چگونه یک ربات بسازیم؟ درس سوم – حس اجرایی در دستگاه‌ها

اکنون که ما به طور کلی در مورد رباتیک در درس ۱ اطلاعاتی بدست آوردیم و با توجه به درس ۲ تصمیم گرفتیم که چه رباتی می‌خواهیم بسازیم، حال ما محرک‌ها را انتخاب می‌کنیم که باعث حرکت ربات می‌شوند. در ادامه با دیجی اسپارک همراه باشید.

محرک ربات چیست؟

یک “محرک” می‌تواند دستگاهی باشد که انرژی را (در رباتیک این انرژی به صورت الکتریکی است) به حرکت فیزیکی تبدیل می‌کند. اکثر محرک‌ها تولید حرکت دورانی و یا حرکت خطی می‌کنند. به عنوان مثال “موتور DC” نوعی محرک می‌باشد. انتخاب محرک مناسب برای ربات شما، نیاز به درک درستی از محرک‌های قابل دسترس در حال حاضر، اندکی قدرت تصور و کمی علوم ریاضی و فیزیک دارد.

محرک‌های دورانی ربات

همانطور که از نامشان پیداست این محرک‌ها انرژی الکتریکی را به حرکت دورانی تبدیل می‌کنند. دو پارامتر مهم مکانیکی وجود دارد که آن‌ها را از دیگر انواع جدا می‌کنند: ۱- گشتاور، نیرویی که آن‌ها می‌توانند در فاصله داده شده تولید کنند (معمولا با واحد N.m یا Oz.in بیان می شوند) و ۲- سرعت چرخشی (معمولا در هر دوران کامل به صورت دور در دقیقه اندازه گیری می‌شود).

موتور AC

موتورهای AC (جریان متناوب) به ندرت در ربات‌های متحرک استفاده می‌شود، و این مسئله از زمانی است که بیشتر آن‌ها با جریان مستقیم (DC) که از باتری می‌آید کار می‌کنند، همچنین از هنگامی که قطعات الکترونیکی از DC استفاده می‌کنند، بسیار راحت‌تر از زمانی است که چند نوع منبع تغذیه برای محرک‌ها استفاده می‌شود. موتورهای AC به طور عمده در محیط های صنعتی که نیازمند گشتاور بسیار زیادی هستند استفاده می‌شوند، در جایی که موتور به خروجی برق/دیوار متصل می‌شود.

موتورهای DC

موتورهای DC در انواع اشکال و اندازه‌ها وجود دارند اگرچه بیشتر آن‌ها به شکل استوانه‌ای هستند. آن‌ها قابلیت یک محور خروجی که در سرعت‌های بالا در محدوده ۱۰۰۰-۵۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد را دارا هستند. هرچند موتورهای DC با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند، اما بیشتر آن‌ها قدرتمند نیستند (گشتاور آن ها کم می باشد). به منظور کاهش سرعت و افزایش گشتاور می‌توان یک چرخ دنده اضافه کرد. برای ترکیب کردن یک موتور با یک ربات، شما نیاز به تغییر بدنه موتور دارید تا به فرم قاب ربات در بیاید. به همین علت موتور ها اغلب دارای حفره هایی هستند که به طور کلی بر روی بدنه موتور می باشند، به همین علت هم می توان آن ها را به صورت عمودی بر روی سطح مورد نظر نصب کرد. موتورهای DC می توانند چرخشی در جهت عقربه های ساعت (CW) و یا خلاف جهت عقربه های ساعت (CCW)، داشته باشند. حرکت زاویه ای چرخش محور را می توان توسط نرم افزارهای تبدیل کننده و یا پتانسیومتر اندازه گیری کرد.

موتورهای DC گیربکس

موتور دنده DC یک موتور DC است که همراه با یک جعبه دنده است و کار آن کاهش سرعت موتور و افزایش گشتاور می باشد. به عنوان مثال اگر یک موتور DC ، ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه بچرخد و گشتاور N.m 0.001 تولید کند، با اضافه کردن یک ۲۵۶:۱ ( ۱-۲۵۶ ) دنده پایین، سرعت را توسط یک فاکتور ۲۵۶ کاهش خواهد داد ( / ۲۵۶ = ۳۹ ۱۰۰۰۰ دور بر دقیقه ) و همچنین گشتاور با ضریب ۲۵۶ ( x 256 = 0.256 N•m0.001 ) افزایش پیدا خواهد کرد. شایع ترین انواع دنده ها عبارت اند از “دندانه دار” (رایج ترین)، “سیاره” (پیچیده تر هستند اما برای بالاتر از فراز دنده اجازه می دهند، در فضای محدودتر با بهره وری بالاتر)، “مارپیچی” ( که به نسبت دنده بسیار بالا اجازه می دهند، فقط با یک تک مرحله و همچنین از حرکت محور خروجی هنگامی که موتور قدرتی ندارد، جلوگیری می کنند). درست مانند یک موتور DC ،موتوردنده های DC هم می توانند به صورت CW و CWW بچرخند. اگر شما نیاز به دانستن تعداد چرخش موتور داشتید، یک نرم افزار تبدیل کننده را می توان به محور اضافه کرد.

سرو موتورهای RC

سرو موتورهای RC (یا سرگرمی) گونه ای از محرک ها هستند که در یک موقعیت زاویه ای خاص می چرخد و به صورت کلاسیک در بیشتر کنترل از راه دور وسایل نقلیه گران قیمت برای فرمان و یا کنترل سطوح پرواز مورد استفاده قرار می گیرد. حالا که آن ها در انواع برنامه های کاربردی استفاده می شوند، قیمت فرمان یار به صورت قابل توجهی کاهش و تنوع آن ها (در اندازه های مختلف،فن آوری و قدرت) افزایش یافته است.

عامل مشترک برای بسیاری از سرو موتورها این است که اکثر آن‌ها تنها در حدود ۱۸۰ درجه می‌چرخند. یک سرو موتور در واقع شامل یک موتور DC، دنده، الکترونیک و پتانسیومتر دوار (که در اصل زاویه را اندازه‌گیری می‌کند) می‌باشد. الکترونیک و پتانسیومتر به صورت هماهنگ برای فعال کردن موتور و جلوگیری از محور خروجی در زاویه مشخص شده، کار می‌کنند. این سرو موتور به طور کلی دارای سه سیم می‌باشد: زمین، ولتاژ و پالس کنترل.

پالس کنترل معمولا با یک کنترل سرو موتور تولید می‌شود. یک “ربات فرمان یار” نوع جدیدی از سرو موتور است که هم چرخش مداوم و هم بازخورد موقعیت را ارائه می‌دهد. همه فرمان یارها می‌توانند هم در جهت ساعتگرد و هم در جهت پادساعتگرد بچرخند.

سرو موتورهای صنعتی

سرو موتورهای صنعتی به صورت متفاوتی از یک سرو موتور سرگرمی کنترل می‌شوند و معمولا در ماشین آلات بسیار بزرگ بکار می‌روند. موتورهای فرمان یار معمولا از یک موتور AC (گاهی اوقات سه فاز)، یک دنده پایین و یک نرم افزار تبدیل کننده تشکیل شده است که بازخورد را درمورد موقعیت زاریه ای و سرعت فراهم می کند. این نوع موتورها به علت وزن، اندازه ، هزینه و پیچیدگی ای که دارند به ندرت در ربات‌ها استفاده می‌شوند. شما ممکن است فرمان یار صنعتی را در یک بازوی رباتیک صنعتی بسیار قوی و یا وسایل نقلیه بسیار بزرگ رباتیک پیدا کنید.

موتورهای پله‌ای

یک موتور پله ای همانطور که از اسمش پیداست بر اساس گام مشخصی (در واقع درجه خاص) می چرخد. تعداد درجه ای که محور با هرگام می چرخد (اندازه گام) بستگی به چند عامل دارد. اکثر موتورهای پله ای شامل دنده نمی شوند بنابراین درست مانند یک موتور DC ، گشتاور اغلب کم می باشد. با یک پیکربندی صحیح، یک موتور پله ای می تواند هم در جهت ساعتگرد و هم در جهت پادساعتگرد بچرخد و به موقعیت زاویه ای مورد نظر منتقل شود. دو نوع موتور پله ای تک قطبی و دوقطبی وجود دارد. یک حرکت نزولی قابل توجه به موتور پله ای است که باعث می شود اگر موتور قدرت کافی نداشته باشد، تعیین کردن زاویه شروع موتور بسیار مشکل شود.

اضافه کردن یک چرخ دنده به موتور پله ای همان تاثیر اضافه کردن چرخ دنده به موتور DC را می گذارد: باعث کاهش گشتاور و افزایش سرعت ولتاژ خروجی می شود. از انجا که سرعت وابسته به دنده می باشد، اندازه گام هم متناسب با همین عامل می باشد.

محرک‌های خطی در ربات

محرک خطی تولید حرکت خطی می کند (حرکت در امتداد یک خط راست) و دارای سه ویژگی اصلی متمایز مکانیکی می باشد: حداقل و حداکثر فاصله میله می تواند توسط ، حرکت تکانه (میلی متر یا اینچ)، نیرو (کیلوگرم یا پوند) و سرعت آن ها (m/s یا s/اینچ) ، تغییرکند.

محرک خطی DC

محرک خطی DC اغلب از یک موتور DC متصل به یک پیچ سربی ساخته شده است. هنگامی که موتور می چرخد، پیچ سربی هم می چرخد. یک سیار در پیچ سربی می باشد که نیرویی یا مخالف و یا موافق جهت حرکت موتور وارد می کند. اساسا حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند. برخی از محرک های خطی DC با یک پتانسیومتر خطی ترکیب هستند که که بازخورد موقعیت خطی را فراهم میکنند. برای متوقف کردن متحرک از نابودی خودش، بسیاری از سازندگان از سوئیچ های حد استفاده کرده که در انتها باعث کاهش قدرت متحرک هنگام فشار می شود. محرک های خطی DC در طیف گسترده ای از اندازه ها، تکانه ها و نیروها قرار دارند.

سیم پیچ

سیم پیچ از یک سیم پیچیده شده شیار دار در اطراف یک هسته متحرک تشکیل شده است. هنگامی که سیم پیچ دارای انرژی می باشد، هسته تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرد و یک حرکت در جهت واحد به وجود می آورد. سیم پیچ های چندگانه و یا برخی ترکیبات مکانیکی برای ایجاد یک حرکت در دوجهت مورد استفاده قرار می گیرند. تکانه سیم پیچ بسیار کم است اما سرعت بالایی دارد. قدرت و نیرو وابسته به اندازه سیم پیچ و جریانی که از آن می گذرد، می باشد.  از این نوع محرک معمولا در دریچه و سیستم قفل استفاده می شود و معمولا هیچ بازخورد موقعیتی ندارد.

سیم عضلانی

سیم عضلانی نوع خاصی از سیم می باشد که هنگام عبور جریان الکتریکی از آن، منقبض می شود. هنگامی که جریان از آن می گذرد و رد می شود، سیم به طول اولیه اش بازمی گردد. این نوع از محرک دارای قدرت بسیارو سرعت نمی باشد و توانایی فراهم کردن تکانه طولانی را ندارد. با این حال هنگام کار با قطعات کوچک و یا در فضاهای محدود ،این سیم بسیار مناسب می باشد.

پنوماتیک و هیدرولیک

محرک های پنوماتیک و هیدرولیک از هوا و مایع (به عنوان مثال آب یا روغن) به منظور تولید یک حرکت خطی، استفاده می کنند. این نوع از محرک می تواند تولید تکانه بسیار طولانی کند و همچنین سرعت و نیروی بالایی دارد. به منظور آماده شدن آن ها نیاز به یک کمپرسور مایع می باشد که آماده سازی آن ها را بیشتر از محرک های الکترونیکی عادی دشوار می کند. به دلیل نیرو و سرعت بسیار ان ها و به طور کلی اندازه بزرگی که دارند، عمدتا در محیط های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

انتخاب محرک

برای کمک در انتخاب محرک مناسب برای یک کار خاص، ما سوالات زیر را برای راهنمایی شما در مسیر درست آماده کرده ایم. مهم است که توجه داشته باشید، همیشه فن آوری ها و تکنولوژی های جدیدی به بازار می آیند و هیچ چیز برپایه ثابتی نمی ماند. همچنین توجه داشته باشید که یک محرک ممکن است به تنهایی کارهای متفاوتی در زمینه های مختلف انجام دهد. به عنوان مثال با افزودن مکانیک، محرکی که تولید حرکت خطی می کند ممکن است باعث چرخش یک شی و یا بالعکس شود (مانند برف پاک کن شیشه جلو اتوموبیل).

۱) آیا محرک برای به حرکت درآوردن یک ربات چرخ دار استفاده می شود؟

موتورهایی که برای به حرکت درآوردن ربات می باشند باید تمام وزن موتور را حرکت دهند و به احتمال زیاد به یک چرخ دنده پایین نیاز دارند. بیشتر ربات ها از “فرمان ترمز” استفاده می کنند در حالی که کامیون ها تمایل به استفاده از فرمان دنده دار دارند. اگر شما فرمان ترمز را انتخاب کنید، موتورهای دنده DC یک انتخاب ایده ال برای ربات های چرخ دار می باشند چراکه ان ها چرخش مداومی را فراهم می کنند، می توانند دارای بازحورد موقعیت اختیاری با استفاده از نرم افزارهای تبدیل کننده نوری باشند و برای برنامه ریزی و استفاده آسان می باشند. اگر می خواهید از یک فرمان دنده دار استفاده کنید، شما به یک موتور حرکتی (موتور دنده DC هم پیشنهاد می شود) و یک موتور برای هدایت چرخ های جلو نیاز پیدا خواهید کرد. برای به حرکت درآمدن ،از آنجایی که چرخش مورد نیاز محدود به یک زاویه خاص می باشد، یک فرمان یار RC می تواند انتخاب منطقی ای باشد.

۲) آیا از موتور برای بلند کردن و یا گرداندن وزنه های سنگین استفاده می شود؟

بلند کردن یک وزنه نیازمند مقدار قابل توجهی قدرت، بیشتر از به حرکت درآوردن یک وزنه بر روی یک سطح صاف می باشد. به منظور بدست آوردن گشتاور بیشتر باید سرعت را نادیده گرفت و بهتر است که از یک جعبه دنده با نسبت دنده بالا و یک موتور DC قدرتمند و یا یک محرک خطی DC استفاده کرد. با درنظر گرفتن استفاده سیستم (چرخ دنده حلزونی یا گیره) از فروکش کردن جرم در ارتباط با از دست دادن قدرت پیشگیری می کند.

۳) آیا دامنه حرکت محدود به ۱۸۰ درجه می باشد؟

اگر محدوده، محدود به ۱۸۰ درجه باشد و گشتاور مورد نیاز ما قابل توجه نباشد، یک موتور فرمان یار RC ایده آل است. موتورهای فرمان یار در انواع گشتاورهای متفاوت و اندازه های مختلف ارائه شده اند و بازخورد موقعیت زاویه ای را فراهم می کنند (بیشتر از یک پتانسیومتر و برخی از نرم افزارهای تبدیل کننده نوری استفاده می شود). فرمان یارهای RC بیشتر برای ساختن ربات های راه رونده کوچک استفاده می شوند.

۴) آیا زاویه باید بسیار دقیق باشد؟

موتور پله ای یا موتور پله ای گیربکس (همراه با یک کنترل کننده موتور پله ای) می تواند حرکت زاویه ای بسیار دقیقی ارائه دهد. آن ها بعضی اوقات به موتور های فرمان یار ترجیح داده می شوند. با این حال برخی از موتور های فرمان یار دیجیتال از نرم افزار های تبدیل کننده نوری استفاده می کنند و می توانند دقت بسیار بالایی داشته باشند.

۵) آیا حرکت در یک خط مستقیم می باشد؟

محرک های خطی بهترین انتخاب برای به حرکت درآوردن اشیا و قرار دادن موقعیت آن ها در یک خط مستقیم، می باشند. آن ها در اندازه ها و شکل بندی های متفاوت موجود هستند. تنها در صورتی می توان سیم عضلانی را در نظر گرفت که حرکت مورد نظر نیروی کمی را نیاز داشته باشد. برای حرکت های بسیار سریع می توان پنوماتیک و یا سیم پیچ را در نظر گرفت و برای نیروهای بسیار بالا، محرک خطی DC (تا حدود ۵۰۰ پوند) و در نهایت هیدرولیک ها گزینه خوبی می باشند.

ابزار رباتیک

به منظور محاسبه قدرت (یا گشتاور) و سرعت مورد نیاز برنامه ای که مدنظر دارید، بسیاری از محاسبات شامل فیزیک، توسط ماشین محاسبه می شوند. به منظور ساده کردن فرآیند طراحی، ماچند دستگاه را معرفی می کنیم که در کنار هم به شما کمک می کنند.

· سلکتور موتور DC (برای ربات های چرخ دار بسیار مفید است). همچنین در کنار آن آموزش موتور کالیبراسیون برای دریافت جزئیات بیشتر مناسب می باشد.

· آموزش گشتاور پا ربات

· ماشین حساب گشتاور بازوی ربات

در بخش بعدی آموزش ساخت ربات به انتخاب میکروکنترلر مناسب رباتیک میپردازیم. شما می‌توانید سوالاتتان را از طریق ثبت کامنت در انتهای همین پست مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ سوال شما را ارسال می‌کنم.