مکاترونیک چیست؟

مکاترونیک

تركيبي از علم مهندسي مكانيك و مهندسي كنترل سيستم ميباشد. در حقيقت توسط اين علــم ميتوان سيستمهاي مكانيكي را به صورت هوشمند درآورد. نهايــت علم مكاترونيك را ميتوان در رباتها مشاهده كرد. سيستمهـــــــــــاي ترمز ABS در اتومبيل، دستگاههاي CNC و كليه سيستمهاي اتوماسيون را ميتوان از نمونههاي بارز اين علم دانست.  مکاترونیک چنانکه از نامش بر میآید ترکیبی از سه علم مکانیک، الکترونیک و کامپیوتر است.

این علم تازه و جوان کاربردهای بسیاری در صنعت پیدا کرده و از جمله زمینه های علمی جدید و گسترده در پیش روی بشر است. اهمیـــــت آن از آن جهت است که این علم ابزار کنترل در کلیه زمینه های صنعتی و نظامی میباشد. چگونگی استفاده از سنسورها و کنترل اجـــــــــزای مکانیکی توسط مدارهای الکترونیکی وکامپیوتر در این علم مورد بحث وبررسی قرار می گیرد.

مکاترونیک مسلما علم جدیدی نیست. مکاترونیک شامل چهار علـــــــــــم مهندسی , مکانیک , الکترونیک , کامپیوتر(نرم افزار) و کنترل است. البته گاهی، کنترل را بخشی بدیهی از ســـه قسمت دیگر فرض میکنند. با تعریفی که ارائه شد , میتوان به راحتی مقـــــــــوله هایی همانند رباتیک , اتوماسیون صنعتی , الکترومکانیک و غیرهرا در حوزه مکاترونیک جای داد. همانطور که ملاحظــــه میشود احاطه به این علم به معنای احاطه به چهار علم مهندسی است لذا با سالها تحقیق و مطالعه نیز به سختی میتوان ادعای احاطه به این علم را داشت. مطالعه این علم عموما در دو راستا دنبال میشود:

 الف: بدلیل اینکه در پروژه های بزرگ , متخصصان مکاترونیک عموما به عنوان واسطی میان چند تیم تخصصی که هریک در یکی از قسمت چهـــار مقوله مکاترونیک کارشناس میباشند , عمل میکنند , گاهـی در بررسی این علم جنبه آشنایی فرد با چهار بخش مهندسی مکاترونیک , بدیهی فرض شده و از دیـــــد مدیریت پروژه های مکاترونیکی بحث دنبال می شود. به عنوان مثال با تقسیم بندی های شناختی , ماننـد طرح ماژولهای مکاترونیکی و بررسی نحوه ارتباط آنها با هم , سعی در یافتن بهترین راه حل صرف میگردد.

ب: در این مقوله بیشتر به فراگیری قسمتهـــــای مهم علوم طرح شده پرداخته میشود و با ارائه اطلاعات اصلی و پایه , دانشجو این امکان را مییابد تا با برخورد به موارد تخصصی تر , تحقیق و مطالعه را در آن مقوله ادامه دهد. بدین ترتیب یک مهندس مکاترونیک باید با توجه به نیاز اجتماع و صنعت ,مطالعه و تحقیق را بی وقفه ادامه دهد. بعنوان مثال خیل تولیدات میکروالکترونیکی و پکیجهای میکروپروسسوری , سنسورهای گوناگون که روز به روزمتحول شده و انواع جدید تری از آنها , مانند محصولات شرکت ATMEL , به بازار ارائه میشود, امکان فراگیری آکادمیک را محدود نموده است و فراگیری طرز کار و طراحی با آنها نیاز به تحقیق فردی و مستمر فرد دارد.

تعاريف بسياري براي مكاترونيك ارائه شده است. ايده اصلي اين علم، كاربرد تلفيقي مؤثر از مكانيك، الكترنيك و تكنولوژي كامپيوتر براي توليد محصولات يا سيستم هاي پيشرفته است. از اين رو مكاترونيك زيرمجموعه علم سايبرنتيك به شمار مي رود.

 

ساختار پروژه هاي روبوتيك و مكاترونيك

نقطه شروع ما دراين بحث اين ايده است كه روبوتها و وسايل مكاترونيكي ماشين هايي هستند كه تركيبي از الكترونيك و مكانيك را استفاده مي كننــــــد و براي انجام وظايفي كه معمولاً توسط انسانها صورت مي گيرند، به وجود آمده اند. با استفاده از اين فرض اساسي مي توانيـــم وظايف اصلي را به صورت بلوكهاي مجزا در نظربگيريم

تعداد و نحوه انتخاب بلوكهاي مورد استفاده در يك پروژه خاص به واسطه نتيجه نهايـــــي كه مدنظر طراح بوده است، تعيين ميگردد. به عنوان مثال يك بازوي ثابت يا يك بالابر اتوماتيــك نيازي به چرخ يا پا ندارد. يك ساختار شبيه سرانسان با چشم هاي الكترونيكي كه براي “ديدن” و تشخيص اشياء برنامه ريزي شده است، نيازي به داشتن بازو ندارد. بلوكهاي مشتـــركي كه در تمامي پروژه ها به كار مي روند. درادامه اين قسمت توضيح داده شده است.

كنترل

اين بخش درواقع “مغز” هر پروژه در يك سيستم روبوتيكي يا مكاترونيكي مي باشند. تمامي قسمت هاي الكترونيكي يك روبوت يا هر پروژه ديگري، توسط مدارات الكترونيكي كنترل مي شوند. انواع كنترلهاي اصلي موجود براي روبوتها و پروژه هاي مكاترونيكي به شرح زير مي باشند.

a)كنترل موقعيت: بازوهاي داراي چنگك يا ديگر ساختارهايي كه با گرفتن و جابجايي اشياء سروكاردارند. بايد داراي مدارات كنترل بسيار دقيق به منظور قرارگرفتن در موقعيـــت صحيح باشند. حركت يك سرداراي چشم توسط يك بلوك كنترل تك محور كنترل مي شود.

b)كنترل سينماتيك: هر پروژه اي كه داراي قسمت هاي متحرك باشد، به اين نوع كنتــــرل نيازمند است. سرعت هر كدام از قسمت هاي متحرك بايد توسط اين گونه مــــدارات به دقت تعيين و كنترل شوند. يكي از مهم ترين مدارات كنترلي در اين گروه مداري است كه سرعــت موتور محرك يك روبوت را كنترل مي كند.

c)كنترل ديناميك: بسياري از قسمت هاي يك روبوت يايك پروژه مكاتونيك نيرو هايــي را ايجاد مي كنند كه بايد به هنگام عملكرد كنترل شوند. هنگامي كه دست روبوت يك شــيء را برمي دارد، استفاده از مدارات كنترلي براي تعيين مقدار نيروي لازم براي نگهداشتن شي بدون شكستن آن ضروري است. يكي از موارد دشوار براي سازندگان پروژه ها، ساخت يك دســت روبوتيك است كه بتواند يك تخم مرغ رااز سبد برداشته و آن را بدون شكستن در سبد ديگري قراردهد. چنين اهدافي كنترل ديناميك دقيقي نياز دارند.

d)كنترل تطبيقي: هنگامي كه لازم است يكي از عملكردهاي روبوت يا دستگاه مكاترونيــكي در حين اجراي يك فرآيند به طور مداوم تغيير يابد. بايد از كنترل تطبيقي استفاده شود. بــــه عنوان مثال مي توان به نياز براي افزايش مداوم نيرو به هنگام فشردن يك فنر اشاره نمــود. هر چه فنر فشرده تر شود، نيروي بيشتري مورد نياز مي باشد. مثال ديگري از كاربرد كنتـــــــرل تطبيقي اعمال توان بيشتر به موتور به منظور ثابت نگه داشتن سرعت يــك روبوت مي باشد كه اين حالت به هنگام حركت روبوت از سطح افقي به يك سطح شيبدار به هنگــــام جابجايي يك شيء سنگين توسط روبوت رخ مي دهد.

 

e)كنترل خارجي: زماني كه از يك انسان به عنوان اپراتور براي صدور فرمان انجام تمامي وظايف روبوت استفاده مي شود. مدارات كنترل خارجي مورد نياز مي باشند. در اين حالت انسان به عنوان” مغز” عمل كرده و با استفاده از انواع سنسورها نظير سنسورهاي تصويري به عنوان “حواس” عملكرد روبوت را كنترل مي كند.

براي انتقال فرامين به يك روبوت يا دستگاه مكاترونيكي، شخص اپراتور مي توانــــد از انواع مختلفي از “مدارات واسطه” استفاده نمايد. گزينه هاي اصلي براي ارسال فراميـــن، مداراتي هسند كه از امواج راديويي، مادون قرمز، سيم و حتي فرامين صوتي استفاده مي كنند. امروزه پروژه هاي مدرن شامل مدارات تشخيص صوت مي باشند كه قادر به دريافت مستقيم دستورات از اپراتور هستند. از يك كامپيوتر نيز مي توان به عنوان مدار واسطه براي ارتباط واحد كنترل به روبوت يا دستگاه مكاترونيكي استفاده نمود.

دراينجا، نكته مهم اين است كه بايد درجه هوشمندي روبوت توجه نماييـــــم. مدارات كنترلي پيچيده مي توانند اين تصوير را در ناظر ايجاد نمايند كه يك روبوت “هوشمنــــد” است. در حالي كه يك بلوك كنترلي كه توابع زيادي را به كار مي گيرد. يك بلوك هوشمند به شمار نمي رود. در حالتي كه روبوت قادر باشد براساس اطلاعات سنسورهاي خود يا براســــــــاس اطلاعاتي كه يك اپراتور از طريق بلوك خاص ورودي داده ها وارد مي كند، تصميــم گيري نمايد. مي توان قابليت هوشمندبودن را به روبوت اضافه نمود.

 

 محرك ها

روبوتها و ماشين هاي مكاترونيك بايد داراي امكاناتي براي سروكار داشتن با اشياء يا انجـــــام برخي كارها در دنياي خارج باشند. در ادامه اين قسمت بسياري از انواع محركهاي كه در پروژه هاي كاربردي يافت مي شوند، ذكر شده اند.

حركت: روبوتها قادرند با استفاده از پا، چرخ يا ريل از يك نقطه به نقطه ديگر جابجا شوند. پاهاي روبوت را مي توان با استفاده از موتورها، سولنوئيدها يا آلياژهاي حافظه دار(SMA) حركت داد.

دست افزارها: روبوتها و دستگاههاي مكاترونيك داراي دست نمي باشند. آنها براي گرفتن اشيا از چنگك ها استفاده مي كنند و اين ابزارها توسط مدارات الكترونيكي كنترل مي شوند.

حركت اين ابزارها  مي تواند با استفاده از سولنوئيدها، موتورها با SMAها صورت گيرد. شكل ۲-۱ برخي از انواع اين چنگك ها را نشان مي دهد.

نحوه انجام كارها توسط دست را مي توان با استفاده از تجهيزاتي كه منحصراً براي انجام يك وظيفه خاص طراحي شده اند، تغيير داد. نظير اين حالت در بسياري از روبوتهاي صنعتي ديده مي شود. در بسياري از روبوتهاي صنعتي ديده مي شود. در بسياري از كاربردها، قطعات به هم پيوسته مكانيكي را مي توان به گونه اي تنظيم نمود كه با اندازه و شكل هر شيء موردنظــــــر سازگار شوند. مثالي از اين حالت در شكل ۳-۱ نشان داده شده است.

سنسورها: روبوتها و دستگاههاي مكاترونيك با استفاده از سنسورها، آنچه را كه در دنياي واقعي رخ مي دهد، تشخيص مي دهند. سنسورها داراي اهميت فروان مي باشند، چرا كه آنها اطلاعات مربوط به موقعيت يك روبوت يا بازوي روبـــــوت، اندازه و شكل يك شيء موردنظر، وجود موانع( در مورد روبوتهاي متحرك) و بسياري اطلاعــات ديگر نظير تشخيص يك شيء از روي اندازه و شكـــــل آن

، مانند آنچه در روبوتهاي هوشمند يافت مي شود، را ارسال مي كنند.

با اتصال يك دوربين تلويزيوني به يك مدار هوشمنــــد مي توان اين امكان رابراي يك بازوي اتوماتيك فراهم آورد تا قادر به انتخاب قطعات داراي اندازه و شكل خاص از ميان تعداد زيادي از قطعات مختلف باشد.

سنسورهاي اصلي كه در پروژه هاي روبوتيك و مكاترونيك به كار مي روند، عبارتند از:

سنسورهاي نور: مقاومت هاي متغير با نور (LDR ها، به عنوان مثال سلول هاي CdS يا فوتورزيستورها)، فوتوديودها، فوتوسل ها و فوتوترانزيستورها)

سنسورهاي فشار: اسفنج هادي، سنسورهاي الكترومكانيكي، سنسورهاي نيمه هادي

سنسورهاي دما: NTC,PTC ، ديودها و ترانزيستورها

سنسورهاي تصويري: سنسورهاي CCD ، فوتوديودها يا ماتريس هاي فوتوترانزيستور.

سنسورهاي موقعيت: پتانسيومترها، سنسورهاي اولتراسونيك، رادار، سنسورهاي مادون قرمز(IR)

سنسورهاي تماسي: ميكروسوئيچ ها، پاندون ها.

سنسورهاي مجاورت: سنسورهاي خازني، سنسورهاي القايي يا مادون قرمز.

منبع تغديه: هر پروژه شامل مدارات الكترونيكي و قطعات متحرك نيازمند يك منبع تغذيه الكتريكي مي باشد. اگر پروژه مورد نظر يك روبوت متحرك باشد. درحالت ايده آل منبع تغذيه در داخل خود روبوت جاسازي مي شود. ازسلولهاي باتري مي توان براي اين منظور استفاده نمود. اندازه و نوع باتري ها به توان موردنياز روبوت، مدت زمان كاركرد روبوت بدون شارژ مجدد و وظايفي كه روبوت بايد انجام دهد، بستگي دارد.

دو نوع از هوش مصنوعي براي كاربرد در پروژه هاي روبوتيك و مكاترونيك مناسب مي باشند:

هوش نرم افزاري: هوش نرم افزاري به واسطه يك كامپيوتر، ميكروپروسسور يا ميكروكنترلر كه يك نرم افزار هوشمند را اجرا مي نمايد، تامين مي شود. اتصالات سخت افزاري، داده هايي را كه پردازنده براي تصميم گيري و ارتباط با بلوك كنترلي نياز دارد، فراهم ميسازند.

تصميمات به شكل يك ساختار اساسي برنامه ريزي شده اند كه در برخي موارد مي توانند مطابق داده هاي ورودي تغيير يابند. در چنين حالتي، برنامه قادر به “يادگيري” از طريق تجربه مي باشد كه اين خاصيت به عنوان مشخصه به عنوان مشخصه اصلي سيستم هاي هوشمند در نظرگرفته مي شود.

دانشجويان،پژوهشگران و طراحان فعال در زمينه هوش مصنوعي بيشتر برنامه هايي را ترجيح مي دهند كه شبكه هاي عصبي را شبيه سازي مي كنند. ابزار مهم ديگر براي طراحي سيستم هاي هوشمند منطق فازي مي باشد.

با استفاده از ميكروپروسسورها و ميكرو كنترلرها مي توان هوش نرم افزاري را داخل خود روبوت يا ماشين مكاترونيك پياده سازي نمود. چيپ Basic Stamp يك روش ساده را براي اضافه نمودن درجه اي از هوشمندي به يك ماشين ارائه مي دهد: اين چيپ را مي توان به گونه اي برنامه ريزي كرد كه براساس وروردي هاي دريافتي از سنسورهاي مدار كنترل خارجي تصميم گيري نمايد.

علاقه مندان مي توانند برنامه هاي بسياري كه شبكه هاي عصبي و منطق فازي را شبيه سازي مي نمايد، بيابند.بسياري از اين برنامه ها را مي توان براي اضافه نمودن خاصيت هوشمندي به كامپيوترها، روبوتهاي خودكار و ديگر ماشين ها مورد استفاده قرار داد.

هوش سخت افزاري: روش ديگر براي اضافه نمودن هوشمندي به يك ماشين استفاده از

 مداراتي است كه قادر به يادگيري مي باشند. ايده اصلي اين روش تقليداز طريقه اي است كه موجودات زنده اطلاعات دريافتي از حواس خود را با استفاده از سيستم عصبي پردازش مي كنند.

 

منبع: robofa.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *