرمی و انعطاف پذیری خاصی دیده می شود که توانایی ارتجاعی و تعدیل نیرو را در خود دارد ،این ترکیب حالت ارتجاعی وتعدیل نیرو از طریق طبیعت با کمک خون و گوشت در زیر پوست ما تعبیه شده است . زمانی که انگشتان انسان وسیله ای را نگه می دارد بر طبق قانون سوم نیوتون که در مورد انرژی مقابله به مثل است زمانی که انسان به وسیله فشار وارد می کند ، آن وسیله نیز فشاری برابر را به پوست و گوشت دست ما وارد می کند و زمانی که ما وسیله را می چرخانیم پوست و گوشت دست ما در آن قسمت مورد فشار به حالت اولیه خود باز می گردند و این فرآیند به ما کمک می کند که شی ثابت نگه داشته شود . شکل 4 . نمونه ای از این نوع نگه داشتن اشیا است و همچنین این آزمایش در شکل  5 به صورت یک مدل در آمده است .

برای آنالیز ثبات در کنترل اجسام ، در شرایطی که سطح تماس نرم است و ماده ویسکو الاستیک در بین انگشتان و شی مورد نظر استفاده شده است  ، ما لازم است که کنترل دینامیکی و حرکتی بین این دو جسم را در سطح نرم طراحی و مدل سازی کنیم .

• چگونه انگشتان ربات ها را نرم و انعطاف پذیر بسازیم ؟
• روشی برای اندازه گیری میزان انعطاف پذیری و نرمی انگشتان درمورد فشارلازمه  برای نگه داری اجسام
• نیاز به مدل ها و شبیه سازی کننده ها
• نیاز به بررسی ثبات حرکتی انگشتان انعطاف پذیر
• نقش حالت فنری و تعدیل کنندگی برای ثبات و دقت در انگشتان بکارگیری شده

ما باید نشان دهیم که ثبات سیستم وابسته به سطح تماس ویسکوالاستیکه شده است تا به این وسیله از طریق بازخورد های مختلف بتوانیم نگهداری شی مورد نظر در دست ربات را میسر کنیم . رابطه بین ویژگی های ویسکوالاستیکی ماده و زمان تنظیم شده باید به وسیله روش آنالیز هندسی مورد بررسی قرار بگیرد که این کار با استفاده از روش باندوگراف برای مدل سازی دقیق شرایط و بعد از آن شبیه سازی بر پایه روش RUNGE –KUTTA  باید انجام پذیرد .

4-5- هدف کاری

در طول نگه داشتن یک شی ، اصطحکاک بین انگشتان نگه دارنده و جسم مورد نظر موجب می شود که به جسم اجازه ندهد به پایین سر بخورد ، این اصطحکاک وابسته به نیروی اعمال شده برای حفظ و نگهداری شی از خطر آسیب دیدگی اعمال می شود .

انگشتان مورد تماس با جسم به وسیله تعدیل کننده ها و با حالت فنری انگشتان دارای انعطاف فراوانی شده اند . سر انگشتان انسان پر از گوشت است که به موجب آن نرم و قابل تغییر است . انگشتان انسان به طور کلی به شکل قسمت نگهداری شده و یا لمس شده در می آیند و به همین دلیل توانایی گرفتن و به کار گیری اشیا با بیشترین دقت را دارا هستند . مواد ویسکوالاستیکی ترکیب جالبی از ویژگی های مواد را دارند که در ویژگی های ویسکوس (چسبناک ) دیده می شود ( مانند تغییر تدریجی مواد شیره مانند مثل عسل ) ، همینطور دارای ویژگی ارتجاعی هستند ( مانند کش قیطونی زمانی که آن را رها می کنیم بلافاصله و به سرعت به حالت اولیه خودش باز می گردد ) . روشن ترین مثال برای به تصویر کشیدن یک ماده که شامل خاصیت چسبندگی و ارتجاعی است ، می توان به یک فنر اشاره کرد ( تلاش برای برگشتن به حالت بدون فشار در فنر ها و وجود تعدادی نوسان گیر ( یک تعدیل کننده که در مقابل حرکات سریع مقاومت می کند ، مشابه سیلندر های بادی که با کمک هوای موجود در آنها از ضربه ناگهانی برخورد درب با ستون جلوگیری می کنند ). بسیاری از انگشتان ربات ها زمخت و بدقواره هستند و به همین دلیل در کار با آنها محدودیت هایی وجود دارد . این موضوع ما را برا آن داشت تا دست های ربات ها رانرم و انعطاف پذیر مانند دست انسان طراحی کنیم ، به عنوان مثال سان و هوو ، ترمبلی و کوتکوسکی ، هوو و کوتکوسکی ، راسل و پارکینسان و شینوفا و گولدن برگ در آزمایشهایی نشان داده اند که هر دو مدل انگشتان پر از مایع و پشت فوم قابلیت دقیقی در انجام وظایف الحاقی دارند ، در نتیجه انگشتان ربات ها به وسیله تعدیل کننده ها و حالت فنری موجود در آنها به انگشتان انعطاف پذیری تبدیل شده اند و با تغییر دادن تعدیل کننده ها و سفتی موجود در انگشتان ، کنترل شی نگه داشته شده میسر می شود . در قدم اول ما این فنرها و تعدیل کننده ها را برای مشاهده تاثیرات ویسکوالاستیک در سر انگشتان ربات ها قرار می دهیم تا شی با دقت و مهارت نگه داشته شود . بعد ما مدل دقیقی با روش ریاضی  BGM طراحی می کنیم و ربات را در یک محیط شبیه سازی شده قرار می دهیم . سپس از طریق برنامه 20-SIM که در پروژه شبیه سازی برای آزمایش در فضای مجازی در مورد رفتار فنرها و تعدیل کننده در طول فرآیند نگهداری یک جسم از آن ها استفاده شده بود ، در اینجا استفاده می کنیم . در نهایت به این نتیجه می رسیم که با تغییر میزان سختی در فنرها و ضریب تعدیل کنندگی در تعدیل کننده ها شی مورد نظر می تواند به طور موثر نگه داشته شود . این برنامه برای ایجاد اصطحکاک بین انگشتان و جسم که نقش اساسی در ثبات در نگهداری اشیا را بازی می کند تاثیر فراوانی دارد . شکل 5 این فرآیند را نشان می دهد .

مدل سازی باندوگراف و روش شناسی در شبیه سازی در تلاش برای کشف پیچیدگی های موجود در مدل سازی این سیستم است ، به این صورت که از روش های  مدل سازی جایگزین ولی قدرتمند بهره می گیرد . تکنیک باندوگراف تکنیکی گرافیکی برای به نمایش در آوردن جریان انرژی با استفاده از  پیوستگی ها و رابطه های موجود در یک ساختار است . این تکنیک روشی مناسب برای همسان سازی نیروها در شبیه سازی های دیجیتالی است . این روش به ویژه برای زمانی مناسب است که چند دامنه فیزیکی درون سیستم باید به صورت همزمان برنامه ریزی شوند . روش باندوگراف به تازگی ابداع شده است ، این روش به صورت گسترده برای شبیه سازی در سیستم های حرکتی استفاده می شود .باندوگراف زبانی گرافیکی برای مدل سازی سیستم های حرکتی است . این روش نشان می دهد که با عناصر پایه و نیمه پیکان ها ، پدیده انرژی مدل سازی شده درون یک سیستم و مکان شناسی نحوه انتقال انرژی بین این پدیده ها چگونه میسر است . مدل باندوگراف یک سیستم می تواند به طور کلی مجازی  و یا تنها مدلی ریاضی گونه باشد . حتی ویژگی های گرافیکی می توانند بدون در نظر گرفتن قوانین موجود در اشیا در این روش به نمایش در آیند . این ویژگی شامل توصیف درجه های مختلف فیزیکی در توصیف اجسام نیز می شود .

آ.خورشید و ام ای ملیک از روش باندوگراف برای شبیه سازی در سیستم های مختلف حرکتی و دینامیک استفاده کرده اند . باندوگراف حرکت در یک سیستم را به صورت تصویرگونه نمایش می دهد و به طور وسیعی برای مدل سازی در سیستم های حرکتی در حوزه های مختلف انرژی مورد استفاده قرار می گیرند . همینطور که توسط آ.خورشید و ام ای ملیک در این مورد بحث شد .

یک مدل باندوگراف بر پایه نحوه ارتباط انرژی بین اجزای یک سیستم طراحی شده است . نتایج جانبی این ارتباطات به همسان سازی در وضعیت سیستم کمک می کند . علاوه بر این ، نتیجه این مدل در ابعاد مختلفی برای نحوه کنترل در سیستم تاثیر خود را نشان می دهد . تاثیرات نرمی موجود در سر انگشتان هنگام استفاده از آن ها و همچنین اصطحکاک در سر انگشتان هنگام تماس با شی و حالت سختی انگشتان و روش تعدیل کنندگی در آنها با موفقیت  آنالیز و مدل سازی شده است . ما کنترل حرکتی برای تماس انعطاف پذیر داخلی بین انگشتان و جسم را مدل سازی کرده و حرکت سیستمیک موجود در تماس ربات با سطح جسم را در یک دوره زمانی پیوسته فرمول بندی کردیم . می توانیم به عنوان مثال از کنترل فشار بر پایه مدل خطی تعدیل کننده – حالت ارتجاعی – جرم یاد کنیم .

4-6- مدل سازی خط اتصال انعطاف پذیر

شکل 5 مدل ساده سازی شده برای خط اتصال انعطاف پذیر با استفاده از مفهوم تعدیل کننده – حالت ارتجاعی – جرم را نشان می دهد .

این شکل مدل انگشتان انعطاف پذیر رباتیک در حال نگه داشتن یک جسم را نشان می دهد . این روش شامل نگه داشتن به وسیله دوانگشت ربات است که مشابه روشی است که توسط انسان برای نگه داشتن اشیا استفاده می شود . این دو انگشت بر طبق تاثیرات روش تعدیل کننده – حالت ارتجاعی – جرم ساخته شده اند .

در اینجا SFa در هر دو انگشت برای نگه داشتن جسم اعمال می شود . وزن جسم می خواهد که از بین دوانگشت به سمت پایین سر بخورد در حالی که اصطحکاک بین انگشتان در نقطه تماس با جسم در تعادل است . اصطحکاک به عنوان تعدیل کننده با R1 بر روی سطح نقطه تماس انگشت با جسم نشان داده شده است و دو تعدیل کننده ای که جزئی از اجزای انگشتان هستند کار تعدیل کنندگی Rs را انجام می دهند . میزان سفتی فنر موجود در انگشت ها با Ks  نشان داده شده است . جرم لایه های بیرونی سطح انگشت ها در تماس با جسم Mg نامیده شده است . جسم Ms است و وزن آن با Sc نامگذاری شده است . ما فرض را بر این می گذاریم که ماده انعطاف پذیر نشان داده شده از مواد ویسکوالاستیک ساخته شده است و دارای پارامترهای Re و Ro هستند .

4-7- مدل باندوگراف و همسان سازی وضعیت آن در فضا

سیستم فیزیکی نشان داده شده در شکل 1 به یک باندوگراف در شکل 6 تبدیل شده است . یک مدل باندوگراف توصیف ریاضی گونه دقیقی از سیستم فیزیکی موجود در شکل است به ما در توصیف فضایی یک سیستم کمک می کند .

شکل 6 . مدل باندوگراف دو انگشت در حال نگه داشتن یک جسم که در شکل 5 به نمایش در آمده است

مدل باندوگراف نمایش داده شده در شکل 6 روش همسان سازی وضعیت فضایی در مراحل 1 تا 5 سیستم انگشت های انعطاف پذیر را به تصویر می کشد :

توضیح متغیرها و پارامترهای موجود در معادله بالا در پایین توضیح داده شده است :

فشاروارده بر جسم از طریق انگشت ها :Po

فشار وارده بر روی انگشت :SFa

اصطحکاک بر روی نقطه تماس انگشت :Rf  

فشار وارده بر انگشت از طریق جسم : Pf

سرعت حالت فنری در انگشتان : Qs

حالت تعدیل کنندگی در انگشتان انعطاف پذیر :Rd

جرم انگشت :Mf

جرم جسم :Mo

متغیرهای موجود ،جابه جایی فنرها :   (m)Qsو انرژی جنبشی بر روی انگشت ها : Pf  (kg)

انرژی جنبشی اعمال شده بر روی جسم :  Ps (kg ) و وزن جسم :SEo (N  )

سختی فنرها : Ks (N/M )

تمام متغیرهای وارده بر روی انگشت ها به صورت یکسان درنظر گرفته شده اند.

               4-8-شبیه سازی و نتایج آن 

برای شبیه سازی مدل های مربوط به فضا- وضعیت سیستم های فیزیکی ، لازم است که از برنامه کامپیوتری 20-SIM استفاده کنیم . نتایج گرفتن اشیا توسط انگشتان انعطاف پذیر در سطح و مدل سازی های مربوط به آن بر پایه اصول مکان شناسی در مدل سازی BGM  و روش شبیه سازی آنها در شکل 9-7   نشان داده شده است . انرژی جاری شده در هر انگشت 1M/S است .

5-بررسی و گفتگو

هدف از این پروژه طراحی و توسعه ربات هایی با دستان نگه دارنده انعطاف پذیر مانند دست انسان است . انگشتان انعطاف پذیر قابلیت تماس اشیا را به شکلی  دارا هستند که به ما کمک می کنند شی گرفته شده با دقت نگهداشته شود و یه راحتی مورد استفاده قرار بگیرد . این پروژه پله ای برای رسیدن به این هدف نهایی است . ما تحقیقات دقیق و جز به جزئی در مورد سیستم های حرکتی انجام داده ایم و  ویژگی های متغیر در سیستم نگهداری اشیا به صورت انعطاف پذیر را  بررسی کردیم . در این کار هدف ما بهینه سازی توان فنرها ، سختی انگشتان و تعدیل کنندگی انگشتان انعطاف پذیر برای نگه داشتن تاثیر گذار اجسام بود . این دست آورد ازطریق آزمایشهای شبیه سازی بسیاری به دست آمد . قطب های سیستم دارای قسمت های منفی حقیقی بودند . بنابراین اصطلاحات تشریحی این پروژه آرام آرام به سمت عدد صفر می روند – از آنجایی که حالت فنری انگشتان و تعدیل کنندگی موجود در آنها که به ویژگی های ویسکوالاستیکی کنترل انگشتان انعطاف پذیر تخصیص داده شده است ، قطب های دارای اجزای واقعی منفی هستند و سیستم دارای ثبات می شود . جدول 2 تا 5 نتایج تطبیق داده شده در آزمایش های استاندارد در شکل های 7 تا 9 را نشان می دهد . قسمت سمت چپ حالت عمودی یک شکل نسبت به زمان و قسمت سمت راست مکان هندسی قطب های مربوط به سیستم را نشان می دهد . در ابتدا سیستم به آرامی به سمت پایین می رود همانطور که قطب های غالب بسیار به محور فرضی ما نزدیک هستند . بنابراین عدد صفر نمایانگر پایان تاثیر قطب های غالب است که می توان با مقایسه شکل های 7 و 9 متوجه این تغییرات شد و مکان هندسی برای به وجود آمدن ثبات در سیستم به سرعت از محور فرضی دور نگه داشته می شود .

جدول 2 – نتایج آزمایش های شبیه سازی شده با تغییر سفتی فنرها و ثابت نگه داشتن حالت تعدیل کننده و اصطحکاک موجود در سطح تماس

جدول 3 – نتایج آزمایش های شبیه سازی شده با تغییر تعدیل کننده و ثابت نگه داشتن سختی فنرها و اصطحکاک موجود در سطح تماس  

جدول 4 – نتایج آزمایش های شبیه سازی شده با تغییر میزان اصطحکاک و ثابت نگه داشتن میزان تعدیل کنندگی و سختی فنرها .

جدول 5 – نتایج مطلوب موجود در آزمایش های شبیه سازی شده

6- نتیجه گیری

در این پروژه تحقیقی نگاهی جدید به طراحی سیستمی موثربرای نگه دارنده های انعطاف پذیر ارائه شد . تحقیقات جزبه جز و پارامتری برای شناخت ویژگی های مواد در نحوه نگهداری بهتر اشیا کامل تر شد . تکنیک مدل باندوگراف برای دسترسی به مدل ریاضی گونه دقیق دو انگشت رباتیک انعطاف پذیر مورد استفاده قرار گرفت . دو انگشت انعطاف پذیر به معرفی جرم خطی ، حالت فنری و اثرات تعدیل کنندگی در آن ها ساخته شد . جسم به وسیله اصطحکاک بین انگشت ها در مقابل لغزش از بین انگشتان کنترل شد .تلاش بسیار بیشتری لازم بود که این نتایج را با روش های سنتی و قدیمی به دست آوریم .

از نتایج شبیه سازی شده که در جداول 2 تا 5 ارائه شد ، نشان داده شد که زمانی که اصطحکاک در نقطه تماس افزایش می یابد ، میزان جابه جایی شکل کاهش پیدا می کند . دوما زمانی که میزان تعدیل کنندگی در انگشتان انعطاف پذیر افزایش می یابد ، کنترل جسم مورد نظر به بالاترین میزان خود می رسد و همچنین حالت پایداررا به نزدیک صفر می رساند .  سوما سفتی فنر بر روی زمان و بر میزان آرام گرفتن جسم تاثیر مستقیمی دارد . بنابراین حالت تعدیل کنندگی انگشتان انعطاف پذیر و سفتی فنر ها در انگشتان و اصطحکاک بین نقطه تماس در سطح در بکارگیری و استفاده از شی مورد نظر تاثیر فراوانی دارد . ترکیب سفتی و تعدیل کنندگی جز ویژگی های ویسکوالاستیکی مواد است . سیگنال جاری شده در انگشتان ربات ها برای اعمال فشار به آن هاست که از طریق چند مکانیزم جدا مورد استفاده قرار گرفته است ، هر چند که بررسی این قسمت جزئی از اهداف این پروژه نیست اما ممکن است برای انجام آزمایشات موجود طراحی و به دست آمده باشد .