اصول حركت ربات

---

مقدمه

هر جا که دانشجويان و علاقمندان به رباتيک حضور دارند – چه در اينترنت و چه در مسابقات رباتيک – فرصت مناسبي براي بررسي برخي مفاهيم بوجود مي آيد و معمولا اين سوال مطرح مي شود :

مهمترين ويژگي يک ربات چيست ؟

بدون شک پاسخ به اين سوال منجر به ايجاد مباحث جنجالي و گفتگوهاي طولاني مي شود .

آیا ربات بايد با محيط اطراف خود بر هم کنش داشته باشد ؟

آیا بايد پردازنده بر روي آن نصب شود ؟

آیا وجود سنسورها ضروري است ؟ آیا ربات هاي جنگجو واقعا ربات مي باشند ؟ يا فقط ماشين هاي کنترلي جنگي هستند ؟ وضعيت در مورد ربات هاي BEAM چگونه است؟

اگر ربات حرکت نداشته باشد آیا مي توان آن را ربات ناميد؟ اگرچه به اين نکته اعتراف مي کنيم که تمام چيزهاي متحرک ربات نيستند . اما معتقديم ربات هاي واقعي بايد حداقل قابليت حرکت کردن را داشته باشند . در اين پروژه – انواع جابه جايي ، حرکت و قابليت هاي يک ربات (براي انتقال از يک نقطه به نقاط ) بررسي مي شود .

در اين پروژه ، در درجه اول بر استفاده از چرخ ها ، سيستم تانکي و پاهاي قدرتمند که با انواع مختلف موتورهاي الکتريکي (موتورهاي dc ، موتورهاي پله اي و سرو موتورها ) راه اندازي مي شوند ، متمرکز خواهيم بود و درباره ساير محرک ها مانند هيدروليک ، نيوماتيک يا ماهيچه هاي هوايي بحث نخواهد شد . زيرا گستره اين موضوعات فراتر از حوزه اين پروژه است .

محيط زندگي ربات

در سال هاي اخير يک روند رو به رشد در آموزش رباتيک ايجاد شده است و به موجب آن طراحان ربات ها از طبيعت براي حل مشکلات پيچيده بهره مي گيرند . به ويژه ربات هاي بسياري با استفاده از علم زيست شناسي و شاخه هاي مرتبط با آن مانند حشره شناسي ، ماهي شناسي و ... ، طراحي وساخته مي شوند .

يکي از علومي که مورد توجه علاقمندان به رباتيک قرار دارد رفتار شناسي حيوانات است . در اين علم رفتار حيوانات در محيط طبيعي زندگي شان مورد بررسي قرار مي گيرد .

يک رفتار شناس در اکثر موارد موضوع تحقيق خود را در حيات وحش مورد مطالعه قرار مي دهد . از ديد يک رفتار شناس ، يک موجود زنده و محيط زندگي اش ذاتا جدايي ناپذيرند .

توصيه مي شود هنگامي که روش هاي طراحي ربات ها را بررسي مي کنيد ، موضوع را از هر طريق ممکن به رفتار شناسي يا ساير شاخه هاي زيست شناسي نزديک کنيد .

ابتدا درباره محيط (که از ربات انتظار مي رود در آن کار کند ) کمي مطالعه کنيد و ابعاد ربات را متناسب با آن انتخاب کنيد . سپس ليستي از فعاليت هايي که ربات بايد آنها را انجام دهد تهيه نماييد . با استفاده از اين روش ، طراحي محدودتر شده و احتمال اجراي موفقيت آميز پروژه افزايش مي يابد .

طراحي موفق ربات هاي فوتباليست ، ربات هاي نظافتچي ، ربات هاي جنگجو و ربات ها با اهداف خاص ، تنها از طريق مطالعه پيست و محيط کار ربات امکان پذير مي باشد .

1. محيط هاي سر پوشيده

1-1 محيط هاي کنترل شده :

در اين محيط ها کوشش مي شود تا عوامل غير مترقبه اي که ممکن است بر روي عملکرد ربات تاثير داشته باشند محدود شوند . اين ربات ها براي انجام وظايف خاصي که از پيش تعيين شده است طراحي مي شوند .

سيستم انتقال قدرت اين ربات ها بسيار ساده است و معمولاً از چرخ هايي تشکيل شده است که به صورت مستقيم به شفت موتورها متصل مي شوند .

2-1 محيط هاي غير قابل کنترل :

ربات هايي که براي حرکت هاي تصادفي يا حرکت در محيط هاي داخل خانه طراحي مي شوند از اين دسته هستند . اين ربات ها هنگامي که بر روي سطح زمين حرکت مي کنند ،

با مسائل و موانع بسيار زيادي (در مقايسه با پيست مسابقات ) روبرو مي شوند مبلمان ، انسان ها و حيوانات مهمترين اين موانع هستند .

2. محيط هاي رو باز

طراحي ربات هايي که در اين محيط کار مي کنند ، از ربات ها در محيط هاي سر پوشيده بسيار پيچيده تر است .

زيرا با دامنه وسيعي از موانع غير قابل پيش بيني روبرو هستند . هنگام طراحي ربات براي محيط هاي رو باز بايد عوامل زير را در نظر گرفت:

1-2 حفاظت در برابر رطوبت و گل و لاي

2-2 آب و هوا

3-2 کاهش ارتعاشات

4-2 مقابله با موانع زميني

5-2 اندازه و وزن

انواع حرکت ربات : چرخ - سيستم تانکي – ربات راه رونده

در ساختمان تمام ربات ها از موتورها استفاده مي شود و عملکرد ربات تا حد زيادي به نحوه اتصال موتورها به چرخ ها بستگي دارد . اگرچه امروزه روش هاي متعددي براي انجام اين کار وجود دارد ، اما تمام ربات ها به صورت کلي به دو دسته چرخ دار و با سيستم تانکي تقسيم مي شوند .

چرخ : قطر چرخ ، گشتاور و سرعت :

قطر چرخ ( يا قطر چرخ زنجير در سيستم تانکي ) تاثير بسياري بر روي گشتاور موتور و سرعت ربات دارد . آشکار است که با افزايش قطر چرخ ، سرعت ربات افزايش و گشتاور آن کاهش مي يابد .

با افزايش قطر چرخ سرعت يک ربات افزايش مي يابد . تغيير قطر چرخ با سرعت ربات نيز خطي است . با آگاهي از قطر چرخ و سرعت دوراني موتور (RPM) ، سرعت ربات قابل مقايسه مي باشد . اين فرايند بسيار ساده است.

ابتدا مسافتي که ربات در هر چرخش کامل چرخ طي مي کند محاسبه مي شود . مقدار مسافت از رابطه زير به دست مي آيد :

D = πdدر اين رابطه D مقدار مسافت طي شده و يکاي آن با يکاي قطر چرخ (d) يکسان است. از ضرب کردن مقدار D در RPM موتور (تعداد دور در دقيقه ) سرعت ربات در يک دقيقه به دست مي آيد .

با انجام عمليات ضرب يا تقسيم مي توان مقدار سرعت را با يکاي کيلومتر / مايل به ثانيه / ساعت محاسبه کرد . در يک سيستم تانکي براي محاسبه سرعت ، قطر چرخ زنجير محرک اندازه گيري مي شود .

قبل از انتخاب سيستم حرکتي ربات تعدادي از پارامتر ها مورد بررسي قرار مي گيرند. اين پارامتر ها شامل اندازه و وزن ربات ، جنس سطح ، قدرت موتورها و مسائل زيبا شناختي مي باشند . هر سيستم داراي مزآیا و معايب خاص خود مي باشد .

انواع چرخ :

امروزه منابع بيشماري براي تهيه چرخ ها وجود دارند . مي توان انواع مختلف چرخ را از روي وسايل متحرک جمع آوري کرد .

در اين بخش تعدادي از انواع مناسب چرخ معرفي مي شوند .

1. چرخ هاي ماشين کنترلي

2. چرخ هاي LEGO

3. چرخ هاي هواپيماي ريموت کنترل

4. چرخ هاي چند سويه

انواع سيستم هاي تانکي

سيستم هاي تانکي به صورت کلي به دو دسته لاستيکي و نايلوني تقسيم مي شوند .

1. سيستم هاي تانکي LEGO

2. سيستم هاي تانکي با تسمه و قرقره

بررسي عملکرد ربات ها با دو پا و يا بيشتر :

ربات هاي راه رونده ، ويژگي هاي منحصر به فردي نسبت به ربات هاي غلتان دارند . اين ويژگي ها به نحوه راه رفتن (گام برداشتن ) و تعادل آنها مربوط است .

همانگونه که از ظاهر اين ربات ها مشخص است ، وزن اين ربات ها به جاي چرخ بر روي اتصالات اعمال مي شود و کل نيروي وزن توسط سرو موتورهاي کوچک نگه داشته مي شود .

اين طراحي ها اگرچه پيچيده هستند ، اما راه حل هاي ساده و منطقي براي حل مسائل مربوط به اين ربات ها وجود دارد .

تعادل ديناميک و تعادل ايستا

هنگامي که موجودات (انسان و حيوان ) راه مي روند ، مرکز ثقل شان بدون زمين خوردن آنها جا بجا مي شود . اين نوع تعادل ، تعادل ديناميک ناميده مي شود .

براي ايجاد اين نوع تعادل ، سخت افزار کنترلي ربات به صورت پيوسته از چگونگي تعادل ربات فيدبک (باز خورد ) مي گيرد .

براي اصلاح تغييرات کوچکي که در تعادل يا جهت صورت مي گيرد ، ربات بايد هم شتاب و هم مرکز ثقل را تغيير دهد .

به همين دليل چنين ربات هايي پيچيده و گران قيمت هستند .

با وجود آنکه مفاهيم کلي جابجايي در تمام ربات ها يکسان است ، اما انواع مختلف ربات براي حفظ تعادل به الگوريتم هاي متفاوتي نياز دارند . ايجاد تعادل ديناميک به شتاب سنج – در محورهاي مختلف – شيب سنج و روش هاي کنترل موتور پيشرفته نياز دارد .

مقايسه سيستم تانکي با سيستم هاي چرخ دار (در محيط رو باز ) :

به نظر مي رسد که سيستم تانکي مناسب ترين گزينه براي استفاده در محيط هاي رو باز است . به ويژه اگر محل فعاليت ربات زمين سخت باشد . علاوه بر آن ، ربات ها با سيستم تانکي بسيار زيبا تر هستند .

با اين وجود اين سيستم از نظر مکانيکي بسيار پيچيده است . معمولا خريد يک سيستم تانکي (به صورت آماده ) از ساخت يا جمع آوري کردن آن به صرفه تر مي باشد .

برخي معايب سيستم تانکي و مزآیاي سيستم هاي چرخ دار باعث شده است تا در اکثر طراحي ها از چرخ استفاده شود . در پروژه هايي که حيطه کاري ربات زمين هاي مسطح است و در اکثر ربات هاي تجاري و تحقيقاتي از سيستم هاي چرخ دار استفاده مي شود .

امروزه تعداد زيادي از ربات هاي عظيم الجثه (حتي با ابعاد يک کاميون ) با چهار و حتي تعداد بيشتري چرخ طراحي مي شوند .

مهمترين پارامتر ها در طراحي اين سيستم ، انتخاب مناسب قطر چرخ ها و محاسبه ميزان گشتاور ماکسيمم - که بايد براي راه اندازي چرخ ها به کار گرفته شود .

ربات هاي راه رونده :

با آنکه اين ربات ها نسبت به ربات هاي چرخ دار و ربات هاي تانکي پيچيدگي مکانيکي بيشتري دارند ، اما به خاطر استفاده از پا براي حرکت ، تاثير عميقي بر بينندگان مي گذارند .

از ديد بسياري از دانشمندان رباتيک ، اين ربات ها فصل مشترکي از علم ، طبيعت و هنر هستند .

به صورت نظري ربات هايي که با پا حرکت مي کنند ، قابليت هاي خاصي براي حرکت بر روي زمين هاي مرطوب دارند .

اما در عمل و در بسياري از طراحي هاي کاربردي ، از ربات هاي تجاري و تحقيقاتي گرفته تا ربات هاي کاوشگر سيارات ، استفاده از چرخ ها رايج تر است .

ساخت پاهاي مصنوعي همانند پاهاي واقعي و با همان درجه آزادي (DOF) بسيار مشکل و در واقع غير ممکن است .

اما با تکنولوژي امروز رباتيک ، علاقه مندان مي توانند با تسلط بر راه اندازي سرو موتورها ، پاهايي را با درجات آزادي کمتر طراحي و اجرا کنند . با تمام مشکلاتي که در اين زمينه وجود دارد ، ساخت ربات هايي که پا دارند براي افراد مبتدي نيز امکان پذير است .

رموتور هاي DC - تعريف و تاريخچه

امروزه موتورهاي DC جايگاه ويژه اي در صنعت دارند اين موتورها به سبب بازده بالا ، کاربردهاي وسيع در زمينه هاي مختلف و کنترل آسان بيش از ساير موتورها مورد استفاده قرار مي گيرند .

تاريخچه استفاده از اين موتورها به سال 1821 بر مي گردد . در آن سال دانشمند و مخترع برجسته انگليسي ، مايکل فاراده اولين موتور DC را ساخت، فاراده يک آهنربا را در يک بشقاب پر از جيوه قرار داد و در بالاي آن يک سيم آويزان کرد .

يک سر سيم به يک قطب باتري متصل شده بود و قطب ديگر باتري به يک سيم وصل بود . سيم مي توانست در ظرف جيوه نوسان کند. رسانا بودن جيوه باعث شد تا همانند يک کموتاتور مايع عمل کند و در سيم جريان برقرار شود.

در نتيجه ميدان مغناطيسي ايجاد شده توسط سيم حامل جريان ، سيم در اطراف آهن رباي دائمي که در ظرف قرار داشت شروع به نوسان کرد .

اين اولين موتور تک قطبي بود که حرکت دوراني پيوسته را در سيم ايجاد مي نمود . اين موتور ابتدايي قادر به انجام وظيفه واقعي خود نبود .

فاراده تلاش هاي بسياري در اين زمينه انجام داد و انديشه آغازين و مفهوم کلي اين پديده را در اختيار ديگران قرار داد .

در سال 1932 ، ويليام استورجن – مخترع انگليسي الکترو مغناطيس – يک موتور چهار قطبي ساخت که يک جوجه گردان را راه اندازي مي کرد . بدين ترتيب اولين وسيله خانگي مدرن ساخته شد .

او به خوبي اختراع کموتاتور را به ياد داشت و از آن به عنوان يک جزء لاينفک موتورهاي DC مدرن استفاده نمود . در آن سوي آتلانتيک و در آیالات متحده ، توماس ديون پورت از نمونه اوليه موتور DC الگو گرفت و از موتور الکتريکي در تجهيزات گوناگون استفاده کرد. او نتيجه فعاليت هايش را در سال 1837 ثبت نمود .

با وجود سهولت استفاده از موتورهاي الکتريکي – به علت در دسترس نبودن الکتريسيته در آن زمان – اين موتورها نتوانستند به شکلي مناسب گسترش يابند .

در آن زمان باتري هاي سرب – اسيد تنها منبع انرژي الکتريکي بودند . اين موتورها پس از استفاده تجاري از برق ، راه اندازي نيروگاه ها و توسعه شبکه هاي قدرت ، کاربردهاي بسياري در صنعت و لوازم خانگي پيدا کردند . امروزه نيز انرژي الکتريکي خارج از شبکه مانند باتري ها ، مهمترين منبع تامين انرژي اين موتورها است .

موتورهاي DC جزو قدرتمند ترين موتورها هستند . در ده ها سال گذشته محققان تلاش هاي گسترده اي را براي بهبود بازده ، سرعت و قدرت اين موتورها انجام داده اند . امروزه موتورهاي DC پيشرفته با بازده بيش از 90درصد طراحي و ساخته مي شوند .

بيشتر موتورهايي که به منظور استفاده در پروژه هاي رباتيک ارائه مي شوند ، بازدهي بين 40 تا 70 درصد دارند . با اين وجود به اندازه کافي قدرتمند هستند . اين موتورها جريان بيشتري مي کشند و باتري ها را سريع تر تخليه مي کنند .

عملکرد يک موتور DC

در يک موتور DC ، آهنرباي دائمي ميدان مغناطيسي ايجاد مي کند و روتور در داخل آن مي چرخد .

روتور – که در بخش مرکزي موتور قرار دارد – تعدادي«قطب»دارد، که هر کدام يک سيم پيچ دارند . سيم پيچ ها در مرکز شفت به يک سوئيچ متصل شده اند که اصطلاحا «کموتاتور»ناميده مي شود .

جاروبک ها به سيم هاي + و – موتور (که سيم پيچ ها را تغذيه مي کند ) به گونه اي متصل مي شوند که يکي از قطب ها ميدان مغناطيسي را دفع و ديگري آن را جذب مي نمايد . هنگامي که روتور مي چرخد ، کموتاتور جهت ميدان مغناطيسي را عوض مي کند . وجود قطب ها باعث تداوم حرکت روتور مي گردد .

يک موتور DC شامل قطعات اصلي زير است :

روتور :

شامل يک يا چند سيم پيچ است که بر روي شفت مرکزي موتور نصب شده اند . جريان مورد نياز اين سيم پيچ ها از طريق کموتاتور فراهم مي شود. نيروي لورنز سيم پيچ را حرکت مي دهد و نيروي گشتاور دوراني ايجاد مي نمايد .

کموتاتور :

اين قسمت شامل دو ورقه است که بر روي شفت موتور قرار دارند .

اين ورقه ها قدرت مورد نياز سيم پيچ هاي روتور را فراهم مي کنند و هنگامي که بر روي شفت موتور مي چرخند ، توسط يک جفت جاروبک به منبع تغذيه متصل هستند .

استاتور :

همان گونه که توضيح داديم ، استاتور از يک آهن رباي دائمي تشکيل شده است که گرداگرد شفت روتور قرار گرفته است .

اين بخش ميدان مغناطيسي (شار) مورد نياز موتور را فراهم مي کند .

برخي موتورها (مخصوصا موتورهاي بزرگ تر ) از يک آهنرباي الکتريکي به عنوان استاتور استفاده مي کنند . پيش از اين که آهنرباهاي دائمي با قدرت هاي متنوع امروزي ساخته شوند ، استاتورها از آهنرباهاي الکتريکي تشکيل شده بودند .

کنترل موتورهاي DC

کنترل موتورهاي DC به شکل فوق العاده اي ساده است . اين ويژگي – بيش از همه چيز – آن ها را براي استفاده در وسايل متعدد مناسب مي سازد . براي راه اندازي يک موتور DC فقط بايد به آن ولتاژ اعمال کرد .

براي درک سادگي ، آن را با سيکل احتراق يک موتور بنزيني مقايسه کنيد .

براي معکوس کردن جهت يک موتور DC ، کافيست پلاريته جريان تغذيه را معکوس نمائيد و به هيچ مکانيزم ديگري نياز نخواهد بود . با تغيير ولتاژ اعمالي به يک موتور DC مي توان گشتاور و سرعت آن را کنترل نمود .

مدولاسيون پهناي پالس (PWM) :

سرعت موتورهاي الکتريکي با تغيير سطح ولتاژ موثر و جريان عبوري از سيم پيچ روتور تغيير مي کند . در سال هاي قبل اين عمل با استفاده از يک مقاومت متغير يا رئوستا ، انجام مي شد .

رئوستا ضمن کار کردن مقدار بيش از حدي از انرژي را به گرما تبديل مي کند . بنابراين نبايد از مقاومت براي کاهش ولتاژ موتور استفاده کرد . در ربات هاي متحرک – و وسايلي که با باتري کار مي کنند – انرژي باتري ها بسيار ارزشمند است و نبايد آن را به گرما تبديل نمود . راه حل جديد اين مسئله ، استفاده از مدولاسيون پهناي پالس (PWM) است

. PWM با روش هاي گوناگوني توليد مي شود.وقتي PWM براي کنترل يک موتور به کار گرفته مي شود ، سيگنال قدرت به صورت پيوسته به موتور اعمال نمي شود . بلکه در کاربردهاي عادي ، يک موج مربعي با يک فرکانس خاص که اغلب حدود 20 کيلو هرتز است (گاهي اوقات کمتر از 60 هرتز يا بيشتر از 50 کيلو هرتز ) به موتور اعمال مي شود .

توان موتور با تغيير سيکل کاري (دوره ) يا پهناي پالس سيگنال قدرت کنترل مي شود . وقتي سيکل کاري صفر درصد است ، موتور کاملا خاموش و وقتي که 100درصد است ، موتور کاملا روشن است . در سيکل کاري 50 درصد ، موتور نصف قدرت ماکسيمم (بيشينه ) را دارد .

سرو موتور

سرو موتورها مي توانند قوي تر يا ضعيف تر از موتورهاي پله اي باشند .

زيرا تعداد زيادي از موتورهاي پله اي وجود دارند که بزرگتر و قدرتمندتر از سرو موتورها هستند . سرو موتورها دومين موتور قدرتمند در زمينه رباتيک هستند .

امروزه تعداد زيادي از کمپاني ها سرو موتورهاي ارزان قيمت و با کيفيت توليد مي کنند . معروف ترين سازندگان سرو موتورها Futaba ، Airtronics ، Hitec هستند که محصولات متنوعي را توليد مي کنند .

عملکرد يک سرو موتور

اساس کار يک سرو موتور همانند يک موتور Dc است ( که به يک گيربکس با نسبت کاهش سرعت 180:1 وصل شده است ) . اگر يک سرو موتور را باز کنيد ، مشاهده مي کنيد که موتور داخل آن بسيار کوچک است .

در داخل جعبه پلاستيکي موتور يک مدار کنترلر قرار دارد .

اين مدار سيگنال کنترلي که به سرو موتور فرستاده مي شود را به جابجايي شفت خروجي تبديل مي کند .

سرو موتورها معمولا دامنه حرکتي °60 دارند . اما برخي نمونه ها با دامنه °90 و يا بيشتر هم ساخته شده اند . يک پتانسيومتر(مقاومت متغير ) موقعيت شفت خروجي را در تمام لحظات اندازه گيري مي کند و مدار کنترلر مي تواند شفت سرو موتور را

دقيقا در نقطه مورد نظر قرار دهد . کنترل اين نوع موتورهاي Dc ، کنترل موتور حلقه بسته ناميده مي شود و واژه سروُ نيز از اين ويژگي گرفته شده است . يک کنترلر خارجي به موتور اعلام مي کند که تحت تاثير سيگنالي که مدولاسيون نسبي پالس (PPM) ناميده مي شود به کدام نقطه برود .

اين مطلب به اين معني است که پهناي پالس پس از رمزنگاري در اختيار کنترلر قرار مي گيرد .

اين سيگنال گاهي اوقات به اشتباه PWM ناميده مي شود . PWM سيکل کاري را تغيير مي دهد ، که بين صفر تا صد در صد زمان دوره است. PPM از زمان يک تا دو ميلي ثانيه (در يک دوره 20 ميلي ثانيه اي) براي رمز نگاري اطلاعات استفاده مي کند.

طبقه بندي سرو موتورها

سرو موتورها با توجه به مقدار گشتاور و سرعت شان طبقه بندي مي شوند (اونس – اينچ / گرم – سانتي متر ) . يک سرو موتور با مقدار اونس – اينچ ، موتوري است که در فاصله يک اينچي (5/2 سانتي متري) از وسط چرخ - که اغلب بلبرينگ دارد – يک نيروي 40 اونسي اعمال مي کند و باعث چرخش 60 درجه اي در مدت زمان 21/0 ثانيه مي شود .

مقادير سرعت معمولا در بازه 21/0 – 11/0 ثانيه قرار دارند . سرو موتورها با گشتاورهايي بين 200- 17 اونس – اينچ طراحي و ساخته مي شوند .

قيمت سرو موتورها باسرعت و قدرت آن ها متناسب است . سرو موتورهايي که براي استفاده در رباتيک انتخاب مي شوند بايد به اندازه کافي قدرتمند بوده ، ابعاد مناسب داشته و شکل ظاهري آن ها به گونه اي باشد که بر روي ربات قابل نصب باشند .

همان گونه که پيش بيني مي شود ، کوچکترين سرو موتورها ضعيف ترين آن ها و بزرگترين موتورها قوي ترين آن ها هستند . البته استثناءهايي هم در اين زمينه وجود دارد و در برخي موارد سرو موتورهاي کوچک تر قوي تر از نمونه هاي بزرگ تر هستند .

ولتاژکار اين موتورها 8/4 ولت و در برخي موارد 6 ولت است . معمولا سرو موتورهايي که با 6 ولت کار مي کنند سرعت و قدرت بيشتري دارند . هميشه يک سوال مهم درباره اين موتورها مطرح مي شود :

افزايش ولتاژ چه تاثيري بر روي سرعت و قدرت سرو موتورها دارد ؟ پاسخ سازندگان درباره اثرات افزايش ولتاژ متفاوت است . افزايش ولتاژ در بعضي موارد باعث افزايش سرعت و قدرت ، در بعضي موارد فقط باعث گرم شدن موتور و در بعضي نمونه ها باعث توقف و از کار افتادن موتور مي شود . اعمال ولتاژ غير مجاز به سرو موتور باعث به خطر افتادن و باطل شدن گارانتي آن خواهد شد .

معيار ديگر انتخاب سرو موتورها ، استفاده يا عدم استفاده از بلبرينگ هاست بلبرينگ ها براي نگه داشتن شفت خروجي موتور به کار مي روند و موتور را کم صداتر ، قوي تر و بادوام تر مي سازند .

بلبرينگ ها اگرچه باعث افزايش قيمت موتور مي شوند ، اما در مواردي که بار بيش از حد بر روي شفت موتور قرار مي گيرد استفاده از آن ها ضروري است .

موتور پله اي

موتور پله اي با موتور هايي که تا کنون بررسي کرديم ، تفاوت هاي چشمگيري دارد . موتورهاي پله اي گاهي اوقات موتورهاي براشلس يا بدون جاروبک نيز ناميده مي شوند . زيرا آهن رباي آن ها بر روي روتور يا شفت قرار دارد شفت موتور مي تواند بدون هيچ تماس الکتريکي و يا دخالت هر عامل ديگري آزادانه بچرخد .

موتورهاي پله اي معمولا سرعت کمي دارند . آن ها معمولا در طراحي هايي با جا بجايي هاي دقيق و يا به منظور توقف فوري موتور در يک نقطه خاص به کار مي روند .

اين ويژگي براي بسياري از پروژه هاي رباتيک – که به سرعت کمي نياز دارند - بسيار مناسب است . سرعت دوراني با دامنه RPM100-50 که توسط موتورهاي پله اي ايجاد مي شود ، براي بسياري از ربات ها ايده آل مي باشد .

يک موتور پله اي بزرگ تر و سنگين تر از يک موتور DC يا سرو موتور با قدرت مشابه است . موتورهاي پله اي معمولا خيلي قدرتمند نيستند و به همين دليل براي ربات هايي با وزن بيش تر از يک کيلوگرم پيشنهاد نمي شوند .

اکثر موتورهاي پله اي در زير بارهاي سنگين،يکنواختي حرکت خود را از دست مي دهند .

عملکرد يک موتور پله اي

جابجايي موتور پله اي از يک نقطه به نقطه ديگر باعث حرکت دوراني آن مي شود .

تعداد جابجايي هايي که براي انجام يک چرخش کامل انجام مي شود با تعداد گام هاي موتور برابر است و از ويژگي هاي اختصاصي هر موتور پله اي مي باشد . معمولا موتورها با تعداد گام ها و يا درجه ي هر گام توصيف مي شوند .

تعدادي سيم پيچ در بدنه اين موتورها تعبيه شده است که جابجايي دقيق موتور از يک نقطه به نقطه ديگر را ممکن مي سازد . اين سيم پيچ ها در استاتور يا بدنه موتور قرار گرفته اند (با A,B,C,D مشخص شده اند ) .

هنگامي که قطب هاي استاتور برق دار مي شوند ، قطب هاي مغناطيسي مخالف استاتور را جذب مي کنند و باعث چرخش موتور مي گردند . روتور از تعدادي آهن رباي دائمي تشکيل شده است که هنگام برق دار شدن با سيم پيچ هاي استاتور همکاري مي کنند .

هر آهن رباي روتور «دندانه»ناميده مي شود و اغلب روتورها با تعداد دندانه هايشان توصيف مي شوند . سيم پيچ هاي استاتور به شکلي متناوب در اطراف بدنه تکرار مي شوند . نحوه ي آرایش سيم پيچ ها به نوع ساختمان موتور پله اي وابسته است .

موتورهاي پله اي به دو دسته کلي تقسيم مي شوند : تک قطبي (که اغلب چهار فاز ناميده مي شود ) و دو قطبي (که اغلب دو فاز ناميده مي شود ) . موتورهاي پله اي تک قطبي چهار مجموعه سيم پيچ در اطراف بدنه موتور دارند .

در صورتي که موتورهاي پله اي دو قطبي دو مجموعه سيم پيچ دارند . سيم پيچ هاي يک موتور تک قطبي فقط با يک پلاريته برق دار مي شوند ، به همين دليل به آن «تک قطبي»مي گويند .

در سيم پيچ هاي يک موتور پله اي دو قطبي ابتدا برق دار شدن با يک پلاريته و سپس با پلاريته معکوس انجام مي شود و باعث چرخش روتور مي گردد .

تعداد گام ها در يک دور کامل موتور پله اي به تعداد آهن رباهاي دائمي يا تعداد دندانه هاي روتور بستگي دارد . تعداد دندانه هاي بيشتر به معني گام هاي بيش تر و قابليت جدا سازي بيشتر به ازاي هر گام مي باشد .

انتخاب موتورهاي مناسب براي پروژه هاي رباتيک

از نظر منطقي ، روش اي محدودي براي حرکت کردن يک ربات وجود دارد . چرخ ها ، سيستم تانکي و پاها . ساده ترين گزينه ، استفاده از چرخ ها مي باشد و ساختار هاي زير براي حرکت وجود دارند :

• دو چرخ محرک که با استفاد از يک موتور حرکت مي کنند و دو چرخ هدايت کننده (شبيه آنچه در خودرو به کار گرفته مي شود ) .

• دو چرخ محرک که با استفاد از يک موتور حرکت مي کنند و يک چرخ هدايت کننده .

• استفاده از دو چرخ محرک که هر کدام با يک موتور راه اندازي مي شوند و استفاده از چرخ هاي هرزگرد ( اين روش متداول تر از بقيه مي باشد ) .• استفاده از سيستم تانکي (که پيچيده ترين گزينه مي باشد ) .

اگر در نظر داريد از پاها استفاده کنيد ، ابتدا بايد درباره تعداد پاهاي ربات تصميم گيري کنيد (دو ، شش و يا بيش تر ) . پس از آن که تعداد پاها را محاسبه کرديد ، بايد تعداد درجه هاي آزادي (DOF) هر پا را مشخص کنيد . سپس وزن ربات و ساختار محيطي که ربات در آن فعاليت مي کند بايد مشخص شوند .

معمولا با در نظر گرفتن شرايط کاري يکي از انواع موتور انتخاب مي شود (هر نوع موتور براي نوع خاصي از محيط مناسب است ) . نوع سيستم انتقال قدرتي که مورد استفاده قرار مي گيرد ( چرخ ها ، سيستم تانکي يا پاها ) سرعت و شتاب ربات را تعيين مي کند.

مقايسه انواع موتورها

قبل از آن که اصول و مباني انتخاب هر يک از موتورها را بررسي کنيم ، موتورها را با توجه به عملکرد ، روش جابجايي و امتيازاتي که دارند به سه دسته موتورهاي DC گيربکس دار ، موتورهاي پله اي و سرو موتورها تقسيم بندي مي کنيم .

در مرحله بعد بايد در مورد نوع موتوري که براي استفاده در ربات مناسب باشد تصميم گيري شود. در جدول 2-5 مزآیا و معايب هر يک از انواع موتور نشان داده شده است .

 

 

انوع موتور	مزآیا	معايب	مناسب براي
موتور DC	متنوع ، قدرتمند و در دسترس هستند ، اينتر فيس آن ها ساده است	سريع و گران قيمت هستند ، جريان زيادي مصرف مي کنند ، اتصال چرخ ها به آن ها دشوار است ، کنترل آن ها پيچيده است (PWM)	ربات هاي بزرگ
سرو موتور	گيربکس و سرعت مناسب دارند ، متنوع ، ارزان و براي ربات هاي کوچک مناسب هستند ، به آساني به چرخ ها متصل مي شوند ، اينتر فيس آن ها آسان است	توانايي حمل وزن هاي زياد را ندارند ، سرعت ان ها قابل تغيير نيست	ربات هاي کوچک ، ربات هاي انسان نما
موتور پله اي	کنترل سرعت و اينتر فيس آن ها آسان است ، تنوع زيادي دارند ، براي محيط هاي سر پوشيده مناسب هستند	نسبت به قدرت شان سنگين هستند ، جريان زيادي مصرف مي کنند ، اتصال آن ها به چرخ ها دشوار است ، قدرتمند نيستند ، به سيستم هاي کنترل پيچيده اي نياز دارند	ربات تعقيب خط ، ربات حل ماز

 

مقايسه سرعت و گشتاور( موتورهاي ساده و گيربکس دار )

بعضي از ربات ها چند سرعت دارند ، که توسط موتورهاي ساده يا گيربکس دارفراهم مي شود . برخي ديگر فقط يک سرعت دارند . اين ربات ها شامل برخي انواع ربات هاي جنگجو ، ربات هاي حل ماز و . . . مي باشند .

موتورهاي DC ساده که آهنرباي دائمي دارند وقتي با ولتاژ مناسب تغذيه شوند ، در شرايط بي باري با سرعت بالاي 5000 دور در دقيقه (RPM) مي چرخند . سرعت يک موتور بر مبناي دور بر دقيقه (RPM ) بيان مي شود . سرعت ربات توسط اين فرمول ساده محاسبه مي شود :

) /60در اينجا يک ربات که قطر چرخ آن 3 اينچ (5/7 سانتي متر) است و توسط يک موتور با سرعت 5000 دور در دقيقه راه اندازي مي شود مورد مطالعه قرار مي گيرد .

60 / (141/3 × 3 ×5000)=25/785 اينچ بر ثانيه در شرايط عادي اين يک مقدار ماکسيمم (بيشينه ) است و فقط به صورت تئوري به دست مي آيد .

زيرا در شرايط واقعي ، چرخ دنده ها اجازه رسيدن به چنين سرعت را نمي دهند .

البته مي توان سرعت موتورها را با کم کردن ولتاژ تغذيه کاهش داد .

اما متاسفانه هر گونه کاهش در ولتاژ تغذيه موتور باعث کاهش گشتاور خروجي خواهد شد .

اگر مصمم به کاهش سرعت موتور هستيد ، بايد از روش هايي که باعث کاهش مقدار گشتاور مي شوند اجتناب کنيد . ولتاژ ورودي به هيچ وجه نبايد کاهش يابد .

چرخ دنده ها اصول اوليه

چرخ دنده ها ابزارهاي انتقال دهنده قدرت هستند . انتقال قدرت از طريق چرخ دنده ها به روش هاي زير انجام مي شود :

• چرخ دنده ها مي توانند سرعت دوراني را افزايش يا کاهش دهند . آن ها به صورت همزمان گشتاور را نيز کاهش يا افزايش مي دهند .

• چرخ دنده ها مي توانند جهت چرخش يا زاويه آن را تغيير دهند .

• چرخ دنده ها مي توانند حرکت دوراني را به حرکت خطي تبديل کنند .

• چرخ دنده ها مي توانند مکان حرکت دوراني را تغيير دهند .

انواع چرخ دنده ها

1. چرخ دنده هاي محرک

2. چرخ دنده هاي حلزوني

3. چرخ دنده هاي پيچي

4. چرخ دنده هاي لبه دار

5. چرخ دنده هاي سياره اي

6. چرخ دنده هاي شانه اي

موتور گيربکس دار و گيربکس

براي کاهش سرعت يک موتور DC روش هاي گوناگوني وجود دارد . مي توان يک گيربکس را با مجموعه اي از چرخ دنده ها طراحي کرد . علاوه بر آن مي توان يک گير بکس قابل نصب بر روي موتور خريد و يا از يک موتور گيربکس دار (موتوري که گيربکس آن در کارخانه سازنده بر روي آن نصب شده است ) استفاده کرد .

تعيين توان مورد نياز براي حرکت ربات

پيش از اين ، چگونگي تعيين قدرت هر يک از انواع موتور بيان گرديد . در اين قسمت چگونگي محاسبه قدرت مورد نياز هر ربات و انتخاب موتورهاي متناسب با آن بيان مي شود :

تعيين توان مورد نياز يک ربات چرخ دار

در اين قسمت از روابط فيزيکي براي بيان مطالب استفاده مي شود . شکل 1-6 تمام مطالب بيان شده در اين فصل را نشان مي دهد . مطالب تا حد امکان به زبان ساده بيان شده اند و فرايند محاسبه قدرت موتور به سادگي امکان پذير است .

قبل از انتخاب موتور، بايد قدرت مورد نياز هر يک از موتورها مشخص شود . براي حرکت کردن ربات بايد بر دو نيرو غلبه کرد

نيروي اصطکاک و نيروي گرانش . از کنار هم قرار دادن اين دو نيرو رابطه زير به دست مي ايد :

در اين رابطه نيروي مورد نياز براي حركت كردن ربات است . نيرويي است كه در برابر جابجايي ربات مقاومت مي كند و عامل به وجود آورنده وزن (هنكام حركت بر روي سطوح شيب دار) است . مولفه ي (وزن) هنكام حركت بر روي سطوح صاف صفر است . در اين جا رابطه اي براي بيان مي شود :

mg نيروي گرانشي است كه در آن m جرم و g شتاب گرانشي زمين (m/ 8/9) است و θ زاويه ي بين نيروي و محور افقي است . sin (0) (حركت روي سطح صاف) برابر صفر است و با افزايش زاويه ، نيروي لازم براي جابجايي اشياء افزايش مي يابد .

براي آزمودن اين موضوع ، اتومبيل خود را يك بار بر روي يك سطح صاف و بار ديگر بر روي يك سربالايي هل دهيد . اختلاف نيروي مورد نياز به علت تغييرات است .نيروي اصطكاك هميشه همراه با ربات وجود دارد و نحوه قرار گرفتن ربات (مسطح يا سراشيبي بودن سطح) باعث از بين رفتن ان نمي شود .

نيروي اصطكاك يا با cos θ ، مقدار اصطكاك بين چرخ هاي متحرك وسطحي ك جابجايي بر روي آن انجام مي گيرد متناسب است و با رابطه زير بيان مي شود : در اين جا μ ضريب اصطكاك است كه با توجه به جنس سطح مقدار ثابتي است و mg نيروي گرانشي است . بزرگي μ نشان دهنده مقدار مقاومت اصطكاكي سطح (ضريب اصطكاك) است . هرقدر مقدار μ كوچك تر باشد ،

حركت بر روي سطح آسان تر خواهد بود . روش هاي ساده اي براي اندازه گيري μ وجود ندارد . براي انجام اين كار بايد چرخ ها هم از نظر پارامترهاي ساكن و هم از نظر نيروهاي اعمالي به آنها مورد آزمايش قرار گيرند.

در مواردي كه از چرخ ها با آج هاي كوچك ( كه از لاستيك يا پلاستيك ساخته شده اند) استفاده مي شود ، مقدار μ ، 4/0 – 3/0 خواهد بود . در مواردي كه از سيستم تانكي استفاده مي شود مقدار μ ، بين 6/0 – 5/0 و حتي مقادير بالاتري خواهد بود .

مي توان مقدار μ را كمي بيش از مقدار پيش بيني شده در نظر گرفت . غلبه كردن بر نيرو هايي كه از آن ها نام برده شده ، ايده بسيار خوبي براي حركت دادن يك ربات مي باشد . زيرا فقط در هنگام راه اندازي لاستيك ها يا سيستم شني بر روي سطح وجود دارد و پس از راه اندازي ربات مقدار آن كاهش مي يابد .

با يك ديدگاه محافظه كارانه ، ضريب اصطكاك لاستيكي كه بر روي سطح بتني خشك حركت مي كند 1 – 9/0 مي باشد . اگر به اندازه گيري ضريب اصطكاك چرخ هاي ربات علاقمند هستيد ، مي توان آن را به شكل زير اندازه گرفت . ضريب اصطكاك به شكل زير تعريف مي شود . که در آن ضريب اصطکاک ساکن ، نيروي مقاومتي اصطکاک ، و نيروي طبيعي است که بر اثر عمل کردن دو شيئي بر روي هم ايجاد مي شود ( قائم بر سطح زمين ) . مقدار با mg ( وزن ) برابر است و با ابزار هاي مرتبط قابل اندازه گيري مي باشد .

براي اندازه گيري ، نيرو سنج خود را به شيئي مورد نظر متصل کنيد و آن را بر روي سطح مورد نظر بکشيد . حداکثر مقدار اندازه گيري شده ، نيروي مورد نياز براي حرکت کردن شيي مورد نظر بر روي سطح است . مقادير به دست آمده را در رابطه قبلي قرار دهيد و مقدار ضريب اصطکاک را اندازه گيري نمائيد .

با جاي گذاري رابطه ها ، مقدار نيروي مورد نياز براي حرکت کردن ربات برابر است با :

براي محاسبه توان مورد نياز براي حرکت کردن ربات ، از رابطه زير استفاده مي شود : P = يا به عبارتي ، توان از ضرب کردن سرعت و نيرو قابل محاسبه است .

با اطلاعات ارائه شده مقدار توان مورد نياز براي حرکت کردن ربات بر روي سر بالايي ها و سرازيري ها قابل محاسبه خواهد بود . البته سرعت چرخشي موتور نيز بايد مشخص باشد .

آخرين رابطه در مورد محاسبه سرعت زاويه اي مي باشد. = ωتوجه داشته باشيد که هنگام استفاده از فرمول ها تمام يکاها بايد از يک سيستم و با هم سازگار باشند . در يک پروژه هيچ اتفاقي از ترکيب کردن يکاها بد تر نيست.

مثلا اين که در يک جا از فوت و در جاي ديگر از متر استفاده شود . اگر از دو موتور براي راه اندازي ربات استفاده شود ، توان مورد نياز بر دو تقسيم خواهد شد . در اين شرايط کل بار ، بين دو موتور تقسيم مي شود و موتورها با بازده بيش تري کار خواهند کرد .

در پایان به ياد داشته باشيد براي حرکت کردن ربات بايد مقدار از بزرگتر باشد ، يا به عبارتي مؤلفه گرانشي که بر روي سراشيبي عمل مي کند بايد بيش تر از نيروي اصطکاک لازم براي بالا رفتن از سراشيبي باشد .

افزايش مقدار اصطکاک سطح ( که باعث افزايش مقدار μ مي شود ) باعث افزايش توانايي ربات در بالا رفتن از سر بالايي ها مي گردد . البته با افزايش مقدار μ ، ربات براي حرکت کردن به توان بيشتري نياز خواهد داشت .

بنابراين قبل از طراحي هر ربات اطلاعات کاملي در مورد زمين و يا پيستي که ربات در آن فعاليت مي کند را جمع اوري کنيد .

تعيين توان مورد نياز يک ربات راه رونده

طراحي و ساخت ربات هاي راه رونده (گام بردار ) به انديشه و تامل بيش تري نياز دارد زيرا اين ربات ها پيچيدگي هاي بيش تري در مقايسه با ربات هاي غلتان دارند و براي ساخت ان ها بايد بر محدوديت ها و چالش هاي بيش تري غلبه کرد .

حرکت مستقيم :

تخمين مقدار توان ربات هاي راه رونده که از سرو موتورها استفاده مي کنند به مراتب از ربات هاي غلتان ساده تر است .

مقدار گشتاور يک سرو موتور را مي توان به صورت مستقيم و با اندازه گيري مقدار توان لازم براي بالا بردن يک وزنه مشخص اندازه گرفت .

با ايجاد کمي تغيير در فرمول هاي ربات هاي چرخ دار مقدار توان مورد نياز ربات هاي گام بردار محاسبه مي شود . کافيست که پاهاي ربات را جانشين چرخ هاي آن نماييد (شکل 2-6 ) .

پاهاي ربات براي ايجاد حرکت مستقيم بالا و پايين برده مي شود . در اين شرايط نيروي اصطکاک براي کمک به حرکت مستقيم ربات به کار گرفته مي شود . در اينجا نيروي بازدارنده نيست . به عبارت ديگر نيرويي است که ربات را قادر به حرکت کردن مي سازد .

، مکان هايي که اصطکاک به انجا اعمال مي شود و سرو موتورها (هر سه عامل ) توان مورد نياز ربات هاي راه رونده را فراهم مي کنند . بنابراين با برابر است ( وقتي که بر روي يک سطح صاف ناچيز است ) .

به ياد داشته باشيد اگر در هر زماني بزرگتر از باشد ، يا مؤلفه گرانشي که بر روي سراشيبي عمل مي کند بيشتر از اصطکاک مورد نياز براي بالا رفتن از سراشيبي باشد ، يک مشکل تازه به وجود مي ايد و آن خطر سر خوردن به عقب و يا واژگون شدن ربات است .

هنگامي که توان مورد نياز براي حرکت ربات بر روي زمين يا سطح شيب دار محاسبه شد ، انتخاب سرو موتورهايي که قابليت بالا بردن ربات از سراشيبي ها را داشته باشند بسيار ساده خواهد بود .

ياد آوري مي شود که اگر - براي مثال – از دو سرو موتور براي حرکت دادن ربات استفاده شود ، لازم است که هر يک از موتور ها نيمي از توان مورد نياز را فراهم کنند .

اگر بيش از يک پا در هر طرف براي حرکت دادن ربات مورد استفاده قرار گيرد اندازه سرو موتورها کوچک تر ، اما مجموع توان ها برابر توان مورد نياز خواهد بود .

بالا بردن يک پا :

مهمترين ويژگي ربات هاي راه رونده عدم نياز به استفاده از چرخ ها است. در اين ربات ها پاها براي ايجاد حرکت مستقيم و معکوس بالا و پايين برده مي شوند .

در اين جا براي درک مطلب از يک قانون کلي استفاده مي شود . بلند کردن يک تخته که تکيه گاه آن در وسط قرار دارد ، از بلند کردن يک تخته مشابه که تکيه گاه در انتهاي آن قرار دارد ساده تر است .

در شکل 3-6 نيرويي به انتهاي يک تخته – که تکيه گاه آن در وسط قرار دارد – اعمال شده است .

در اين حالت ، نصف وزن تخته ( که با mg نشان د اده شده است ) به جابجايي تخته کمک مي کند . اگر مطابق شکل 4-6 از يک تخته که تکيه گاه در انتهاي آن قرار دارد استفاده شود ، کل وزن تخته به جابجايي تخته و غلبه بر نيروي گرانشي کمک مي کند .

هنگامي که مصمم هستيد از يک سرو موتور براي بالا بردن پاهاي ربات استفاده کنيد ، اين قانون مهم را مد نظر داشته باشيد .

سرعت گام برداشتن :

آشکار است که نحوه محاسبه سرعت ربات هاي راه رونده با انچه درباره ربات هاي چرخ دار بيان شد متفاوت است . معمولا سرو موتورها اطلاعاتي را در مورد محاسبه سرعت موتور در اختيار شما قرار مي دهند .

با<

نظرات شما عزیزان: