مهندسی برق

روبوتیک مکاترونیک و هوش مصنوعی کلماتی هستند که این روزها بسیار متداول و رایج گشته اند هر چند تعاریف این کلمات بحث انگیز وگاهی همراه با اختلاف نظر میباشند ایده استفاده از ماشین هایی که قادر به بر اوردن تمامی نیازهای ما را از کارهای دشوار, تکراری و خطرناک رهایی بخشند و همچنین مفهوم خدمتکاران الکترونیکی که میتوانند بدون توقف وهیچ گونه اعتراض یا اعتصاب یا حتی کمترین خستگی برای ما کار کنند همواره به صورت گسترده ای در فیلمهای علمی –تخیلی به کار رفته است

  Isaac Asimov hugo gernsback وبسیاری از نویسندگان دیگر علمی –تخیلی بیش از دیگران موضوعات مربوط به روبوتها, ماشینهای اتوماتیک وهوش مصنوعی رامورد بررسی قرار داده اند

به ویژه مطالعه اثار hugo gernsback  که مفاهیم مربوط به الکترونیک را در بسیاری ازداستانهای خود به کار برده است برای خوانند ه ای که به این قبیل موضوعات علاقه مند باشد

توصیه میشود صفحه اینترنتی این نویسنده را در ادرس                                http://www.hugogernsback.com  بازدید نمایید

برای یافتن منشا علم روبوتیک باید سفری در زمان انجام داده وتا روزگاران یونان باستان یعنی زمانی که اولین مجسمه های متحرک ساخته شدند عقب برویم درقرن اول پیش از میلارد hero de Alexandria  ازمایشاتی را با پرنده های مکانیکی طرح ریزی واجرا کردبعد از ان تاریخ یعنی حدود سال ۲۷۰ پیش از میلاد به گزارش هایی از cresibus بر میخوریم وی که یک مهندس یونانی بود با استفاده از قطعات متحرک ارگ های بادی و ساعتهای ابی را ساخت  باز هم بعدها در سال ۷۷۰ میلادی یک ساعت ساز سویسی به نام pier gacquet-droz سه ادمک مکانیکی ساخت که قادر به نواختن موسیقی با استفاده از ارگ ترسیم نقاشی های ساده و نکارش بودند نام دیگری که نمیتوان در تاریخچه علم روبو تیک انرا نادیده انگاشت Nicola tesaa  میباشد که یک زیر دریایی مجهز به کنترل رادیویی ساخت .

کلمه روبوت برای اولین بار در سال ۱۹۲۱ توسط رمان نویس اهل چکسلوا کی به نام karel kapec  در یکی از کتابهای وی به نام r.u.r rassum s universal robots  به کار برده شد وی در این کتاب خدمتگزارانی مکانیکی را توصیف نمود که قادر بودند تمامی کارهایی را که یک انسان میتواند بکند انجام دهند در واقع روبوت معادل کلمه کارگر در زبان چک میباشد از ان زمان تا به حال از روبوت به عنوان کلمه ای برای توصیف تمامی موجودات مکانیکی که قادر به انجام برخی از کارها که معمولا توسط انسان انجام میگیرد میباشند استفاده میشود اخیرا بسیاری از نویسندگان ایره موجودات مکانیکی را مطرح کرده اند که از این جمله میتوان از c-3po r2-d3  مشهور که در سری فیلمهای جنگ ستارگان حضور داشتند نام برد تصور متداول از یک روبوت معمولا به صورت موجوداتی است که دارای شکل یا رفتاری شبیه به انسانها میباشد اغلب اوقات روبوتها ی انسان نما دارای بازو پا و یک سر بوده و قادر به تفکر و گاهی حتی ابراز برخی احساسات میباشد اما برای دانشمندان و مهندسین که با به تفکر وگاهی حتی ابراز برخی “احساسات” می باشد.اما برای دانشمندان و مهندسین که با پروژه های روباتیک سرو کار دارند تصویر عملی یک روبوت کاربردی غیر از این موارد است.

ایده ی اصلی یک روبوت کاربردی جایگزین شدن با انسان در انجام وظایف و کارهای تکراری و خطرناک یا خسته کننده است . از انجا که کارهای تکراری و خسته کننده ی موجود در دنیای واقعی اغلب در حیته ساخت محصولات در یک خط تولید یافت میشود اولین ایده های استفاده از روبوتهای کاربردی در ارتباط با صنعت پدید امدند. روبوتهای صنعتیاولین موجودات واقعی نسل روبوتیک بوده اند که به عنوان ماشینهی کاربردی سازنده وسایل به دنیای مدرن ما وارد شدند . امروزه اتومبیلها –وسایل الکترونیکی و لوازم خانگی توسط ماشینهای اتوماتیک یا همان روبوتها ساخته میشود این روبوتها جایگزین کارگران عادی در خطوط تولید ویشوند که این امر مزایای زیادی برای ما دارد نقطه جالب توجه درمورد یک روبوط عملی در یک خط تولید صنعتی این است که ظاهر این روبوتها در بسیاری از مواقع به هیچ وج شبیه انسان نمیباشد . این دستگاها پا یا سر ندارند ولی در عوض بازوهای زیادی دارند که به اشکال و اندازهای مناسب برای انجام وسایل خاص

ساختار پروژهای روبوتیک و مکاترونیک

نقطه شروع ما در این مبحث این ایده است که روبوتها و وسایل مکاترونیکی ماشینهایی هستند که ترکیبی از الکترونیک ومکانیک استفاده میکنند وبرای انجام وظایفی که معمولا توسط انسانها صورت میگیرد به وجود امده اند . با استفاده از این فرض اساسی میتوانیم وضایف اصلی رو به صورت بلوکهای مجزا در نظر بگیریم ساختار کلی این بلوکها در شکل ۱ 

اشنایی با مکاترونیک

کنترل :

این بخش در واقع مغز پروژه دریک سیستم روبوتیکی یا مکاترونیکی میباشد تمامی قسمتهای الکترونیکی کنترل میشوند

انواع کنترلهای اصلی موجود برای روبوتها وپروژهای مکاترونیکی به شرح زیرمیباشند

کنترل موقعیت :

بازوهای دارای چنگک یا دیگرساختارهایی که با گرفتن وجابجایی اشیا سروکار دارند باید دارای مدارات کنترل بسیار دقیق به منظور قرار گرفتن در موقعیت صحیح باشند حرکت یک سر دارای چشم توسط یک بلوک کنترل تک محورکنترل میشود

کنترل سینما تیک :

هر پروژه ای که دارای قسمتهای متحرک باشد به این نوع کنترل نیازمند است سرعت هر کدام از قسمتهای متحرک باید توسط این گونه مدارات به دقت تعیین و کنترل شوند یکی از مهمترین مدارات کنترلی کنترلی در این این گروه مداری است که سرعتموتور محرک یک روبوت را کنترل میکند

کنترل دینامیک :

بسیاری از قسمتهای یک روبوتیا یک پروژه مکاترونیک نیروهایی ایجاد میکند که باید به هنگام عملکرد کنترل شوندهنگامی که دست روبوت یک شی رابرمیدارد استفاده از مدارات کنترلی برای تعیین مقدارنیروی لازم برای نگه داشتن شی بدون شکستن ان ضروری است یکی ازموارد دشوار برای سازندگان پروژه ها ساخت یک دست روبوتیک است که بتواند یک تخم مرغ را از سک سبد برداشته وان را بدون شکستن در سبد دیگری قرار دهد چنین اهدافی کنترل رینامیک دقیقی نیاز دارد

کنترل تطبیقی:

هنگامی که لازم است یکی از عملکردهای روبوت یادستگاه مکاترونیکی درحین اجرای یک فرایند به طور مداوم تغییر یابد باید از کنترل تطبیقی استفاده شود به عنوان مثال میتوان به نیاز برای افزایش مداوم نیرو به هنگام فشردن یک فنر اشاره نمود هرچه فنر فشرده شود نیروی بیشتری نیاز دارد . مثال دیگری ازکاربرد کنترل تطبیقی اعمال توان بیشتر به موتور به منظور ثابت نگه داشتن سرعت یک روبوت میباشد که این هالت به هنکام حرکت یک روبوت از یک سطح افقی به سطح شیبدار یا به هنکام جابجایی یک شی سنگین توسط روبوت رخ میدهد

کنترل خارجی:

زمانی که از یک انسان به عنوان اپراتور برای صدور فرمان انجام تمامی وظایف روبوت استفاده میشود مدارات کنترل خارجی مورد نیاز میباشد .

دراین تصویری به عنوان حواس عملکرد روبوت راکنترل میکند

برای انتقال فرامین به یک روبوت یادستگاه مکاترونیکی شخص اپراتور میتواند از انواع مختلفی از مدارات واسطه استفاده نماید. گزینه های اصلی برای ارسال فرامین مداراتی هستند که از امواج رادیویی مادون قرمز سیم وحتی فرامین صوتی استفاده میکنند امروزه پروژه های مدرن شامل مدارات تشخیص صوت میباشند که قادر به دریافت مستقیم دستورات ازاپراتورهستند ازیک کامپیوتر نیز میتوان به عنوان مدار واسطه برای ارتباط واحد کنترل به روبوت با دستگاه مکاترونیکی استفاده نمود .

در اینجا نکته مهم این است که باید به درجه هوشمندی روبوت توجه نماییم مدارات کنترلی پیچیده میتوانند این تصور را در ناظر ایجاد نمایند که یک روبوت هوشمند است. در حالی که یک بلوک کنترلی که دتوابع زیادی را به کار میگیرد یک بلوک هوشمند به شمار نمیرود در حالتی که روبوت قادر باشد براساس اطلاعات سنسورهای خود یا بر اساس اطلاعاتی که یک اپراتور از طریق بلوک خاص ورودی داده ها وارد میکند تصمیم گیری نماید – میتوان قابلیت هوشمند بودن روبوت اضافه نمود

محرکها

روبوتها وماشینهای مکاترونیک باید دارای امکاناتی برای سر کار داشتن با اشیا یا انجام برخی کارها در دنیای خارج باشند

حرکت

روبوتها قادرند با استفاده از پا – چرخ یا ریل از یک نقطه به نقطه ی دیگر جابجا شود پاهای روبوت میتوان با استفاده از موتورها یا سولنویدها یا الیاژهای حافظه دار sma“shape memory alloys “حرکت داد

دست افزارها

روبوتها ودستگاهای مکاترونیک دارای رست نمیباشد انها برای گرفتن اشیا از چنگک ها استفاده میکنند و این ابزارها توسط مدارات الکترونیک کنترل میشود .

در زیر شکل بعضی از چنگک ها اورده شده است 

اشنایی با مکاترونیک

سنسورها

روبوتها . دستگا ههای  مکاترونیک با استفاده از سنسورها  انچه را که در دنیای واقعی رخ می دهد تشخیص می دهد.سنسورها دارای اهمیت فراوان می باشند.چرا که انها اطلاعات مربوط به موقعیت یک روبوت  اندازه  و شکل  یک شی مورد نظر  , وجود موانع (در مورد روبوت های متحرک )و بسیاری اطلاعات دیگر نظیر تشخیص یک شی از روی اندازه و شکل ان مانند آنچه در روبوتها ی هوشمند یافت می شود ,  را ارسال میکند.

همان گونه که در شکل زیر  نشان داده شده است با اتصال یک دوربین تلوزیونی به یک مدار هوشمند ,می توان این امکان را برای یک بازوی اتوماتیک فراهم اورد تا قادر به انتخاب قطعات دارای اندازه  و شکل خاصی از میان تعداد زیادی از قطعات  مختلف باشد.

اشنایی با مکاترونیک

*استفاده یک دوربین تلویزیونی به عنوان سنسور تصویری*

سنسورهای اصلی که در پروژه های روبوتیک و مکاترونیک به کار می روند عبارتند از:

۱-سنسورهای نور یاب    

۲-سنسورهای فشار

۳-سنسورهای دما

۴-سنسورهای تصویری

۵-سنسورهای موقعیت

۶-سنسورهای تماسی

۷-سنسورهای مجاورت

منبع تغذیه:

هر پروژه شامل  مدارات الکترونیکی و قطعات متحرک نیازمند یک منبع تغذیه الکتریکی باشد.اگر پروژه ی مورد تظر یک ربات متحرک باشد در حالت ایده ال باید باطری را در ربات جاسازی کنیم.

ولی اگر ربات ثابت باشد می توان از ولتازac استفاده کرد و با مدارات یکسو سازی ان را به dc تبدیل کرد.

هوشمندی:

بلوک های  هوشمند اطلاعات دریافتی از سنسورها یا دیگر منابع خارجی(نظیر یک کامپیوتر یا اپراتور انسانی)را پردازش نموده و در مورد وظایفی که سیستم باید انجام دهد, تصمیم گیری میکند.

دو نوع از هوش مصنوعی  برای کاربردهایدر پروژه های روبوتیک

و مکاترونیک  مناسب می باشند.

هوش نرم افزاری با میکرو کنترولر ها:

هوش نرم افزاری به واسطه ی کامپیوتر:

هوش نرم افزاری به واسطه ی یک کامپیوتر و یا یک میکرو پروسسور و  یا میکروکنترولر که یک نرم افزار هوشمند را اجرا می کنند تامین می شود.تصمیمات به  عنوان یک ساختار اساسی  برنامه ریزی شده اند که در برخی موارد می توانند مطابق داده های ورودی تغییر کنند. در چنین حالتی برنامه قادر به یادگیری از طریق تجربه می باشد که این خاصیت به عنوان مشخصه اصلی سیستم های هوشمند در نظر گرفته می شوند البته بیشتر طراحان و دانشجویان هوش مصنوعی ترجیح می دهند که شبکه های عصبی را شبیه سازی کنند که یکی از ابزار ان منطق فازی می باشد.

هوش سخت افزاری:

با استفاده از میکرو کنترل ها و میکرو پروسسورها  می توان هوش  نرم افزاری را در داخل خود روبوت یا ماشین مکاترئنیک پیاده سازی نمود. چیپbiseic stamp یک روش ساده را برای اضافه نمودن درجه ای از هوش مندی به یک ماشین ارایه می دهد این چیپ را می توان به گونه ای برنامه ریزی کرد که بر اساس ورودی های دریافتی از سنسورهای مدار کنترول خارجی تصمیم گیری نماید.

در شکل زیر نمونه ای از شبیه سازی عصب انسان و مقایسه ی ان با ربات

اشنایی با مکاترونیک

*کاربرد بلوک های پایه در پروژه ها:

*ارتباط

بلوک ها باید به گونه ای طراحی شوند که اتصال انها به یکدیگر بدون مشکل امکان پذیر باشد این بدان معنی است که سیگنال خروجی یک بلوک باید با نیاز های ورودی بلوک های دیگر سازگار باشد.

*سازگاری:

یک طراح پروژه های روبوتیک و مکاترونیک باید این نکته را مورد توجه قرار دهد که بلوکی که وی قصصد استفاده از ان  را برای انجام یک وظیفه ی خاص دارد باید واقعا دارای قابلیت انجام ان وضیفه باشد

*توان مصرفی

اگر پروژه توان خود را از یک باطری تامین کنمد بررسی این نکته که ایا واقعا باطری قادر به تامین جریان کافی برای تمامی بلوک ها می باشد مهم است موتورها , محرک ها و دیگر مبدل ها قسمت زیادی از انرژی مصرفی در پروژه های مکاترونیک و روبوتیک را به خود اختصاص می دهد

*روبوت های راه رونده

بی شک این مورد جذابترین پروژه ای است که یک طراح پروژه های روبوتیک و مکلترونیک می تواند انتخاب نماید.

در زیر بلوک اصلی این روبوت را نشان می دهد

اشنایی با مکاترونیک

گردآورنده:گروه رباتسازان روبونا