اصول رباتهای ساده
روباتیک، علم مطالعه فن آوری مرتبط با طراحی، ساخت و اصول کلی و کاربرد رباتهاست. روباتیک علم و فن آوری ماشین هایی قابل برنامه ریزی، با کاربردهای عمومی می باشد.
برخلاف تصور افسانه ای عمومی از رباتها به عنوان ماشینهای سیار انسان نما که تقریباً قابلیت انجام هر کاری را دارند، بیشتر دستگاههای روباتیک در مکانهای ثابتی در کارخانه ها بسته شده اند و در فرایند ساخت با کمک کامپیوتر، اعمال قابلیت انعطاف، ولی محدودی را انجام می دهند چنین دستگاهی حداقل شامل یک کامپیوتر برای نظارت بر اعمال و عملکردهای و اسباب انجام دهنده عمل مورد نظر، می باشد. علاوه براین، ممکن است حسگرها و تجهیزات جانبی یا ابزاری را که فرمان داشته باشد بعضی از رباتها، ماشینهای مکانیکی نسبتاً ساده ای هستند که کارهای اختصاصی مانند جوشکاری و یا رنگ افشانی را انجام می دهند. که سایر سیستم های پیچیده تر که بطور همزمان چند کار انجام می دهند، از دستگاههای حسی، برای جمع آوری اطلاعات مورد نیاز برای کنترل کارشان نیاز دارند. حسگرهای یک ربات ممکن است بازخورد حسی ارائه دهند، طوریکه بتوانند اجسام را برداشته و بدون آسیب زدن، در جای مناسب قرار دهند. ربات دیگری ممکن است دارای نوعی دید باشد.، که عیوب کالاهای ساخته شده را تشخیص دهد. بعضی از رباتهای مورد استفاده در ساخت مدارهای الکترونیکی، پس از مکان یابی دیداری علامتهای تثبیت مکان بر روی برد، می توانند اجزا بسیار کوچک را در جای مناسب قرار دهند. ساده ترین شکل رباهای سیار، برای رساندن نامه در ساختمانهای اداری یا جمع آوری و رساندن قطعات در ساخت، دنبال کردن مسیر یک کابل قرار گرفته در زیر خاک یا یک مسیر رنگ شده که هرگاه حسگرهایشان در مسیر، یا فردی را پیدا کنند متوقف می شوند. رباتهای بسیار پیچیده تر رد محیط های نامعین تر مانند معادن استفاده می شود.
روباتها همانند کامپیوترها قابلیت برنامه ریزی دارند.بسته به نوع برنامه ای که شما به آنها می دهید.کارها وحرکات مختلفی را انجام می دهند.رشته دانشگاهی نیز تحت عنوان روباتیک وجود دارد.که به مسایلی از قبیل سنسورها، مدارات ، فیدبکها،پردازش اطلاعات وبست وتوسعه روباتها می پردازد.روباتها انواع مختلفی دارند از قبیل روباتهای شمشیر باز، دنبال کننده خط،کشتی گیر،
فوتبالیست،و روباتهای خیلی ریز تحت عنوان میکرو روباتها،روباتهای پرنده وغیره نیز وجود دارند.
روباتها برای انجام کارهای سخت ودشواری که بعضی مواقع انسانها از انجام آنها عاجز یا انجام آنها برای انسان خطرناک هستند.مثل روباتهایی که در نیروگاهای هسته ای وجود دارند.،استفاده می شوند.
کاری که روباتها انجام میدهند.، توسط میکرو پروسسرها(microprocessors) و میکروکنترلرها(microcontroller) کنترل می شود.با تسلط در برنامه نویسی این دو می توانید دقیقا همان کاری را که انتظار دارید روبات انجام دهد.
روباتهایی شبیه انسان (human robotic)نیز ساخته شده اند.،آنها قادرند اعمالی شبیه انسان را انجام دهند.حتی بعضی از آنها همانند انسان دارای احساسات نیز هستند.بعضی از آنها شکلهای خیلی ساده ای دارند.آنها دارای چرخ یا بازویی هستند که توسط میکرو کنترلرها یا میکرو پرسسرها کنترل می شوند.در واقع میکروکنترلر یا میکرو پروسسر به مانند مغز انسان در روبات کار می کند.برخی از روباتها مانند انسانها وجانوران خون گرم در برخورد و رویارویی با حوادث ومثایل مختلف به صورت هوشمند از خود واکنش نشان می دهند.یک نمونه از این روباتها روبات مامور است.
برخی روباتها نیز یکسری کارها را به صورت تکراری با سرعت ودقت بالا انجام می دهند مثل روبات هایی که در کارخانه های خودرو سازی استفاده می شوند.این گونه روبات کارهایی از قبیل جوش دادن بدنه ماشین ، رنگ کردن ماشین را با دقتی بالاتر از انسان بدون خستگی و وقفه انجام می دهند.
1-داری حرکت وپویایی است
2-قابلیت برنامه ریزی جهت انجام کارهای مختلف را دارد
3-بعد از اینکه برنامه ریزی شد.قابلیت انجام وظایفش را به صورت خودکار دارد.
ممکن است روزی فرا برسد که روباتها جای انسانها را در انجام کارها بگیرند.حتی بعضی از آنها ممکن است به صورت محافظ شخصی از جان انسانهادر مقابل خطرات احتمالی حفاظت کنند.
هنگامکه این حیوان حرکت می کند وزن خود را بر روی پا هایش تقسیم میکند.بنابراین این امکان را دارد که تعادلش را حفظ کند و بر روی زمین نیافتد.در روباتها نیز همین مسئله وجود دارد اگر یکی از پاهای آن در هوا قرار بگیرد روبات متوقف می شود.واین امکان وجود دارد بر روی زمین بیافتد.به حرکت مورجه ها دقت کنید.این موجود 6 پا دارد. در هنگام حرکت به سمت جلو سه پایش را به سمت جلو وسه پای دیگرش را در همان موقعیت به سمت عقب فشار میدهد .دو پا از یک طرف ویک پا از طرف دیگرهمواره کار مشترکی را انجام می دهند. واین کار سبب حرکت مورچه به سمت جلو می شود.
حشرات بدلیل داشتن پاهای بیشتر وفرم پاها راحتر از حیوانات چهار پا می توانند تعادل خود را در حرکت حفظ کنند.بهمین دلیل رباتهای شبیه حشرات بیشتر از روباتهایی شبیه سگ و گربه ساخته شده اند.
بیشتر ماشینهایی که وجود دارند از چهار چرخ تشکیل شده اند.دو چرخ جلویی دارای چرخش زاویه ای هستند.،و دو چرخ عقبی در جای خود ثابت هستند.،وتنها میچرخند،حرکت به سمت راست،جلو و عقب را چرخهای جلویی تعیین می کنند.در برخی از ماشینها هر چهار چرخ دارای این وضعیت هستند.از این موارد در ساخت لگو روباتها شبیه ماشین استفاده می شود.برخی از ماشینهای پیشرفته از راه دور کنترل می شوند(remote control) که این مسئله را براحتی می توان در روباتها بست وتوسعه داد.
برای ساخت یک لگو ماشین احتیاج به چهار چرخ پلاستیکی و دو میله تحت عنوان محور احتیاج دارید.شاید بتوانید این قطعات را براحتی در یک ماشین اسباب بازی پیدا کنید.برخی از طراحان روبات به جای چهار چرخ از سه چرخ استفاده می کنند.در این حالت عموما دو چرخ ثابت وتنها در جای خود می چرخند و تنها یک چرخ دارای حرکت آزاد است.نوع دو چرخ آن نیز وجود دارد.در این حالت هر دوچرخ دارای حرکت آزاد زاویه ای هستند.
برای حل مشکل تعادل روباتها در هنگام چرخش از چهار چرخ استفاده می شود. در هر طرف دوچرخ وجود دارد.که چرخهای در هر سمت بوسیله تسمه یا نواری پلاستیکی بهم متصل می شوند.
شاسی، موتورها، منبع تغذیه، ...
- حسگرها (برای شناسایی محیط):
دوربین ها، سنسورهای sonar، سنسورهای ultrasound، ...
- عملکردها (برای انجام اعمال لازم)
بازوی روبات، چرخها، پاها، ...
- قسمت تصمیم گیری (برنامه ای برای تعیین اعمال لازم):
حرکت در یک جهت خاص، دوری از موانع، برداشتن اجسام، ...
- قسمت کنترل (برای راه اندازی و بررسی حرکات روبات):
نیروها و گشتاورهای موتورها برای سرعت مورد نظر، جهت مورد نظر، کنترل مسیر، ...
- حدود سال 1250 م: بیشاپ آلبرتوس ماگنوس (Bishop Albertus Magnus) ضیافتی ترتیب داد که درآن، میزبانان آهنی از مهمانان پذیرایی می کردند. با دیدن این روبات، سنت توماس آکویناس (Thomas Aquinas) برآشفته شد، میزبان آهنی را تکه تکه کرد و بیشاب را ساحر و جادوگر خواند.
- سال 1640 م: دکارت ماشین خودکاری به صورت یک خانم ساخت و آن را Ma fille Francine " می نامید.این ماشین که دکارت را در یک سفر دریایی همراهی می کرد، توسط کاپیتان کشتی به آب پرتاب شد چرا که وی تصور می کرد این موجود ساخته شیطان است.
- سال 1738 م: ژاک دواکانسن (Jacques de Vaucanson) یک اردک مکانیکی ساخت که از بیش از 4000 قطعه تشکیل شده بود.
این اردک می توانست از خود صدا تولید کند، شنا کند، آب بنوشد، دانه بخورد و آن را هضم و سپس دفع کند. امروزه در مورد محل نگهداری این اردک اطلاعی در دست نیست.
- سال 1805 م: عروسکی توسط میلاردت (Maillardet) ساخته شد که می توانست به زبان انگلیسی و فرانسوی بنویسد و مناظری را نقاشی کند.
- سال 1923 م: کارل چاپک (Karel Capek) برای اولین بار از کلمه روبات (robot) در نمایشنامه خود به عنوان آدم مصنوعی استفاده کرد. کلمه روبات از کلمه چک robota گرفته شده است که به معنی برده و کارگر مزدور است. موضوع نمایشنامه چاپک، کنترل انسانها توسط روباتها بود، ولی او هرگونه امکان جایگزینی انسان با روبات و یا اینکه روباتها از احساس برخوردار شوند، عاشق شوند، یا تنفر پیدا کنند را رد می کرد.
- سال 1940 م: شرکت وستینگهاوس (Westinghouse Co.) سگی به نام اسپارکو (Sparko) ساخت که هم از قطعات مکانیکی و هم الکتریکی در ساخب آن استفاده شده بود. این اولین باری بود که از قطعات الکتریکی نیز همراه با قطعات مکانیکی استفاده می شد.
- سال 1942 م: کلمه روباتیک (robatics) اولین بار توسط ایزاک آسیموف در یک داستان کوتاه ارائه شد. ایزاک آسیموف (1920-1992) نویسنده کتابهای توصیفی درباره علوم و داستانهای علمی تخیلی است.
- دهه 1950 م: تکنولوژی کامپیوتر پیشرفت کرد و صنعت کنترل متحول شد. سؤلاتی مطرح شدند. مثلاً: آیا کامپیوتر یک روبات غیر متحرک است؟
- سال 1954 م: عصر روبات ها با ارائه اولین روبات آدم نما توسط جرج دوول (George Devol) شروع شد.
امروزه، 90% روباتها، روباتهای صنعتی هستند، یعنی روباتهایی که در کارخانه ها، آزمایشگاهها، انبارها، نیروگاهها، بیمارستانها، و بخشهای مشابه به کارگرفته می شوند.در سالهای قبل، اکثر روباتهای صنعتی در کارخانه های خودروسازی به کارگرفته می شدند، ولی امروزه تنها حدود نیمی از روباتهای موجود در دنیا در کارخانه های خودروسازی به کار گرفته می شوند.مصارف روباتها در همه ابعاد زندگی انسان به سرعت در حال گسترش است تا کارهای سخت و خطرناک را به جای انسان انجام دهند.برای مثال امروزه برای بررسی وضعیت داخلی رآکتورها از روبات استفاده می شود تا تشعشعات رادیواکتیو به انسانها صدمه نزند.
- سال 1956 م: پس از توسعه فعالیتهای تکنولوژی یک که بعد از جنگ جهانی دوم، یک ملاقات تاریخی بین جورج سی.دوول(George C.Devol) مخترع و کارآفرین صاحب نام، و ژوزف اف.انگلبرگر (Joseph F.Engelberger) که یک مهندس با سابقه بود، صورت گرفت. در این ملاقات آنها به بحث در مورد داستان آسیموف پرداختند. ایشان سپس به موفقیتهای اساسی در تولید روباتها دست یافتند و با تأسیس شرکتهای تجاری، به تولید روبات مشغول شدند. انگلبرگر شرکت Unimate برگرفته از Universal Automation را برای تولید روبات پایه گذاری کرد. نخستین روباتهای این شرکت در کارخانه جنرال موتورز (General Motors) برای انجام کارهای دشوار در خودروسازی به کار گرفته شد. انگلبرگر را "پدر روباتیک" نامیده اند.
- دهه 1960 م: روباتهای صنعتی زیادی ساخته شدند. انجمن صنایع روباتیک این تعریف را برای روبات صنعتی ارائه کرد:
"روبات صنعتی یک وسیلة چند کاره و با قابلیت برنامه ریزی چند باره است که برای جابجایی قطعات، مواد، ابزارها یا وسایل خاص بوسیلة حرکات برنامه ریزی شده، برای انجام کارهای متنوع استفاده می شود."
- سال 1962 م: شرکت خودروسازی جنرال موتورز نخستین روبات Unimate را در خط مونتاژ خود به کار گرفت.
- سال 1967 م: رالف موزر (Ralph Moser) از شرکت جنرال الکتریک (General Electeric) نخستین روبات چهارپا را اختراع کرد.
- سال 1983 م: شرکت Odetics یک روبات شش پا ارائه کرد که می توانست از موانع عبور کند و بارهای سنگینی را نیز با خود حمل کند.
- سال 1985 م: نخستین روباتی که به تنهایی توانایی راه رفتن داشت در دانشگاه ایالتی اهایو (Ohio State Uneversity) ساخته شد.
- سال 1996 م: شرکت ژاپنی هندا (Honda) نخستین روبات انسان نما را ارائه کرد که با دو دست و دو پا طوری طراحی شده بود که می توانست راه برود، از پله بالا برود، روی صندلی بنشیند و بلند شود و بارهایی به وزن 5 کیلوگرم را حمل کند
روباتها روز به روز هوشمندتر می شوند تا هرچه بیشتر در کارهای سخت و پر خطر به یاری انسانها بیایند.
2-روباتهاباید دستورات انسانها را بدون سرپیجی از قانون اوّل اجرا کنند.
3-روباتها باید بدون نقض قانون اوّل و دوم از خود محافظت کنند.
نوع دیگر رباتها که امروزه مورد توجه بیشتری است رباتهای متحرک هستند که مانند رباتهای جابجا کننده در محیط ثابت و شرایط کنترل شده کار نمیکنند. بلکه همانند موجودات زنده در دنیای واقعی و با شرایط واقعی زندگی میکنند و سیر اتفاقاتی که ربات باید با انها روبرو شود از قبل مشخص نیست. در این نوع ربات هاست که تکنیک های هوش مصنوعی میبایست در کنترلر ربات(مغز ربات) به کار گرفته شود.
رباتهای متحرک به دسته های زیر تقسیم بندی میشوند:
1-رباتهای چرخ دار
با انواع چرخ عادی
و یا شنی تانک
و با پیکربندی های مختلف یک, دو یا چند قسمتی
2-رباتهای پادار مثل سگ اسباب بازیAIBO ساخت سونی که در شکل بالا نشان داده شد یا ربات ASIMO ساخت شرکت هوندا
3-رباتهای پرنده
4-رباتهای چند گانه(هایبرید) که ترکیبی از رباتهای بالا یا ترکیب با جابجاگرها هستند
2-روباتها می توانند در موقعیت های خطرناک کار کنند و با این کار جان هزاران انسان را نجات دهند.
3- روباتها به راحتی محیط اطراف خود توجه ندارند و نیازهای انسانی برای آنها مفهومی ندارد. روباتها هیچگاه خسته نمی شوند.
4- دقت روباتها خیلی بیشتر از انسانها است آنها در حد میلی یا حتی میکرو اینچ دقت دارند.
5- روباتها می توانند در یک لحظه چند کار را با هم انجام دهند ولی انسانها در یک لحظه تنها یک کار انجام می دهند.
2-روباتها هزینه بر هستند.
3- قابلیت های محدود دارند یعنی فقط کاری که برای آن ساخته شده اند را انجام می دهند.
امروزه بیشتر رباتها با استفاده از کنترل کننده های قابل برنامه ریزی طراحی و ساخته می شوند این مدار که طرح می شود صرفا جنبه آموزشی دارد و جوابگوی یک ربات تعقیب خط کاملا حرفه ای نیست .
اما برای آموزش و یادگیری کار یک ربات ، مفید می باشد .
قبل از آوردن مدار ابتدا توضیحی د رمورد چگونگی حرکت ربات و عملکرد سنسورها میدهیم سپس مدار ربات که توسط خودمان طراحی شده است را آورده و کار بخش های مختلف را شرح میدهیم .
این شکل نمای کلی از طرز قرار گرفتن سنسورها (s ) و موتورها را نشان میدهد
این ربات با توجه به مدار ساده خود دارای محدودیتهایی میباشد از جمله اینکه فقط قادر به تعقیب خط سیاه در زمینه سفید و بدون قطع شدگی ( مگر اینکه قطع شدگی در امتداد مستقیم خط و حداکثر بطول 20 سانتیمتر با توجه به سرعت ربات ) است .
حال اگر خط سیاه در مسیر خود قطع شده بلشد با توجه به تایمر پیش بینی شده در مدار ربات به مسیر خود ادامه میدهد ( حدود 20 سانتی متر ) اگر باز هم s2 روی خط سیاه ربات دوباره کار خود را شروع میکند در غیر این صورت مسیر را تمام شده تلقی خواهد کرد . ( شکل 3 )
در پیچ های یک طرفه با توجه به جهت پیچ راست یا چپ بودن یکی از سنسورها ی s1 , s3 روی خط سیاه قرار میگیرند در حالی که دو سنسور دیگر روی ز مینه سفید قرار دارند ( شکل 4 )
در این صورت فقط یکی از موتورها ( در شکل 4 M1 ) روشن خواهد شد بنا براین با ادامه حرکت یکی از موتورها هر سه سنسور روی زمینه سفید قرار میگیرند . در این قسمت نیز برای انجام این عمل از تایمر پیش بینی شده استفاده میگردد. ( شکل 5 )
این کار ادامه می یابد تا اینکه s2 روی خط سیاه قرار گیرد در این صورت هر دو موتور روشن میگردد ( شکل بالا ) .
اما بدیهی است که ربات به طور کامل در مسیر قرار نمیگیرد . در این صورت پس از قرار گرفتن s2 روی خط سیاه ربات به حرکمدار ربات همانطور که از شکل پیداست از سه قسمت اصلي سنسورها ، مدار کنترل گر و موتورها تشکیل شده است که در قسمت اول ( سنسورها ) از دو قسمت فرستنده و گیرنده ، قسمت دوم از بخشهای تایمر ، حافظه نگهدارنده ( با استفاده از ترانزیستور ) و بخش های خروجی و ورودی و رابط تشکیل شده است . همچنین قسمت موتور ها دو بخش رله و بخش موتورها را داراست که به ترتیب هر یک را توضیح می دهم :
در لین ربات به علت وجود 3 سنسور از سه گیرنده استفاده شده است که سنسور گیرنده پس از دریافت امواج باز تابیده شده حاصل از فرستنده IC UA741 ، را فعال نموده و این IC پس از تقویت سیگنال ارسالی ، آنها را بوسیله دیودهای موجود یکسو نموده و ترانزیستورهای T1 , T2 پس از تقویت جریان و ایجاد ولتاژ لازم ( ولتاژ بالا – 1 - ولتاژ پایین – 0 - ) را برای استفاده در بخش دوم تامین می کنند .
ب ) فرستنده ها :
در طراحی این ربات برای ایجاد سیگنال مادون قرمز از یک فرستنده برای سه سنسور مادون قرمز استفاده شده است که سیگنال یک کیلو هرتز مورد نیاز را در ترانزیستور های نام برده همراه خازن های C! , C2 و مقاومت های R1 , R2 , R3 , R4ایجاد کرده و با مقاومت ، این جریان را محدود کرده و به فرستنده ها ارسال می کند .
همانطور که از شکل مدار پیداست از شش گیت NOT (IC 40106) استفاده شده است که مقاومت های R1 , R2 , R3 برای بایاس این ای سی بکار رفته است .
ب ) تایمر :
تایمر از دو گیت NOR , IC 4001 استفاده شده است که C2 , R7 نیز تاخیر زمان لازم را برای این کار ایجاد مینمایند .
پ ) حافظه نگهدارنده :
قسمت اصلی آن دو تریستور TH1 , TH2 می باشند و T1 ,T2 , T3 , T4 برای بایاس و کنترل جهت جریان و R6 , R8 برای بایاس ترانزیستورها بکار رفته اند .
ت ) خروجی :
از آی سی مولتی پلکسر 4066 که از 4 کلید دو طرفه تشکیل شده است استفاده شده که در حقیقت جهت موتورها را کنترل میکند . در این قسمت دو کلید بطور موازی بکار رفته اند تا جریان خروجی برای قسمت موتورها بیشتر گردد .
ث ) رابط :
که بین بخشهای مختلف مدار به کار رفته اند تا با NOR , NAND کردن خروجی حاصل از هر بخش ، جریان و ولتاژ لازم را برای بخش های بعدی تامین نماید که قسمت عمده آن از IC 4011 و IC4001 تشکیل شده است .
منبع:دینامیک و کنترل ربات : دکتر فاتح ، انتشارات دانشگاه صنعتی شاهرود
/خ
برخلاف تصور افسانه ای عمومی از رباتها به عنوان ماشینهای سیار انسان نما که تقریباً قابلیت انجام هر کاری را دارند، بیشتر دستگاههای روباتیک در مکانهای ثابتی در کارخانه ها بسته شده اند و در فرایند ساخت با کمک کامپیوتر، اعمال قابلیت انعطاف، ولی محدودی را انجام می دهند چنین دستگاهی حداقل شامل یک کامپیوتر برای نظارت بر اعمال و عملکردهای و اسباب انجام دهنده عمل مورد نظر، می باشد. علاوه براین، ممکن است حسگرها و تجهیزات جانبی یا ابزاری را که فرمان داشته باشد بعضی از رباتها، ماشینهای مکانیکی نسبتاً ساده ای هستند که کارهای اختصاصی مانند جوشکاری و یا رنگ افشانی را انجام می دهند. که سایر سیستم های پیچیده تر که بطور همزمان چند کار انجام می دهند، از دستگاههای حسی، برای جمع آوری اطلاعات مورد نیاز برای کنترل کارشان نیاز دارند. حسگرهای یک ربات ممکن است بازخورد حسی ارائه دهند، طوریکه بتوانند اجسام را برداشته و بدون آسیب زدن، در جای مناسب قرار دهند. ربات دیگری ممکن است دارای نوعی دید باشد.، که عیوب کالاهای ساخته شده را تشخیص دهد. بعضی از رباتهای مورد استفاده در ساخت مدارهای الکترونیکی، پس از مکان یابی دیداری علامتهای تثبیت مکان بر روی برد، می توانند اجزا بسیار کوچک را در جای مناسب قرار دهند. ساده ترین شکل رباهای سیار، برای رساندن نامه در ساختمانهای اداری یا جمع آوری و رساندن قطعات در ساخت، دنبال کردن مسیر یک کابل قرار گرفته در زیر خاک یا یک مسیر رنگ شده که هرگاه حسگرهایشان در مسیر، یا فردی را پیدا کنند متوقف می شوند. رباتهای بسیار پیچیده تر رد محیط های نامعین تر مانند معادن استفاده می شود.
روباتها همانند کامپیوترها قابلیت برنامه ریزی دارند.بسته به نوع برنامه ای که شما به آنها می دهید.کارها وحرکات مختلفی را انجام می دهند.رشته دانشگاهی نیز تحت عنوان روباتیک وجود دارد.که به مسایلی از قبیل سنسورها، مدارات ، فیدبکها،پردازش اطلاعات وبست وتوسعه روباتها می پردازد.روباتها انواع مختلفی دارند از قبیل روباتهای شمشیر باز، دنبال کننده خط،کشتی گیر،
فوتبالیست،و روباتهای خیلی ریز تحت عنوان میکرو روباتها،روباتهای پرنده وغیره نیز وجود دارند.
روباتها برای انجام کارهای سخت ودشواری که بعضی مواقع انسانها از انجام آنها عاجز یا انجام آنها برای انسان خطرناک هستند.مثل روباتهایی که در نیروگاهای هسته ای وجود دارند.،استفاده می شوند.
کاری که روباتها انجام میدهند.، توسط میکرو پروسسرها(microprocessors) و میکروکنترلرها(microcontroller) کنترل می شود.با تسلط در برنامه نویسی این دو می توانید دقیقا همان کاری را که انتظار دارید روبات انجام دهد.
روباتهایی شبیه انسان (human robotic)نیز ساخته شده اند.،آنها قادرند اعمالی شبیه انسان را انجام دهند.حتی بعضی از آنها همانند انسان دارای احساسات نیز هستند.بعضی از آنها شکلهای خیلی ساده ای دارند.آنها دارای چرخ یا بازویی هستند که توسط میکرو کنترلرها یا میکرو پرسسرها کنترل می شوند.در واقع میکروکنترلر یا میکرو پروسسر به مانند مغز انسان در روبات کار می کند.برخی از روباتها مانند انسانها وجانوران خون گرم در برخورد و رویارویی با حوادث ومثایل مختلف به صورت هوشمند از خود واکنش نشان می دهند.یک نمونه از این روباتها روبات مامور است.
برخی روباتها نیز یکسری کارها را به صورت تکراری با سرعت ودقت بالا انجام می دهند مثل روبات هایی که در کارخانه های خودرو سازی استفاده می شوند.این گونه روبات کارهایی از قبیل جوش دادن بدنه ماشین ، رنگ کردن ماشین را با دقتی بالاتر از انسان بدون خستگی و وقفه انجام می دهند.
ویژگیهای یک روبات
1-داری حرکت وپویایی است
2-قابلیت برنامه ریزی جهت انجام کارهای مختلف را دارد
3-بعد از اینکه برنامه ریزی شد.قابلیت انجام وظایفش را به صورت خودکار دارد.
ممکن است روزی فرا برسد که روباتها جای انسانها را در انجام کارها بگیرند.حتی بعضی از آنها ممکن است به صورت محافظ شخصی از جان انسانهادر مقابل خطرات احتمالی حفاظت کنند.
آناتومی اندام روباتهای شبیه انسان
حرکت در روبات
هنگامکه این حیوان حرکت می کند وزن خود را بر روی پا هایش تقسیم میکند.بنابراین این امکان را دارد که تعادلش را حفظ کند و بر روی زمین نیافتد.در روباتها نیز همین مسئله وجود دارد اگر یکی از پاهای آن در هوا قرار بگیرد روبات متوقف می شود.واین امکان وجود دارد بر روی زمین بیافتد.به حرکت مورجه ها دقت کنید.این موجود 6 پا دارد. در هنگام حرکت به سمت جلو سه پایش را به سمت جلو وسه پای دیگرش را در همان موقعیت به سمت عقب فشار میدهد .دو پا از یک طرف ویک پا از طرف دیگرهمواره کار مشترکی را انجام می دهند. واین کار سبب حرکت مورچه به سمت جلو می شود.
حشرات بدلیل داشتن پاهای بیشتر وفرم پاها راحتر از حیوانات چهار پا می توانند تعادل خود را در حرکت حفظ کنند.بهمین دلیل رباتهای شبیه حشرات بیشتر از روباتهایی شبیه سگ و گربه ساخته شده اند.
لگو روبات(lego robot)
بیشتر ماشینهایی که وجود دارند از چهار چرخ تشکیل شده اند.دو چرخ جلویی دارای چرخش زاویه ای هستند.،و دو چرخ عقبی در جای خود ثابت هستند.،وتنها میچرخند،حرکت به سمت راست،جلو و عقب را چرخهای جلویی تعیین می کنند.در برخی از ماشینها هر چهار چرخ دارای این وضعیت هستند.از این موارد در ساخت لگو روباتها شبیه ماشین استفاده می شود.برخی از ماشینهای پیشرفته از راه دور کنترل می شوند(remote control) که این مسئله را براحتی می توان در روباتها بست وتوسعه داد.
برای ساخت یک لگو ماشین احتیاج به چهار چرخ پلاستیکی و دو میله تحت عنوان محور احتیاج دارید.شاید بتوانید این قطعات را براحتی در یک ماشین اسباب بازی پیدا کنید.برخی از طراحان روبات به جای چهار چرخ از سه چرخ استفاده می کنند.در این حالت عموما دو چرخ ثابت وتنها در جای خود می چرخند و تنها یک چرخ دارای حرکت آزاد است.نوع دو چرخ آن نیز وجود دارد.در این حالت هر دوچرخ دارای حرکت آزاد زاویه ای هستند.
برای حل مشکل تعادل روباتها در هنگام چرخش از چهار چرخ استفاده می شود. در هر طرف دوچرخ وجود دارد.که چرخهای در هر سمت بوسیله تسمه یا نواری پلاستیکی بهم متصل می شوند.
اجزای یک روبات:
شاسی، موتورها، منبع تغذیه، ...
- حسگرها (برای شناسایی محیط):
دوربین ها، سنسورهای sonar، سنسورهای ultrasound، ...
- عملکردها (برای انجام اعمال لازم)
بازوی روبات، چرخها، پاها، ...
- قسمت تصمیم گیری (برنامه ای برای تعیین اعمال لازم):
حرکت در یک جهت خاص، دوری از موانع، برداشتن اجسام، ...
- قسمت کنترل (برای راه اندازی و بررسی حرکات روبات):
نیروها و گشتاورهای موتورها برای سرعت مورد نظر، جهت مورد نظر، کنترل مسیر، ...
تاریخچه روباتیک:
- حدود سال 1250 م: بیشاپ آلبرتوس ماگنوس (Bishop Albertus Magnus) ضیافتی ترتیب داد که درآن، میزبانان آهنی از مهمانان پذیرایی می کردند. با دیدن این روبات، سنت توماس آکویناس (Thomas Aquinas) برآشفته شد، میزبان آهنی را تکه تکه کرد و بیشاب را ساحر و جادوگر خواند.
- سال 1640 م: دکارت ماشین خودکاری به صورت یک خانم ساخت و آن را Ma fille Francine " می نامید.این ماشین که دکارت را در یک سفر دریایی همراهی می کرد، توسط کاپیتان کشتی به آب پرتاب شد چرا که وی تصور می کرد این موجود ساخته شیطان است.
- سال 1738 م: ژاک دواکانسن (Jacques de Vaucanson) یک اردک مکانیکی ساخت که از بیش از 4000 قطعه تشکیل شده بود.
این اردک می توانست از خود صدا تولید کند، شنا کند، آب بنوشد، دانه بخورد و آن را هضم و سپس دفع کند. امروزه در مورد محل نگهداری این اردک اطلاعی در دست نیست.
- سال 1805 م: عروسکی توسط میلاردت (Maillardet) ساخته شد که می توانست به زبان انگلیسی و فرانسوی بنویسد و مناظری را نقاشی کند.
- سال 1923 م: کارل چاپک (Karel Capek) برای اولین بار از کلمه روبات (robot) در نمایشنامه خود به عنوان آدم مصنوعی استفاده کرد. کلمه روبات از کلمه چک robota گرفته شده است که به معنی برده و کارگر مزدور است. موضوع نمایشنامه چاپک، کنترل انسانها توسط روباتها بود، ولی او هرگونه امکان جایگزینی انسان با روبات و یا اینکه روباتها از احساس برخوردار شوند، عاشق شوند، یا تنفر پیدا کنند را رد می کرد.
- سال 1940 م: شرکت وستینگهاوس (Westinghouse Co.) سگی به نام اسپارکو (Sparko) ساخت که هم از قطعات مکانیکی و هم الکتریکی در ساخب آن استفاده شده بود. این اولین باری بود که از قطعات الکتریکی نیز همراه با قطعات مکانیکی استفاده می شد.
- سال 1942 م: کلمه روباتیک (robatics) اولین بار توسط ایزاک آسیموف در یک داستان کوتاه ارائه شد. ایزاک آسیموف (1920-1992) نویسنده کتابهای توصیفی درباره علوم و داستانهای علمی تخیلی است.
- دهه 1950 م: تکنولوژی کامپیوتر پیشرفت کرد و صنعت کنترل متحول شد. سؤلاتی مطرح شدند. مثلاً: آیا کامپیوتر یک روبات غیر متحرک است؟
- سال 1954 م: عصر روبات ها با ارائه اولین روبات آدم نما توسط جرج دوول (George Devol) شروع شد.
امروزه، 90% روباتها، روباتهای صنعتی هستند، یعنی روباتهایی که در کارخانه ها، آزمایشگاهها، انبارها، نیروگاهها، بیمارستانها، و بخشهای مشابه به کارگرفته می شوند.در سالهای قبل، اکثر روباتهای صنعتی در کارخانه های خودروسازی به کارگرفته می شدند، ولی امروزه تنها حدود نیمی از روباتهای موجود در دنیا در کارخانه های خودروسازی به کار گرفته می شوند.مصارف روباتها در همه ابعاد زندگی انسان به سرعت در حال گسترش است تا کارهای سخت و خطرناک را به جای انسان انجام دهند.برای مثال امروزه برای بررسی وضعیت داخلی رآکتورها از روبات استفاده می شود تا تشعشعات رادیواکتیو به انسانها صدمه نزند.
- سال 1956 م: پس از توسعه فعالیتهای تکنولوژی یک که بعد از جنگ جهانی دوم، یک ملاقات تاریخی بین جورج سی.دوول(George C.Devol) مخترع و کارآفرین صاحب نام، و ژوزف اف.انگلبرگر (Joseph F.Engelberger) که یک مهندس با سابقه بود، صورت گرفت. در این ملاقات آنها به بحث در مورد داستان آسیموف پرداختند. ایشان سپس به موفقیتهای اساسی در تولید روباتها دست یافتند و با تأسیس شرکتهای تجاری، به تولید روبات مشغول شدند. انگلبرگر شرکت Unimate برگرفته از Universal Automation را برای تولید روبات پایه گذاری کرد. نخستین روباتهای این شرکت در کارخانه جنرال موتورز (General Motors) برای انجام کارهای دشوار در خودروسازی به کار گرفته شد. انگلبرگر را "پدر روباتیک" نامیده اند.
- دهه 1960 م: روباتهای صنعتی زیادی ساخته شدند. انجمن صنایع روباتیک این تعریف را برای روبات صنعتی ارائه کرد:
"روبات صنعتی یک وسیلة چند کاره و با قابلیت برنامه ریزی چند باره است که برای جابجایی قطعات، مواد، ابزارها یا وسایل خاص بوسیلة حرکات برنامه ریزی شده، برای انجام کارهای متنوع استفاده می شود."
- سال 1962 م: شرکت خودروسازی جنرال موتورز نخستین روبات Unimate را در خط مونتاژ خود به کار گرفت.
- سال 1967 م: رالف موزر (Ralph Moser) از شرکت جنرال الکتریک (General Electeric) نخستین روبات چهارپا را اختراع کرد.
- سال 1983 م: شرکت Odetics یک روبات شش پا ارائه کرد که می توانست از موانع عبور کند و بارهای سنگینی را نیز با خود حمل کند.
- سال 1985 م: نخستین روباتی که به تنهایی توانایی راه رفتن داشت در دانشگاه ایالتی اهایو (Ohio State Uneversity) ساخته شد.
- سال 1996 م: شرکت ژاپنی هندا (Honda) نخستین روبات انسان نما را ارائه کرد که با دو دست و دو پا طوری طراحی شده بود که می توانست راه برود، از پله بالا برود، روی صندلی بنشیند و بلند شود و بارهایی به وزن 5 کیلوگرم را حمل کند
روباتها روز به روز هوشمندتر می شوند تا هرچه بیشتر در کارهای سخت و پر خطر به یاری انسانها بیایند.
قانون روباتیک مطرح شده توسط آسیموف:
2-روباتهاباید دستورات انسانها را بدون سرپیجی از قانون اوّل اجرا کنند.
3-روباتها باید بدون نقض قانون اوّل و دوم از خود محافظت کنند.
انواع ربات ها :
نوع دیگر رباتها که امروزه مورد توجه بیشتری است رباتهای متحرک هستند که مانند رباتهای جابجا کننده در محیط ثابت و شرایط کنترل شده کار نمیکنند. بلکه همانند موجودات زنده در دنیای واقعی و با شرایط واقعی زندگی میکنند و سیر اتفاقاتی که ربات باید با انها روبرو شود از قبل مشخص نیست. در این نوع ربات هاست که تکنیک های هوش مصنوعی میبایست در کنترلر ربات(مغز ربات) به کار گرفته شود.
رباتهای متحرک به دسته های زیر تقسیم بندی میشوند:
1-رباتهای چرخ دار
با انواع چرخ عادی
و یا شنی تانک
و با پیکربندی های مختلف یک, دو یا چند قسمتی
2-رباتهای پادار مثل سگ اسباب بازیAIBO ساخت سونی که در شکل بالا نشان داده شد یا ربات ASIMO ساخت شرکت هوندا
3-رباتهای پرنده
4-رباتهای چند گانه(هایبرید) که ترکیبی از رباتهای بالا یا ترکیب با جابجاگرها هستند
مزایای روباتها:
2-روباتها می توانند در موقعیت های خطرناک کار کنند و با این کار جان هزاران انسان را نجات دهند.
3- روباتها به راحتی محیط اطراف خود توجه ندارند و نیازهای انسانی برای آنها مفهومی ندارد. روباتها هیچگاه خسته نمی شوند.
4- دقت روباتها خیلی بیشتر از انسانها است آنها در حد میلی یا حتی میکرو اینچ دقت دارند.
5- روباتها می توانند در یک لحظه چند کار را با هم انجام دهند ولی انسانها در یک لحظه تنها یک کار انجام می دهند.
معایب روباتها:
2-روباتها هزینه بر هستند.
3- قابلیت های محدود دارند یعنی فقط کاری که برای آن ساخته شده اند را انجام می دهند.
امروزه بیشتر رباتها با استفاده از کنترل کننده های قابل برنامه ریزی طراحی و ساخته می شوند این مدار که طرح می شود صرفا جنبه آموزشی دارد و جوابگوی یک ربات تعقیب خط کاملا حرفه ای نیست .
اما برای آموزش و یادگیری کار یک ربات ، مفید می باشد .
قبل از آوردن مدار ابتدا توضیحی د رمورد چگونگی حرکت ربات و عملکرد سنسورها میدهیم سپس مدار ربات که توسط خودمان طراحی شده است را آورده و کار بخش های مختلف را شرح میدهیم .
چگونگی حرکت ربات :
این شکل نمای کلی از طرز قرار گرفتن سنسورها (s ) و موتورها را نشان میدهد
این ربات با توجه به مدار ساده خود دارای محدودیتهایی میباشد از جمله اینکه فقط قادر به تعقیب خط سیاه در زمینه سفید و بدون قطع شدگی ( مگر اینکه قطع شدگی در امتداد مستقیم خط و حداکثر بطول 20 سانتیمتر با توجه به سرعت ربات ) است .
عملکرد حرکتی ربات در بخش های مختلف :
حال اگر خط سیاه در مسیر خود قطع شده بلشد با توجه به تایمر پیش بینی شده در مدار ربات به مسیر خود ادامه میدهد ( حدود 20 سانتی متر ) اگر باز هم s2 روی خط سیاه ربات دوباره کار خود را شروع میکند در غیر این صورت مسیر را تمام شده تلقی خواهد کرد . ( شکل 3 )
در پیچ های یک طرفه با توجه به جهت پیچ راست یا چپ بودن یکی از سنسورها ی s1 , s3 روی خط سیاه قرار میگیرند در حالی که دو سنسور دیگر روی ز مینه سفید قرار دارند ( شکل 4 )
در این صورت فقط یکی از موتورها ( در شکل 4 M1 ) روشن خواهد شد بنا براین با ادامه حرکت یکی از موتورها هر سه سنسور روی زمینه سفید قرار میگیرند . در این قسمت نیز برای انجام این عمل از تایمر پیش بینی شده استفاده میگردد. ( شکل 5 )
این کار ادامه می یابد تا اینکه s2 روی خط سیاه قرار گیرد در این صورت هر دو موتور روشن میگردد ( شکل بالا ) .
اما بدیهی است که ربات به طور کامل در مسیر قرار نمیگیرد . در این صورت پس از قرار گرفتن s2 روی خط سیاه ربات به حرکمدار ربات همانطور که از شکل پیداست از سه قسمت اصلي سنسورها ، مدار کنترل گر و موتورها تشکیل شده است که در قسمت اول ( سنسورها ) از دو قسمت فرستنده و گیرنده ، قسمت دوم از بخشهای تایمر ، حافظه نگهدارنده ( با استفاده از ترانزیستور ) و بخش های خروجی و ورودی و رابط تشکیل شده است . همچنین قسمت موتور ها دو بخش رله و بخش موتورها را داراست که به ترتیب هر یک را توضیح می دهم :
1- سنسورها :
در لین ربات به علت وجود 3 سنسور از سه گیرنده استفاده شده است که سنسور گیرنده پس از دریافت امواج باز تابیده شده حاصل از فرستنده IC UA741 ، را فعال نموده و این IC پس از تقویت سیگنال ارسالی ، آنها را بوسیله دیودهای موجود یکسو نموده و ترانزیستورهای T1 , T2 پس از تقویت جریان و ایجاد ولتاژ لازم ( ولتاژ بالا – 1 - ولتاژ پایین – 0 - ) را برای استفاده در بخش دوم تامین می کنند .
ب ) فرستنده ها :
در طراحی این ربات برای ایجاد سیگنال مادون قرمز از یک فرستنده برای سه سنسور مادون قرمز استفاده شده است که سیگنال یک کیلو هرتز مورد نیاز را در ترانزیستور های نام برده همراه خازن های C! , C2 و مقاومت های R1 , R2 , R3 , R4ایجاد کرده و با مقاومت ، این جریان را محدود کرده و به فرستنده ها ارسال می کند .
2 – کنترل گر :
همانطور که از شکل مدار پیداست از شش گیت NOT (IC 40106) استفاده شده است که مقاومت های R1 , R2 , R3 برای بایاس این ای سی بکار رفته است .
ب ) تایمر :
تایمر از دو گیت NOR , IC 4001 استفاده شده است که C2 , R7 نیز تاخیر زمان لازم را برای این کار ایجاد مینمایند .
پ ) حافظه نگهدارنده :
قسمت اصلی آن دو تریستور TH1 , TH2 می باشند و T1 ,T2 , T3 , T4 برای بایاس و کنترل جهت جریان و R6 , R8 برای بایاس ترانزیستورها بکار رفته اند .
ت ) خروجی :
از آی سی مولتی پلکسر 4066 که از 4 کلید دو طرفه تشکیل شده است استفاده شده که در حقیقت جهت موتورها را کنترل میکند . در این قسمت دو کلید بطور موازی بکار رفته اند تا جریان خروجی برای قسمت موتورها بیشتر گردد .
ث ) رابط :
که بین بخشهای مختلف مدار به کار رفته اند تا با NOR , NAND کردن خروجی حاصل از هر بخش ، جریان و ولتاژ لازم را برای بخش های بعدی تامین نماید که قسمت عمده آن از IC 4011 و IC4001 تشکیل شده است .
3 – موتورها :
قابلیتها :
منبع:دینامیک و کنترل ربات : دکتر فاتح ، انتشارات دانشگاه صنعتی شاهرود
/خ
