مکاترونیک

معنی لغوی:

مکاترونیک تركيبى از دو بخش «مكا» مخفف مکانیک و «ترونيك» مخفف الکــترونیک است.

تعریف

مكاترونيك بسياري تكنيكها را كنار هم جمع مي‌كند: مهندسي مكانيك ، مهندسي الكترونيك ، مهندسي برق، مهندسي كامپيوتر و مهندسي كنترل. چنين چيزي مي‌تواند به عنوان كاربردي از كامپيوتر بر پايه تكنيك‌هاي كنترل رقمي(ديجيتال)، همراه واسطه‌هاي الكتريكي و الكترونيكي براي حل مسايل مكانيكي باشد مكاترونيك فرصت يك نگاه تازه به مسايل را فراهم مي‌كند و مهندسان مكانيك نه‌تنها مسايل را با اصول مكانيكي مي‌بينند، بلكه آن را بر پايه بسياري فناوري‌هاي ديگر مشاهده مي‌كنند. الكترونيك و ... به عنوان يك تكنيك مجرد براي سخت افزارهاي مكانيكي نبايد فرض شود. يك رهيافت مكاترونيكي نياز به طراحي مناسب دارد، بايد يك فكر تازه در مورد نيازها و اقلام ضروري در اين تكنيك صورت گيرد. كاربردهاي زيادي از مكاترونيك در توليدات به كاررفته در خانه وجود دارد. كنترل كننده‌هاي بر پايه ريزپردازنده‌ها در ماشين‌هاي لباسشويي خانگي، ماشين‌هاي ظرفشويي، اجاق‌هاي ميكروويو( موج كوتاه) دوربين‌ها، ساعت ها و سيستم‌هاي ضبط ويديويي، سيستم‌هاي گرمايش مركزي، چرخ هاي خياطي و ... وجود دارد. اين سيستم‌ها در خودروها، در فعاليت ماشينهاي بالابر، ترمزها و كنترل موتور، نمايشگر سرعت موتور، انتقال و ... يافت مي‌شود كاربرد وسيعتر مكاترونيك يك سيستم انعطاف پذير مهندسي توليد است كه شامل ماشين هاي كنترل شده"ربات ها، انتقال خودكار مواد و كنترل‌هاي نظارتي است .

تاریخچه مکاترونیک

واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه 60 توسط يك شرکت ژاپني به نام ياسكاوا الكتريك مورد استفاده قرار گرفت آن هم براي كنترل الكترونيكي موتورهاي الكتريكي ساخت اين شركت. اين واژه با آميخته شدن قطعات مكانيكي و حجم وسيعي از قطعات الكترونيكي نظير سنسورها، كنترل کنندها و وسايل الكترونيكي نوري به واژه اي فراگير تبديل شد.
بزودي ژاپني ها به عنوان بزرگترين توليد كننده روباتهاي صنعتي از انواع سيستمهاي مكاترونيك پيشرفته در كاربردهاي توليد صنعتي استفاده نمودند. همچنين ژاپن بزرگترين حجم توليد انواع اجزاء مكاترونيك نظير موتورهاي با عملكرد بالا و سنسورهاي تصويري CCD را در اختيار داشته و جزء اولين توسعه دهندگان و توليد كنندگان ميكروكنترلرها و پردازشگرهاي ديجيتال براي كاربردهاي مكاترونيك مي باشد.
واژه مكاترونيك در اروپا نيز بصورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذيرش اين موضوع بعنوان يك فيلد مطالعاتي جداگانه بكندي پيشرفت، اما رشد روز افزون كاربردهاي اين شاخه علمي، گواهي پذيرش جهاني اين موضوع بود.
تا اوايل دهه 1980 مكاترونيك تنها به مكانيزمهاي الكتريكي اطلاق ميشد. در اواسط دهه 1980 اين موضوع به علم مهندسي در مرز مشترك الكترونيك و مكانيك گفته مي شد. اما امروزه اين واژه، محدوده عظيمي از تكنولوژيهاي مرتبط با مكانيك، الكترونيك و نرم افزارهاي كامپيوتري يا تكنولوژي اطلاعات را در بر مي گيرد. به عبارت بهتر مکاترونيک شاخه ای از علوم مهندسی است که در ارتباط با ترکيب علوم مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر بحث می کند. اجزاء يک سيستم مکاترونيکی شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، ميکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهای کنترلی بلادرنگ (Real-Time) می باشد.
معرفی چند واژه در مکاترونیک:

سنسورها

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند.

عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.
سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل می‌آید:
سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند.
سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.
سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.
سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به‌ ‌همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به دو قسمت تقسیم می‌شوند:
1. سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند.
سنسورهای تشخیص تماس
سنسورهای نیرو-فشار
2. سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار می‌دهند.

حسگرهاي مورد استفاده در رباتيك:

در يك دسته بندي كلي حسگرهاي مورد استفاده در رباتها را مي توان در يک دسته خلاصه كرد:
– حسگرهاي تماسي ( Contact )
مهمترين كاربردهاي اين حسگرها به اين شرح مي باشد:
– آشكارسازي تماس دو جسم
– اندازه گيري نيروها و گشتاورهايي كه حين حركت ربات بين اجزاي مختلف آن ايجاد مي شود .

در شكل يك ميكرو سوئيچ يا حسگر تماسي نشان داده شده است. در صورت برخورد تيغه فلزي به مانع و فشرده شدن كليد زير تيغه همانند قطع و وصل شدن يك كليد ولتاŽ خروجي سوئيچ تغيير مي كند.
– حسگرهاي هم جواري (Proximity )
آشكارسازي اشيا نزديك به روبات مهمترين كاربرد اين حسگرها مي باشد.
انواع مختلفي از حسگرهاي هم جواري در بازار موجود است از جمله مي توان به موارد زير اشاره نمود:
– القايي
– اثرهال
– خازني
– اولتراسونيك
– نوري

– حسگرهاي دوربرد ( Far away)
كاربرد اصلي اين حسگرها به شرح زير مي باشد:
– فاصله سنج (ليزو و اولتراسونيك)
– بينايي (دوربينCCD)

در شكل يك زوج گيرنده و فرستنده اولتراسونيك (ماورا صوت) نشان داده شده است. اساس كار  اين حسگرها بر مبناي پديده داپلر مي باشد.
- حسگر نوري (گيرنده-فرستنده)
يكي از پركاربردترين حسگرهاي مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهاي نوري هستند. حسگر نوري گيرنده- فرستنده از يك ديود نوراني (فرستنده) و يك ترانزيستور نوري (گيرنده) تشكيل شده است.
خروجي اين حسگر در صورتيكه مقابل سطح سفيد قرار بگيرد 5 ولت و در صورتي كه در مقابل يك سطح تيره قرار گيرد صفر ولت مي باشد. البته اين وضعيت مي تواند در مدلهاي مختلف حسگر برعكس باشد. در هر حال اين حسگر در مواجهه با دو سطح نوري مختلف ولتاژ متفاوتي توليد مي كند.

در زير يك نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوري گيرنده فرستنده نشان داده شده است. مقادير مقاوتهاي نشان داده شده در مدلهاي متفاوت متغيير است و با مطالعه ديتا شيت آنها مي توان مقدار بهينه مقاومت را بدست آورد.

میکرو کنترلر (Microcontroller)

کلمه میکروکنترلر از دو کلمه میکرو و کنترلر تشکیل شده است که میکرو یک واحد یونانی است و برابر با 10 به توان منفی 6 متر است. یعنی یک ملیونیوم متر کنترلر نیز به معنای کنترل کننده است.

میکرو کنترلر به دو صورت می تواند عمل کند
بر مبنای ورودی هایی که به آن داده می شود خروجی خود را تنظیم می کند.
یا اینکه ورودی تعریف نشود و تنها بر اساس برنامه عمل کند و خروجی فقط بر اساس برنامه باشد.
به آی سی هایی که قابل برنامه ریزی می باشد و عملکرد آنها از قبل تعیین شده میکروکنترلرگویند میکرو کنترلر ها دارای ورودی - خروجی و قدرت پردازش می باشد که از بخش های مختلفی چون
Cpu (واحد پردازش)
Alu (واحد محاسبات)
I /O (ورودی ها و خروجی ها)
Ram حافظه اصلی میکرو
Rom حافظه ای که برنامه روی آن ذخیره می گردد
Timer برای کنترل زمان ها
می باشد. علاوه برآن میکروکنترلرها دارای خانواده های مختلفی چون PIC - AVR – 8051 ها می شوند . از قابلیت های فوق العاده میکرو کنترلر ها و مزیت آنها قابلیت برنامه ریزی آنها می باشد و دارای کامپایلرهای خاصی می باشند که با زبان های Assembly basic, c می توان برای آنها برنامه نوشت سپس برنامه نوشته شده را توسط دستگاهی به نام programmer که در این دستگاه ای سی قرار می گیرد و توسط یک کابل که قابلیت اتصال به یکی از پورت های کامپیوتر را دارد برنامه نوشته شده روی آی سی انتقال پیدا می کند و در Rom (حافظه) آن ذخیره می شود این آی سی ها حکم یک کامپیوتر در ابعاد کوچک و قدرت کمتر را دارند و بیشتربرای کنترل استفاده می شود و طبق الگوریتم برنامه آن عمل می شود این آی سی ها برای کنترل ربات ها تا استفاده در کارخانه صنعتی کاربرد دارند. برای شروع کار با یک میکروکنترلر که در رباتیک کاربردهای فراوانی از آن را خواهید دید در ابتدا لازم است یک زبان برنامه نویسی مانند C , Basic را بیاموزید

محصولات مكاترونيكى

فناورى مكاترونيك در بسيارى از زمينه ها كاربرد روزافزونى پيدا كرده است كه در اينجا به بعضى از آنها اشاره مى كنيم. در صنايع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با كنترل الكترونيكى به جاى كنترل كننده سنتى آن يعنى كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنين سيستم ترمزهاى ضدقفل، سيستم تهويه هواى اتوماتيك، فرمان هاى با كمك الكتريكى _ هيدروليكى، خودروهاى الكتريكى _ تركيبى و… از ديگر كاربردهاى فناورى مكاترونيك در صنايع خودروسازى هستند.
در زمينه محصولات صنعتى با مصارف خانگى، مى توان به ماشين هاى لباسشويى و يا خشك كن جديد اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژى، صرفه جويى در مصرف آب و همچنين افزايش كيفيت، بهبود فراوانى يافته است.
در محصولات صنعتى با كاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسكنرهاى ليزرى، دستگاه هاى كپى ديجيتال و يا ديسك درايوهاى جديد اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونيكى هستند.
در زمينه صنايع دفاعى مى توان به سيستم هاى هدايت موشك و يا سلاح هاى هوشمند اشاره كرد. همچنين از ديگر محصولات مكاترونيكى، دوربين هاى خودتنظيم، ماشين هاى ابزار كامپيوترى و روبوت هاى صنعتى هستند كه تاثير فراوانى در كاهش هزينه و زمان توليد و بهبود كيفيت محصولات توليدى گذاشته اند.

سابقه مکاترونیک در ایران

در سنوات اخير به منظور گسترش و پیشبرد و ارتقای علمی - تخصصی و ایجاد شبکه ارتباطی میان صاحب نظران، محققان و کارشناسان و بهبود بخشیدن به امور آموزشی و پژوهشی در زمینه‌های مرتبط با علم مکاترونیک، انجمن مکاترونیک در ایران تشکیل گرديده‌است . امروزه زمینه تخصصی مکاترونیک در همه جای جهان شناخته شده‏است . تعداد مجلات علمی و کنفرانس‌های مختص رشته مکاترونیک نیز به صورتی فراگیر در حال گسترش است . در حــوزه صنعت نـیز شرکـت‌های بین المـللی با بهره گیری از این تخصص اقدام به تولید و عرضه محصولاتی کرده‌اند که طیف آن از دوربین‌های پیشرفته ، روبات‌های انسان گون،دستگاه‌های پزشکی و خودروهای هوشمند گرفته تا محصولات بدیع نظامی و هوا فضایی است. رشته مکاترونیک در ایران و بسیاری از کشورهای جهان با نام روباتیک در هم آمیخته‌است در واقع روباتها یکی از جلوه‌های کلاسیک محصولاتی هستند که بر پایه علم مکاترونیک طراحی و ساخته می‌شوند. با این توصیف، علم مکاترونیک در ایران نیز سابقه‌ای ۱۵ تا ۲۰ساله داشته . و با توجه به کاربرد روزافزون محصولات پیچیده و مرکب در صنایع کشور، ضرورت ایجاد ساختارهای جدید برای توسعه دانش مکاترونیک و تربیت نیروهای متخصص روز آمد اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌است. با توجه به ماهیت میان رشته‌ای دانش مکاترونیک و حجم وسیعی از تولیدات عملی کشور که عملا ارتباط مستقیمی با تخصص مکاترونیک دارند، تأسیس دوره‌های آموزشی مکاترونیک در هنرستان‏های فنی، آموزشکده‏ها و دانشگاه‏ها، به عنوان محملی برای تشویق و تسهیل تعاملات عملی و فناوری ضروری به نظر می‌رسید. با توجه به تولید دستگاههای هوشمند، نیاز به این رشته نمود بسیاری پیدا کرد. امروزه از لوازم خانگی، خودروها تا صنایعی مثل پالایشگاه، نیروگاه، پتروشیمی و سیمان نیز از کاربردهای این علم استفاده می‌کنند. این رشته به سه گرایش رباتیک، اتوماسیون خطوط تولید و رابط انسان ماشین تقسیم می‌گردد. در حقیقت توسط این علم می‌توان سیستم‌های مکانیکی را به صورت هوشمند درآورد. سیستم‌های ترمز ABS در اتومبیل، دستگاههای CNC و کلیه سیستم‌های اتوماسیون را می‌توان از نمونه‌های بارز این علم دانست.
منابع:
http://fa.wikipedia.org
http://dbase.irandoc.ac.ir
http://daysystem.ir
http://www.study1000.com
http://college.um.ac.ir
/خ