مقدمه ای بر رباتیک

-1مقدمه

اتوماسیون در بخشهای مختلف صنعت و کارهای تولیدی در چند دهه اخیر ظهور پیدا کرده است و روز به روز نیز در حال توسعه می باشد. بیش از چند دهه از ظهور کارخانجات کاملاً مکانیزه که در آنها تمامی پروسه ها اتوماتیک بوده و نیروی انسانی در آن نقش اجرائی ندارد، نمی گذرد. اما در چند ساله اخیر شاهد بوجود آمدن کارخانجات مکانیزه ای بوده ایم که طراحی، ساخت و نحوه کار آنها واقعاً حیرت انگیز است. ایده و دانش کنترل اتوماتیک و استفاده از سیستمهای مکانیزه در کارخانجات به جنگ جهانی دوم می رسد. ما تحولات عظیم و چشمگیر آن در سالهای اخیر بوقوع پیوسته است.

رباتها جدیدترین مرحله تلاش انسان جهت صنایع اتوماتیک به شمار می روند. رباتها آن دسته از ماشینهای ساخت بشر هستند که لزوماً حرکتهایی شبیه انسان ندارند ولی توان تصمیم گیری و ایجاد و کنترل فعالیتهای از پیش تعیین شده را دارند.

شکل 1 : نمونه ای از استفاده از ربات در صنعت

2- تعریف ربات

دو تعریف موجود در رابطه با کلمه ربات از قرار زیر می باشند[9] :

1- تعریفــی که توسطConcise Oxford Dic. صورت گرفتــه است؛ ماشینی مکانیکی با ظاهر یک انسان که باهوش و مطیع بوده ولی فاقد شخصیت است. این تعریف چندان دقیق نیست، زیرا تمام رباتهای موجود دارای ظاهری انسانی نبوده و تمایل به چنین امری نیز وجود ندارد.

2- تعریفی که توسط مؤسسه ربات آمریکا صورت گرفته است؛ وسیله ای با دقت عمل زیاد که قابل برنامه ریزی مجدد بوده و توانایی انجام چند کار را دارد و برای حمل مواد، قطعات، ابزارها یا سیستم های تخصصی طراحی شده و دارای حرکات مختلف برنامه ریزی شده است و هدف از ساخت آن انجام وظایف گوناگون می باشد.

3- دسته بندی رباتها

رباتها در سطوح مختلف دو خاصیت مشخص را دارا می باشند :

1- تنوع در عملکرد

2- قابلیت تطبیق خودکار با محیط

به منظور دسته بندی رباتها لازم است که قادر به تعریف و تشخیص انواع مختلف آنــــــها باشیم. سه

دسته بندی مختلف در مورد رباتها وجود دارد. دسته بندی اتحادیــــــه رباتهای ژاپنی، دسته بندی

مؤسسه رباتیک آمریکا و دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی.[9]

1-3-دسته بندی اتحادیه رباتهای ژاپنی

انجمن رباتهای صنعتی ژاپن، رباتها را به شش گروه زیر تقسیم می کند :

1- یک دست مکانیکی که توسط اپراتور کار می کند : وسیله ای است که دارای درجات آزادی متعدد بوده و توسط عامل انسانی کار می کند.

2- ربات با ترکیبات ثابت : این دسته رباتها با ترکیبات ثابت طراحی می شوند. در این حالت یک دست مکانیکی کارهای مکانیکی را با قدمهای متوالی تعریف شده انجام می دهد و به سادگی ترتیب کارها قابل تغییر نیست.

3- ربات با ترکیبات متغیر : یک دست مکانیکی که کارهای تکراری را با قدمهای متوالی و با ترتیب تعریف شده، انجام می دهد و این ترتیب به سادگی قابل تغییر است.

4- ربات قابل آموزش : اپراتور در ابتدای امر به صورت دستی با هدایت یا کنترل ربات کاری را که باید انجام شود، انجام می دهد و ربات مراحل انجام وظیفه را در حافظه ضبط می کند. هر وقت که لازم باشد، می توان اطلاعات ضبط شده را از ربات درخواست نمود و ربات وظیفه درخواست شده را بصورت خودکار انجام می دهد.

5- ربات با کنترل عددی : اپراتور وظیفه ربات را توسط یک برنامه کامپیوتری به او تفهیم می نماید و نیازی به هدایت دستی ربات نیست. درواقع ربات با کنترل عددی، رباتی است که با برنامه کامپیوتری کار می کند.

6- ربات باهوش : این ربات درک از محیط و استعداد انجام کار با توجه به تغییر در شرایط و محدوده عمل کار را دارد.

2-3- دسته بندی مؤسسه رباتیک آمریکا

انستیتوی رباتیک آمریکا تنها موارد 3 و 4 و 5 و 6 را به عنوان ربات پذیرفته است.

3-3- دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی

مؤسسه ربات صنعتی فرانسوی، رباتها را به شکل زیر تقسیم کرده است :

نوع A : دستگاهی که توسط دست یا از راه دور کنترل می شود (مورد 1 طبقه بندی قبل).

نوع B : وسیلة حمل کننده خودکار با یک سیکل محاسبه شده از قبل (موارد 2 و 3 طبقه بندی قبل).

نوع C : دستگاهی قابل برنامه ریزی و با توانایی خود کنترل (موارد 4 و 5 طبقه بندی قبل).

نوع D : دستگاهی که قادر است اطلاعات معینی از محیط را بدست بیاورد و به عنوان ربات باهوش معروف است (مورد 6 طبقه بندی قبل).

4- اجزاء اصلی یک ربات

مهندسی ربات، مهندسیهای نرم افزار، سخت افزار، برق و مکانیک را در خدمت خود گرفته است. بعضی مواقع این علوم به حد کافی پیچیده می باشند. همچنانکه در شکل 2-2 مشاهده می شود هر ربات دارای 5 مؤلفه به شرح ذیل می باشد [9]و[15]:

1-4- بازوی مکانیکی ماهر(Mechanical Manipulator)

بازوی مکانیکی شامل چندین واصل است که با مفصلها به هم وصل می شوند. این واصلها در جهات مختلف در فضای کاری قادر به حرکت می باشند. حرکت یک مفصل بخصوص باعث حرکت یک یا چند واصل می شود. عامل تحریک مفصل می تواند مستقیماً یا از طریق بعضی انتقالات مکانیکی بر واصل بعدی متصل شود. به واصل نهایی بازوی مکانیکی وسیله کاری ربات وصل شده است که به آن عامل نهایی می گویند. هر یک از مفصلهای ربات یک محور مفصل دارند که واصل حول آن می چرخد. هر محور مفصل یک درجه آزادی(D.O.F.) تعریف می کند. بیشتر رباتها دارای 6 درجه آزادی می باشند به عبارت دیگر دارای 6 مفصل، بمنظور حرکت در 6 جهت. اولین سه مفصل ربات به عنوان محورهای اصلی شناخته می شوند. بطورکلی صرفنظر از جزئیات، محورهایی که برای محاسبه موقعیت

شکل 2 : مؤلفه های یک ربات

و استقرار مچ استفاده می شونــد، محورهای اصلی ربات هستند. محورهای مفصلهای باقیمانده جهت قرار گرفتن دست ربات را مشخص می کنند، ولذا محورهای فرعی نامیده می شوند.

دو نوع مفصل اصلی به صورت گسترده در صنعت رباتها بکار گرفته می شود. مفصل دورانی که نمایش دهنده حرکت چرخشی حول یک محور است و مفصل انتقالی یا لغزشی که نمایش دهنده حرکت خطی در طول یک محور است، (جدول 1).

Description Notation Type

Rotary motion about an axis R Revolute

Linear motion along an axis P Prismatic

جدول 1 : انواع مفصل ربات

2-4- سنسورها

برای کنترل صحیح بازوی مکانیکی بایستی وضعیت هر مفصل شناخته شده باشد. منظور از وضعیت، موقعیت مفصل، سرعت و شتاب می باشد. بنابراین در مفصلها بایستی سنسورهایی جهت دید مفصلها و وصلها جهت تعیین موقعیت، گشتاور، سرعت، شتاب، و ... نصب شود، تا وضعیت مفصلها به کنترلر ابلاغ شود. خواندن اطلاعات سنسور، یا در اتمام حرکت یا در حین حرکت انجام می گیرد و با ارسال اطلاعات آنی سنسورها به کنترلر، کنترل صحیح و واقعی سیستم مکانیکی انجام می شود. این اطلاعات سنسوری، دیجیتال یا آنالوگ و یا ترکیبی می باشند.

3-4- کنترلر

بخشی است که به بازوی مکانیکی، هوش انجام کار را می دهد. کنترلر معمولاً از بخشهای ذیل تشکیل می شود :

1- واحدی که اجازه می دهد ربات از طریق سنسورها با محیط بیرون ارتباط داشته باشد.

2- حافظه جهت ذخیره داده هایی که مختصات را تعریف می کنند تا بازو با توجه به این مختصات حرکت کند (برنامه).

3- واحدی که داده ذخیره شده در حافظه را تغییر می دهد و سپس داده را برای ارتباط دادن با مؤلفه های دیگر کنترل بکار می برد.

4- حرکت مؤلفه هــای بخصوصی در نقاط معینــی مقدار دهی اولیه شده و در نقطه بخصوص

دیگری پایان می یابند.

5- واحــد محاسباتی که محاسبــات لازم برای کنترلـر را انجام می دهد. به عبارت دیگر، برای

انجام صحیح اعمال بایست یک سری محاسبات جهت مشخص کردن مسیر، سرعت و موقعیت بازوی مکانیکی انجام شود.

6- واسطی جهت بدست آوردن داده ها (مختصات هر مفصل، اطلاعاتی از سیستم بینایی و ...) و واسطی جهت اعمال سیگنالهای کنترل به محرک مفصلها.

7- واسطی جهت انتقال اطلاعات کنترلر به واحد تبدیل توان، به طوری که محرک های مفصلها باعث بشوند که مفصلها به صورت مطلوب حرکت کنند.

8- واسط به تجهیزات دیگر، بطوری که کنترلر ربات با واحدهای خارجی یا ابزارهای کنترل دیگر، ارتباط داشته باشد.

9- وسایل و تجهیزات لازم جهت آموزش ربات.

کنترلرهای رباتها کلاً به 5 دسته تقسیم بندی می شوند :

1- کنترل با قدم ساده(Simple Step Sequencer)

2- سیستم منطقی پنوماتیکی(Pneumatic Logic System)

3- کنترلر با قدمهای الکترونیکی (Electronic Sequencer)

4- میکرو کامپیوتر (Micro Computer)

5- مینی کامپیوتر (Mini Computer)

سه کنترلر اول در رباتهای کم هزینه به کار برده می شوند. بیشتر کنترلرهای امروزی براساس میکروکامپیوترهای معمولی می باشند و سیستم کنترل براساس مینی کامپیوتر زیاد رایج نمی باشد، چرا که نسبت به میکروکامپیوترها هزینه بالاتری دارند.

4-4- واحد تبدیل توان

این واحد سیگنالهای کنترلر را گرفته و به یک سیگنال در سطح توان محرک ها و موتورها، جهت حرکت، تبدیــل می کند. این واحــد شامل تقویت کننده هـای توان الکترونیکی برای رباتهای الکتریکی و شیرهای کنترلی و راه اندازهای هیدرولیکی برای رباتهای هیدرولیکی می باشد.

مقدمه ای بر رباتیک

-1مقدمه

اتوماسیون در بخشهای مختلف صنعت و کارهای تولیدی در چند دهه اخیر ظهور پیدا کرده است و روز به روز نیز در حال توسعه می باشد. بیش از چند دهه از ظهور کارخانجات کاملاً مکانیزه که در آنها تمامی پروسه ها اتوماتیک بوده و نیروی انسانی در آن نقش اجرائی ندارد، نمی گذرد. اما در چند ساله اخیر شاهد بوجود آمدن کارخانجات مکانیزه ای بوده ایم که طراحی، ساخت و نحوه کار آنها واقعاً حیرت انگیز است. ایده و دانش کنترل اتوماتیک و استفاده از سیستمهای مکانیزه در کارخانجات به جنگ جهانی دوم می رسد. ما تحولات عظیم و چشمگیر آن در سالهای اخیر بوقوع پیوسته است.

رباتها جدیدترین مرحله تلاش انسان جهت صنایع اتوماتیک به شمار می روند. رباتها آن دسته از ماشینهای ساخت بشر هستند که لزوماً حرکتهایی شبیه انسان ندارند ولی توان تصمیم گیری و ایجاد و کنترل فعالیتهای از پیش تعیین شده را دارند.

شکل 1 : نمونه ای از استفاده از ربات در صنعت

2- تعریف ربات

دو تعریف موجود در رابطه با کلمه ربات از قرار زیر می باشند[9] :

1- تعریفــی که توسطConcise Oxford Dic. صورت گرفتــه است؛ ماشینی مکانیکی با ظاهر یک انسان که باهوش و مطیع بوده ولی فاقد شخصیت است. این تعریف چندان دقیق نیست، زیرا تمام رباتهای موجود دارای ظاهری انسانی نبوده و تمایل به چنین امری نیز وجود ندارد.

2- تعریفی که توسط مؤسسه ربات آمریکا صورت گرفته است؛ وسیله ای با دقت عمل زیاد که قابل برنامه ریزی مجدد بوده و توانایی انجام چند کار را دارد و برای حمل مواد، قطعات، ابزارها یا سیستم های تخصصی طراحی شده و دارای حرکات مختلف برنامه ریزی شده است و هدف از ساخت آن انجام وظایف گوناگون می باشد.

3- دسته بندی رباتها

رباتها در سطوح مختلف دو خاصیت مشخص را دارا می باشند :

1- تنوع در عملکرد

2- قابلیت تطبیق خودکار با محیط

به منظور دسته بندی رباتها لازم است که قادر به تعریف و تشخیص انواع مختلف آنــــــها باشیم. سه

دسته بندی مختلف در مورد رباتها وجود دارد. دسته بندی اتحادیــــــه رباتهای ژاپنی، دسته بندی

مؤسسه رباتیک آمریکا و دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی.[9]

1-3-دسته بندی اتحادیه رباتهای ژاپنی

انجمن رباتهای صنعتی ژاپن، رباتها را به شش گروه زیر تقسیم می کند :

1- یک دست مکانیکی که توسط اپراتور کار می کند : وسیله ای است که دارای درجات آزادی متعدد بوده و توسط عامل انسانی کار می کند.

2- ربات با ترکیبات ثابت : این دسته رباتها با ترکیبات ثابت طراحی می شوند. در این حالت یک دست مکانیکی کارهای مکانیکی را با قدمهای متوالی تعریف شده انجام می دهد و به سادگی ترتیب کارها قابل تغییر نیست.

3- ربات با ترکیبات متغیر : یک دست مکانیکی که کارهای تکراری را با قدمهای متوالی و با ترتیب تعریف شده، انجام می دهد و این ترتیب به سادگی قابل تغییر است.

4- ربات قابل آموزش : اپراتور در ابتدای امر به صورت دستی با هدایت یا کنترل ربات کاری را که باید انجام شود، انجام می دهد و ربات مراحل انجام وظیفه را در حافظه ضبط می کند. هر وقت که لازم باشد، می توان اطلاعات ضبط شده را از ربات درخواست نمود و ربات وظیفه درخواست شده را بصورت خودکار انجام می دهد.

5- ربات با کنترل عددی : اپراتور وظیفه ربات را توسط یک برنامه کامپیوتری به او تفهیم می نماید و نیازی به هدایت دستی ربات نیست. درواقع ربات با کنترل عددی، رباتی است که با برنامه کامپیوتری کار می کند.

6- ربات باهوش : این ربات درک از محیط و استعداد انجام کار با توجه به تغییر در شرایط و محدوده عمل کار را دارد.

2-3- دسته بندی مؤسسه رباتیک آمریکا

انستیتوی رباتیک آمریکا تنها موارد 3 و 4 و 5 و 6 را به عنوان ربات پذیرفته است.

3-3- دسته بندی اتحادیه فرانسوی رباتهای صنعتی

مؤسسه ربات صنعتی فرانسوی، رباتها را به شکل زیر تقسیم کرده است :

نوع A : دستگاهی که توسط دست یا از راه دور کنترل می شود (مورد 1 طبقه بندی قبل).

نوع B : وسیلة حمل کننده خودکار با یک سیکل محاسبه شده از قبل (موارد 2 و 3 طبقه بندی قبل).

نوع C : دستگاهی قابل برنامه ریزی و با توانایی خود کنترل (موارد 4 و 5 طبقه بندی قبل).

نوع D : دستگاهی که قادر است اطلاعات معینی از محیط را بدست بیاورد و به عنوان ربات باهوش معروف است (مورد 6 طبقه بندی قبل).

4- اجزاء اصلی یک ربات

مهندسی ربات، مهندسیهای نرم افزار، سخت افزار، برق و مکانیک را در خدمت خود گرفته است. بعضی مواقع این علوم به حد کافی پیچیده می باشند. همچنانکه در شکل 2-2 مشاهده می شود هر ربات دارای 5 مؤلفه به شرح ذیل می باشد [9]و[15]:

1-4- بازوی مکانیکی ماهر(Mechanical Manipulator)

بازوی مکانیکی شامل چندین واصل است که با مفصلها به هم وصل می شوند. این واصلها در جهات مختلف در فضای کاری قادر به حرکت می باشند. حرکت یک مفصل بخصوص باعث حرکت یک یا چند واصل می شود. عامل تحریک مفصل می تواند مستقیماً یا از طریق بعضی انتقالات مکانیکی بر واصل بعدی متصل شود. به واصل نهایی بازوی مکانیکی وسیله کاری ربات وصل شده است که به آن عامل نهایی می گویند. هر یک از مفصلهای ربات یک محور مفصل دارند که واصل حول آن می چرخد. هر محور مفصل یک درجه آزادی(D.O.F.) تعریف می کند. بیشتر رباتها دارای 6 درجه آزادی می باشند به عبارت دیگر دارای 6 مفصل، بمنظور حرکت در 6 جهت. اولین سه مفصل ربات به عنوان محورهای اصلی شناخته می شوند. بطورکلی صرفنظر از جزئیات، محورهایی که برای محاسبه موقعیت

شکل 2 : مؤلفه های یک ربات

و استقرار مچ استفاده می شونــد، محورهای اصلی ربات هستند. محورهای مفصلهای باقیمانده جهت قرار گرفتن دست ربات را مشخص می کنند، ولذا محورهای فرعی نامیده می شوند.

دو نوع مفصل اصلی به صورت گسترده در صنعت رباتها بکار گرفته می شود. مفصل دورانی که نمایش دهنده حرکت چرخشی حول یک محور است و مفصل انتقالی یا لغزشی که نمایش دهنده حرکت خطی در طول یک محور است، (جدول 1).

Description Notation Type

Rotary motion about an axis R Revolute

Linear motion along an axis P Prismatic

جدول 1 : انواع مفصل ربات

2-4- سنسورها

برای کنترل صحیح بازوی مکانیکی بایستی وضعیت هر مفصل شناخته شده باشد. منظور از وضعیت، موقعیت مفصل، سرعت و شتاب می باشد. بنابراین در مفصلها بایستی سنسورهایی جهت دید مفصلها و وصلها جهت تعیین موقعیت، گشتاور، سرعت، شتاب، و ... نصب شود، تا وضعیت مفصلها به کنترلر ابلاغ شود. خواندن اطلاعات سنسور، یا در اتمام حرکت یا در حین حرکت انجام می گیرد و با ارسال اطلاعات آنی سنسورها به کنترلر، کنترل صحیح و واقعی سیستم مکانیکی انجام می شود. این اطلاعات سنسوری، دیجیتال یا آنالوگ و یا ترکیبی می باشند.

3-4- کنترلر

بخشی است که به بازوی مکانیکی، هوش انجام کار را می دهد. کنترلر معمولاً از بخشهای ذیل تشکیل می شود :

1- واحدی که اجازه می دهد ربات از طریق سنسورها با محیط بیرون ارتباط داشته باشد.

2- حافظه جهت ذخیره داده هایی که مختصات را تعریف می کنند تا بازو با توجه به این مختصات حرکت کند (برنامه).

3- واحدی که داده ذخیره شده در حافظه را تغییر می دهد و سپس داده را برای ارتباط دادن با مؤلفه های دیگر کنترل بکار می برد.

4- حرکت مؤلفه هــای بخصوصی در نقاط معینــی مقدار دهی اولیه شده و در نقطه بخصوص

دیگری پایان می یابند.

5- واحــد محاسباتی که محاسبــات لازم برای کنترلـر را انجام می دهد. به عبارت دیگر، برای

انجام صحیح اعمال بایست یک سری محاسبات جهت مشخص کردن مسیر، سرعت و موقعیت بازوی مکانیکی انجام شود.

6- واسطی جهت بدست آوردن داده ها (مختصات هر مفصل، اطلاعاتی از سیستم بینایی و ...) و واسطی جهت اعمال سیگنالهای کنترل به محرک مفصلها.

7- واسطی جهت انتقال اطلاعات کنترلر به واحد تبدیل توان، به طوری که محرک های مفصلها باعث بشوند که مفصلها به صورت مطلوب حرکت کنند.

8- واسط به تجهیزات دیگر، بطوری که کنترلر ربات با واحدهای خارجی یا ابزارهای کنترل دیگر، ارتباط داشته باشد.

9- وسایل و تجهیزات لازم جهت آموزش ربات.

کنترلرهای رباتها کلاً به 5 دسته تقسیم بندی می شوند :

1- کنترل با قدم ساده(Simple Step Sequencer)

2- سیستم منطقی پنوماتیکی(Pneumatic Logic System)

3- کنترلر با قدمهای الکترونیکی (Electronic Sequencer)

4- میکرو کامپیوتر (Micro Computer)

5- مینی کامپیوتر (Mini Computer)

سه کنترلر اول در رباتهای کم هزینه به کار برده می شوند. بیشتر کنترلرهای امروزی براساس میکروکامپیوترهای معمولی می باشند و سیستم کنترل براساس مینی کامپیوتر زیاد رایج نمی باشد، چرا که نسبت به میکروکامپیوترها هزینه بالاتری دارند.

4-4- واحد تبدیل توان

این واحد سیگنالهای کنترلر را گرفته و به یک سیگنال در سطح توان محرک ها و موتورها، جهت حرکت، تبدیــل می کند. این واحــد شامل تقویت کننده هـای توان الکترونیکی برای رباتهای الکتریکی و شیرهای کنترلی و راه اندازهای هیدرولیکی برای رباتهای هیدرولیکی می باشد.