مقدمه اي بر رباتيك

-۱مقدمه
اتوماسيون در بخشهاي مختلف صنعت و كارهاي توليدي در چند دهه اخير ظهور پيدا كرده است و روز به روز نيز در حال توسعه مي باشد. بيش از چند دهه از ظهور كارخانجات كاملاً مكانيزه كه در آنها تمامي پروسه ها اتوماتيك بوده و نيروي انساني در آن نقش اجرائي ندارد، نمي گذرد. اما در چند ساله اخير شاهد بوجود آمدن كارخانجات مكانيزه اي بوده ايم كه طراحي، ساخت و نحوه كار آنها واقعاً حيرت انگيز است. ايده و دانش كنترل اتوماتيك و استفاده از سيستمهاي مكانيزه در كارخانجات به جنگ جهاني دوم مي رسد. ما تحولات عظيم و چشمگير آن در سالهاي اخير بوقوع پيوسته است.

رباتها جديدترين مرحله تلاش انسان جهت صنايع اتوماتيك به شمار مي روند. رباتها آن دسته از ماشينهاي ساخت بشر هستند كه لزوماً حركتهايي شبيه انسان ندارند ولي توان تصميم گيري و ايجاد و كنترل فعاليتهاي از پيش تعيين شده را دارند.

شكل ۱ : نمونه اي از استفاده از ربات در صنعت

۲- تعريف ربات
دو تعريف موجود در رابطه با كلمه ربات از قرار زير مي باشند[۹] :
۱- تعريفــي كه توسطConcise Oxford Dic. صورت گرفتــه است؛ ماشيني مكانيكي با ظاهر يك انسان كه باهوش و مطيع بوده ولي فاقد شخصيت است. اين تعريف چندان دقيق نيست، زيرا تمام رباتهاي موجود داراي ظاهري انساني نبوده و تمايل به چنين امري نيز وجود ندارد.

۲- تعريفي كه توسط مؤسسه ربات آمريكا صورت گرفته است؛ وسيله اي با دقت عمل زياد كه قابل برنامه ريزي مجدد بوده و توانايي انجام چند كار را دارد و براي حمل مواد، قطعات، ابزارها يا سيستم هاي تخصصي طراحي شده و داراي حركات مختلف برنامه ريزي شده است و هدف از ساخت آن انجام وظايف گوناگون مي باشد.
۳- دسته بندي رباتها
رباتها در سطوح مختلف دو خاصيت مشخص را دارا مي باشند :
۱- تنوع در عملكرد
۲- قابليت تطبيق خودكار با محيط
به منظور دسته بندي رباتها لازم است كه قادر به تعريف و تشخيص انواع مختلف آنــــــها باشيم. سه
دسته بندي مختلف در مورد رباتها وجود دارد. دسته بندي اتحاديــــــه رباتهاي ژاپني، دسته بندي
مؤسسه رباتيك آمريكا و دسته بندي اتحاديه فرانسوي رباتهاي صنعتي.[۹]
۱-۳-دسته بندي اتحاديه رباتهاي ژاپني
انجمن رباتهاي صنعتي ژاپن، رباتها را به شش گروه زير تقسيم مي كند :
۱- يك دست مكانيكي كه توسط اپراتور كار مي كند : وسيله اي است كه داراي درجات آزادي متعدد بوده و توسط عامل انساني كار مي كند.
۲- ربات با تركيبات ثابت : اين دسته رباتها با تركيبات ثابت طراحي مي شوند. در اين حالت يك دست مكانيكي كارهاي مكانيكي را با قدمهاي متوالي تعريف شده انجام مي دهد و به سادگي ترتيب كارها قابل تغيير نيست.

۳- ربات با تركيبات متغير : يك دست مكانيكي كه كارهاي تكراري را با قدمهاي متوالي و با ترتيب تعريف شده، انجام مي دهد و اين ترتيب به سادگي قابل تغيير است.
۴- ربات قابل آموزش : اپراتور در ابتداي امر به صورت دستي با هدايت يا كنترل ربات كاري را كه بايد انجام شود، انجام مي دهد و ربات مراحل انجام وظيفه را در حافظه ضبط مي كند. هر وقت كه لازم باشد، مي توان اطلاعات ضبط شده را از ربات درخواست نمود و ربات وظيفه درخواست شده را بصورت خودكار انجام مي دهد.
۵- ربات با كنترل عددي : اپراتور وظيفه ربات را توسط يك برنامه كامپيوتري به او تفهيم مي نمايد و نيازي به هدايت دستي ربات نيست. درواقع ربات با كنترل عددي، رباتي است كه با برنامه كامپيوتري كار مي كند.

۶- ربات باهوش : اين ربات درك از محيط و استعداد انجام كار با توجه به تغيير در شرايط و محدوده عمل كار را دارد.

۲-۳- دسته بندي مؤسسه رباتيك آمريكا
انستيتوي رباتيك آمريكا تنها موارد ۳ و ۴ و ۵ و ۶ را به عنوان ربات پذيرفته است.

۳-۳- دسته بندي اتحاديه فرانسوي رباتهاي صنعتي

مؤسسه ربات صنعتي فرانسوي، رباتها را به شكل زير تقسيم كرده است :
نوع A : دستگاهي كه توسط دست يا از راه دور كنترل مي شود (مورد ۱ طبقه بندي قبل).
نوع B : وسيلة حمل كننده خودكار با يك سيكل محاسبه شده از قبل (موارد ۲ و ۳ طبقه بندي قبل).

نوع C : دستگاهي قابل برنامه ريزي و با توانايي خود كنترل (موارد ۴ و ۵ طبقه بندي قبل).
نوع D : دستگاهي كه قادر است اطلاعات معيني از محيط را بدست بياورد و به عنوان ربات باهوش معروف است (مورد ۶ طبقه بندي قبل).

۴- اجزاء اصلي يك ربات
مهندسي ربات، مهندسيهاي نرم افزار، سخت افزار، برق و مكانيك را در خدمت خود گرفته است. بعضي مواقع اين علوم به حد كافي پيچيده مي باشند. همچنانكه در شكل ۲-۲ مشاهده مي شود هر ربات داراي ۵ مؤلفه به شرح ذيل مي باشد [۹]و[۱۵]:

۱-۴- بازوي مكانيكي ماهر(Mechanical Manipulator)
بازوي مكانيكي شامل چندين واصل است كه با مفصلها به هم وصل مي شوند. اين واصلها در جهات مختلف در فضاي كاري قادر به حركت مي باشند. حركت يك مفصل بخصوص باعث حركت يك يا چند واصل مي شود. عامل تحريك مفصل مي تواند مستقيماً يا از طريق بعضي انتقالات مكانيكي بر واصل بعدي متصل شود. به واصل نهايي بازوي مكانيكي وسيله كاري ربات وصل شده است كه به آن عامل نهايي مي گويند. هر يك از مفصلهاي ربات يك محور مفصل دارند كه واصل حول آن مي چرخد. هر محور مفصل يك درجه آزادي(D.O.F.) تعريف مي كند. بيشتر رباتها داراي ۶ درجه آزادي مي باشند به عبارت ديگر داراي ۶ مفصل، بمنظور حركت در ۶ جهت. اولين سه مفصل ربات به عنوان محورهاي اصلي شناخته مي شوند. بطوركلي صرفنظر از جزئيات، محورهايي كه براي محاسبه موقعيت

شكل ۲ : مؤلفه هاي يك ربات

و استقرار مچ استفاده مي شونــد، محورهاي اصلي ربات هستند. محورهاي مفصلهاي باقيمانده جهت قرار گرفتن دست ربات را مشخص مي كنند، ولذا محورهاي فرعي ناميده مي شوند.
دو نوع مفصل اصلي به صورت گسترده در صنعت رباتها بكار گرفته مي شود. مفصل دوراني كه نمايش دهنده حركت چرخشي حول يك محور است و مفصل انتقالي يا لغزشي كه نمايش دهنده حركت خطي در طول يك محور است، (جدول ۱).

Description Notation Type
Rotary motion about an axis R Revolute
Linear motion along an axis P Prismatic

جدول ۱ : انواع مفصل ربات
۲-۴- سنسورها
براي كنترل صحيح بازوي مكانيكي بايستي وضعيت هر مفصل شناخته شده باشد. منظور از وضعيت، موقعيت مفصل، سرعت و شتاب مي باشد. بنابراين در مفصلها بايستي سنسورهايي جهت ديد مفصلها و وصلها جهت تعيين موقعيت، گشتاور، سرعت، شتاب، و … نصب شود، تا وضعيت مفصلها به كنترلر ابلاغ شود. خواندن اطلاعات سنسور، يا در اتمام حركت يا در حين حركت انجام مي گيرد و با ارسال اطلاعات آني سنسورها به كنترلر، كنترل صحيح و واقعي سيستم مكانيكي انجام مي شود. اين اطلاعات سنسوري، ديجيتال يا آنالوگ و يا تركيبي مي باشند.

۳-۴- كنترلر
بخشي است كه به بازوي مكانيكي، هوش انجام كار را مي دهد. كنترلر معمولاً از بخشهاي ذيل تشكيل مي شود :
۱- واحدي كه اجازه مي دهد ربات از طريق سنسورها با محيط بيرون ارتباط داشته باشد.
۲- حافظه جهت ذخيره داده هايي كه مختصات را تعريف مي كنند تا بازو با توجه به اين مختصات حركت كند (برنامه).

۳- واحدي كه داده ذخيره شده در حافظه را تغيير مي دهد و سپس داده را براي ارتباط دادن با مؤلفه هاي ديگر كنترل بكار مي برد.
۴- حركت مؤلفه هــاي بخصوصي در نقاط معينــي مقدار دهي اوليه شده و در نقطه بخصوص
ديگري پايان مي يابند.

۵- واحــد محاسباتي كه محاسبــات لازم براي كنترلـر را انجام مي دهد. به عبارت ديگر، براي
انجام صحيح اعمال بايست يك سري محاسبات جهت مشخص كردن مسير، سرعت و موقعيت بازوي مكانيكي انجام شود.
۶- واسطي جهت بدست آوردن داده ها (مختصات هر مفصل، اطلاعاتي از سيستم بينايي و …) و واسطي جهت اعمال سيگنالهاي كنترل به محرك مفصلها.

۷- واسطي جهت انتقال اطلاعات كنترلر به واحد تبديل توان، به طوري كه محرك هاي مفصلها باعث بشوند كه مفصلها به صورت مطلوب حركت كنند.
۸- واسط به تجهيزات ديگر، بطوري كه كنترلر ربات با واحدهاي خارجي يا ابزارهاي كنترل ديگر، ارتباط داشته باشد.
۹- وسايل و تجهيزات لازم جهت آموزش ربات.

كنترلرهاي رباتها كلاً به ۵ دسته تقسيم بندي مي شوند :
۱- كنترل با قدم ساده(Simple Step Sequencer)
2- سيستم منطقي پنوماتيكي(Pneumatic Logic System)
3- كنترلر با قدمهاي الكترونيكي (Electronic Sequencer)
4- ميكرو كامپيوتر (Micro Computer)
5- ميني كامپيوتر (Mini Computer)

سه كنترلر اول در رباتهاي كم هزينه به كار برده مي شوند. بيشتر كنترلرهاي امروزي براساس ميكروكامپيوترهاي معمولي مي باشند و سيستم كنترل براساس ميني كامپيوتر زياد رايج نمي باشد، چرا كه نسبت به ميكروكامپيوترها هزينه بالاتري دارند.

۴-۴- واحد تبديل توان
اين واحد سيگنالهاي كنترلر را گرفته و به يك سيگنال در سطح توان محرك ها و موتورها، جهت حركت، تبديــل مي كند. اين واحــد شامل تقويت كننده هـاي توان الكترونيكي براي رباتهاي الكتريكي و شيرهاي كنترلي و راه اندازهاي هيدروليكي براي رباتهاي هيدروليكي مي باشد.

۵-۴- محرك مفاصل
اين وسائـل تحت يك ســري شرايط كنتـــرل شده و دقيــق توان لازم را جهت مفصلها فراهم مي آورند. اين توان مي تواند الكتريكي، هيدروليكي يا پنوماتيكي باشد. پس به طور خلاصه يك ربات داراي مؤلفه هاي؛ اسكلت ساختاري، سيستم تحريك كننده مفصلها، سيستم سنسوري، كنترلر، سيستم تغيير سيگنال (تغيير سيگنال آنالوگ به ديجيتال و بالعكس، تقويت سيگنال، فيلتر كردن سيگنال و …) مي باشد.

در شكل ۳ سلسله مراتب ساختاري يك ربات متحرك را مشاهده مي كنيد. هر ماجول در شكل قابل تجزيه به زير سيستم هايي مي باشد. هم اينك رباتها با مفصلهاي متحرك به خاطر سادگي ساخت و سرعت عمل و نزديكي آن به قابليت انعطاف بازوي انسان، در صنعت به طور وسيع استفاده مي شوند.

شكل ۳ : سلسله مراتب زير سيستم هاي يك ربات متحرك نمونه

۵- طبقه بندي رباتها
تا بحال طرح هاي زيادي در طبقه بندي رباتها ارائه شده است كه بيشتر آنها به بعضي جوانب رفتاري يا فيزيكي ربات توجه داشته اند. ولي طبقه بندي استانداردي در مورد ربات وجود ندارد. با طبقه بندي رباتها مي توان مشخصه هاي آنها را با هم مقايسه كرد و براي يك كاربرد بخصوص، ربات مناسب را انتخاب كرد.[۹،۱۱و۲۱]

۱-۵- طبقه بندي رباتها از نقطه نظر كاربرد
از نقطه نظر كاربرد، رباتها را مي توان به سه دسته تقسيم كرد :

۱-۱-۵- رباتهاي صنعتي
بسياري از رباتها قادر به انجام عمليات لازم براي توليدات صنعتي مي باشند. رباتهاي جوشكار، رنگ پاش، مونتاژ كننده و غيره، رباتهايي مي باشند كه در صنعت كاربرد فراواني دارند.

۲-۱-۵- رباتهاي شخصي و علمي
بيشتر رباتهاي علمي قابليتهاي بهتري نسبت به رباتهاي صنعتي دارند. اين گونه رباتها در تعداد كم ساخته مي شوند و هدف اصلي بهره برداري علمي از آنهاست. اين گونه رباتها بيشتر در زمينه تحقيق در هوش مصنوعي ساخته مي شوند و كنترلر بخصوصي ندارند و يك كامپيوتر از طريق زبانهــاي برنامه نويســـي سطح بالا كنترلــر آنها مي باشد. معمولاً به خاطر سرعت و دقت كم، قيمت كمتري دارند.

۳-۱-۵- رباتهاي نظامي
اين رباتها داراي مواد منفجره و سلاح هاي گردان مي باشند و با محيط خود از طريق سنسور ارتباط برقرار مي كنند. همچنين اين رباتها قادر به ارتباط برقرار كردن با اپراتور انسان و ديگر سيستم ها مي باشند.

۲-۵- طبقه بندي از نقطه نظر استراتژي كنترل در نسلهاي ربات
اين تقسيم بندي ها در حقيقت متكي به اصول سيستمهاي كنترلي رباتهاست و بصورت زير نامگذاري شده اند :

۱-۲-۵- نسل اول
در اولين نسل، كنترل فقط در يك سري نقاط توقف انجام مي گيرد. اينگونه كنترل به كنترل حلقه باز معروف مي باشد. اين نوع رباتها محدود به انجام حركات كوچك (حركت دادن قطعه اي از يك نقطه به نقطه ديگر) مي باشند.
۲-۲-۵- نسل دوم
ساختار كنترلي اين نسل همان ساختار حلقه باز مي باشد ولي بعوض يك سري كليدهاي كنترلي، حركات كنترلي توسط يك سري عدد كه در حافظه سيستم ضبط شده اند، انجام مي گيرد. بعضي رباتهاي امروزي جزو همين نسل مي باشند كه به نسل اول كلي قابليت و توان كامپيوتري اضافه كرده اند و تنها كار هوشمند آنها يادگيري يك سري از عمليات براي بازوي مكانيكي مي باشد كه توسط اپراتور انسان و به كمك جعبه كنترل انجام مي گيرد. اين رباتها قابليت نشان دادن عكس العمل در برابر حوادث پيش بيني نشده را ندارند. به عبارت ديگر، بخش كنترلر در نسل اول مكانيكي و در اين نسل الكترونيكي مي باشد.

براي اين رباتها بايستي محيط كارخانه با دقت هر چه تمامتر مناسب آنها وفق داده شود، قطعات با دقت زياد در موقعيت مناسب خود قرار گيرند و روابط بين ماشينها به دقت معين شوند. بيشتر كاربرد اينگونه رباتها در كاربردهاي جوشكاري و رنگ پاشي مي باشد. شكل ۴-۲ شماتيك كنترل نسل اول و دوم را نشان مي دهد.

شكل ۴ : كنترلر نسل اول و دوم رباتها
۳-۲-۵- نسل سوم
از اختراع نسل سوم رباتها ۱۵ تا ۲۰ سال مي گذرد. سيستم كنترلي اين نسل به كنترل حلقه بسته معروف مي باشد. در اين نسل، كنترلر ربات يا يك كامپيوتر مي باشد و يا يك پروسسور ارزان قيمت مي باشد كه به آن اضافه شده است. بدين ترتيب رباتهاي نسل دوم داراي قابليتهاي زيادتري شده و نسل سوم بوجود آمده است. با اضافه شدن قدرت

محاسبات كامپيوتري، محاسبات لازم براي كنترل حركت هر درجه ازادي جهت انجام حركت صاف عامل نهايي در طول مسير تعيين شده، بصورت بلادرنگ انجام مي گيرد. وضعيت محيط اطراف از طريق سنسورهاي نيرو و گشتاور اخذ شده و در كنترل بكار گرفته مي شود. با حضور سنسورهاي متفاوت، چندين ربات مي توانند بي هيچ مشكلي كارهاي متفاوتي را انجام دهند. برنامه ريزي اينگونه رباتها به كمك يك سري زبانهاي سطح بالا انجام مي گيرد.
شماتيك كل اين سيستمها را در شكل ۵-۲ مشاهده مي كنيد. كاربردهاي اين نسل جوشكاري نقطه اي، رنگ پاشي، مونتاژ مي باشند.