رباتیک و ملزومات طراحی ربات هوشمند - بخش دوم

ملزومات عمومی طراحی ربات هوشمند

طراحی ربات هوشمند نیازمند ایجاد توازنی بین اندازه (معمولا وزن)، توان موتور و توان باتری است. این سه مولفه اساسی با یکدیگر در ارتباط هستند. هر چه وزن ربات بیشتر باشد، موتور قوی‌تری مورد نیاز است و به همین دلیل به باتری با توان بیشتری نیاز است. یافتن توازن مناسب بین این سه فاکتور نیازمند تجربه و تحقیق بسیار است. گاهی عناصر سنگین ربات را به صورت واحد خروجی بر واحد وزن توصیف می‌کنند (موتور: گشتاور بر کیلوگرم، باتری: میلی آمپر ساعت بر کیلوگرم) و مقداری را برای آن انتخاب می‌کنند که بیشترین مقدار را ممکن بسازد.

استفاده از مواد سبک‌تر، مثلا استفاده از آلومینیوم به جای استیل، به طور واضح وزن ربات را پایین می‌آورد. ساخت قالب با فلزات سبک و استفاده از صفحات پلاستیک به عنوان سطح به جای استفاده از صفحات فلزی باعث سبک‌تر شدن ربات می‌شود. برای ربات‌های کوچک استفاده از پلاستیک آکریلیک گزینه مناسبی است و کار با ان نیز از سادگی بسیاری برخوردار است.

روش‌های دیگری برای ساخت ربات به جای برش و سوراخ‌کاری صفحات آلومینیومی وجود دارد. استفاده از اسباب‌بازی‌هایی مانند مجموعه لگو و یا ساختنی در مواقعی که امکان برش و سوراخ کاری صفحات آلومینیومی و پلاستیکی توسط خود فرد وجود ندارد، ایده بسیار موثری است. همچنین استفاده از کیت‌های آماده رباتیک برای شروع کار راه بسیار خوبی است. این کیت‌ها معمولا تمام قطعات مورد نیاز را در اختیار افراد تازه کار قرار می‌دهند. در تصویر زیر نمای از یک کیت رباتیک برای اشروع کار در رباتیک را مشاهده می‌کنید.

کیت رباتیک

زمانی که شروع به طراحی ربات هوشمند می‌کنید، اولین کار این است که مشخص کنید ربات باید دارای چه اندازه‌ای باشد. البته راجع به اندازه دقیق یک ربات نمی‌توان اطمینان حاصل کرد، اما می‌توان اندازه نسبی آن را تخمین زد. اندازه دقیق ربات را بعد از تعیین نوع موتور و باتری می‌توان به دست آورد؛ زیرا این دو مولفه تاثیر به‌سزایی در اندازه و شکل ربات دارند.

سپس باید تقریبی کلی از وزن ربات را به دست آورد و بر اساس آن موتور و چرخ‌ها را انتخاب کرد. در نظر داشته باشید که در ساخت ربات‌ها معمولا به گشتاور بالا و سرعت پایین نیاز است. یک موتور DC دارای سرعت بالا و گشتاور پایین است، اما با افزودن چرخ دنده کاهشی به آن می‌توان این مشکل را حل کرد. موتور‌های DC با چرخ دنده‌های کاهشی به صورت آماده نیز موجود هستند. سرعت موتور و نیز سایز چرخ‌ها تعیین‌کننده سرعت ربات در حرکت کردن هستند. به عنوان مثال، موتور RB-۳۵ با چرخ دنده کاهشی ۱ به ۵۰ را در نظر بگیرید. این موتور دارای سرعت ۱۲۰ دور بر دقیقه است یعنی در هر ثانیه دو دور را کامل می‌کند. اگر برای ربات چرخی با شعاع ۱۰ سانتی متر را انتخاب کنیم، محیط چرخ برابر با ۶۲٫۸ سانتی متر خواهد بود. یعنی در هر بار گردش چرخ، ربات مسافت ۶۲ ٫۸ سانتی متر را طی می‌کند. با نصب این چرخ بر روی موتور، چون در هر ثانیه ۲ بار گردش می‌کند، ربات مسافت ۱۲۵ ٫۶ سانتی متر را طی می‌کند؛ بنابراین سرعت ربات برابر با ۱٫۲۵۶ متر بر ثانیه خواهد بود.

اما در عمل این مقدار کمتر خواهد بود؛ زیرا سرعت موتور در حالت بدون بار برابر با ۱۲۰ دور بر دقیقه است. البته توجه کنید که حتی سرعت ۱ متر بر ثانیه هم برای ربات‌های خانگی سرعت زیادی است و احتمالا مجبور شوید از تکنیک PWM یا روش‌های دیگر برای کاهش آن استفاده کنید.

در مورد انتخاب باتری در طراحی ربات هوشمند باید اطمینان حاصل شود که برای عملکرد موتور و تمام ادوات الکترونیکی ربات تا زمان مشخصی توان وجود دارد و مقداری نیز به صورت ذخیره برای راه‌اندازی مجدد ربات در آینده باقی می‌ماند. حال باید وزن باتری و موتور انتخابی با وظایف ربات مقایسه شود و در صورت لزوم مراحل بالا را مجددا محاسبه کرد.
پلتفرم‌های مختلف طراحی ربات هوشمند

برای طراحی ربات هوشمند پلتفرم‌های مختلفی وجود دارد که در این قسمت به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

پلتفرم چرخی (Wheeled Platform)

این نوع پلتفرم می‌تواند هر تعداد چرخ داشته باشد. اما انواع سه، چهار و شش چرخ متداول‌تر هستند. توجه کنید که انواع دیگر مانند تک چرخ و یا دو چرخ نیز وجود دارند، اما به لحاظ دشواری در پیاده‌سازی رایج نیستند. در حالت کلی دو نوع چرخ در یک ربات وجود دارد: نوع توان‌دار (Powered) و نوع فاقد توان (Unpowered). نوع اول توسط موتور‌ها انرژی جنبشی دریافت می‌کنند و ربات را به سمت جلو و عقب حرکت می‌دهند. اما نوع دوم برای حفظ تعادل ربات از طریق ایجاد سطح تماس با زمین به کار می‌روند. تصویر زیر نمایی از یک طراحی ربات هوشمند با پلتفرم چرخی را نشان می‌دهد.

نمونه‌ای از یک ربات چرخی

گردش

ربات می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلف حرکت گردشی داشته باشد.

گردش تانکی

حرکت یک چرخ به جلو و دیگری به عقب. در این وضعیت ربات حول یک دایره کوچک به مرکز وسط فاصله دو چرخ توان‌دار، به دور خود می‌چرخد.

از طریق حرکت دادن یکی از چرخ‌ها با سرعت کمتر از چرخ دیگر. در این حالت ربات به سمت چرخ با سرعت کمتر می‌چرخد. سرعت گردش به اختلاف بین سرعت دو چرخ بستگی دارد.

هدایت آکرمن

این سیستم هدایت مشابه با سیستم هدایت مورد استفاده در خودرو‌ها است. پیاده‌سازی این روش به صورت عملی، پیچیده است؛ زیرا چرخ‌های داخلی و خارجی باید در زوایای متفاوتی بچرخند.

هدایت خرچنگی

در این نوع سیستم، هر چرخ می‌تواند به صورت مستقل بچرخد. اگرچه این طراحی ربات هوشمند دارای استقلال زیادی است، اما به مکانیزم پچیده‌ای نیاز دارد تا بتواند هم تمام مجموعه موتور و چرخ دنده و چرخ‌ها را بچرخاند و هم توان را از یک موتور ثابت در جای خود، منتقل کند.

سیستم سه‌چرخ

این سیستم می‌تواند در انواع مختلف مانند چرخ‌های توان‌دار مفصلی یا با دو چرخ توان‌دار ثابت یا ترکیبی از این دو حالت پیاده‌سازی شود.