کانکتور پین گرد : این مدل ساخت شرکت Molex و از خانواده محصولات SPOX از سری 5264 است .
کانکتور مربعی ساخت شرکت JST از سری PH .
کانکتور مربعی ساخت شرکت JST از سری XH .
کانکتور مخابراتی :
موارد کاربرد :
پاور کانکتور به عنوان کانکتور تغذیه ، اتصال به ترمینال های موتور ، تغذیه برد های سنسور یا میکروکنترلر و ...
انواع و اقسام مختلفی از چرخ ها در بازار وجود دارد . اما هنگامی که چرخی برای ربات خود انتخاب می کنید باید به فکر برنامه ای برای کنترل آن چرخ نیز باشید . در این نوشتار به بررسی مکانیزم دیفرانسیلی جهت کنترل و هدایت ربات می پردازیم .
مکانیزم کنترلی دیفرانسیلی :
این مکانیزم کنترل ربات رایج ترین نوع مکانیزم های ربات به ویژه برای تازه کارهاست . مفهوم این مکانیزم نسبتاً ساده تر است . تفاوت سرعت بین دو موتور ربات را در مسیر و جهت مورد نظر هدایت می کند . نام گذاری این روش نیز به همین تفاوت سرعت بر می گردد . (Velocity difference) واژه difference به معنای اختلاف و تفاوت ، که Differential از آن گرفته شده و به معنای اختلاف یا تغییرات است .
در این مدل مکانیزم ربات می تواند دو چرخ مستقل داشته باشد و یا دو چرخ اصلی با محور افقی که هر یک به وسیله یک موتور مجزا حرکت می کند و یک چرخ غلتکی که به عنوان هرزگرد و به منظور حفظ تعادل به کار می رود ، در برخی موارد نیز بسته به نیاز ممکن است ترمز هم داشته باشد . پس بخش اصلی این مکانیزم شامل موارد زیر است :
| اجزاء اصلی مکانیزم دیفرانسیلی ربات | |
| اجزاء | تعداد |
| موتور | 2 |
| چرخ | 2 |
| پلتفرم (صفحه شاسی ربات) - بدنه ربات | 1 |
| هرزگرد (در صورت نیاز به حفظ تعادل) | 1 |
3 مورد اساسی در ربات هایی با مکانیزم دیفرانسیلی اتفاق می افتد :
( برای مبتدی ها )
( سینماتیک عمومی )
در این بخش فرمول های حرکت ربات با مکانیزم دیفرانسیلی را جهت اطلاعات تکمیلی ارائه می کنیم :
تعاریف :
سرعت زاویه ای ω : سرعت چرخش یک جسم است . بنابراین فقط برای اجسام در حال چرخش مطرح می گردد ، مثل چرخ ربات ، محور موتور ، چرخ دنده ها و اجزائی شبیه به این در ربات ها .
سرعت خطی v : سرعت حرکت اجسامی که در خطی مستقیم حرکت می کنند .
رابطه بین سرعت خطی کل ربات و سرعت زاویه ای چرخ های ربات (که البته برای هر جسم متحرکی که چرخ داشته باشد صادق است) :
v = r × ω
نکته : در برخی کتب جهت چرخش چرخ (ساعتگرد یا پاد ساعت گرد) با نگاه کردن در طرف چرخ مورد نظر به مرکز ربات اندازه گیری می شود یعنی اگر هر دو چرخ به سمت جلو حرکت کنند یکی ساعتگرد و دیگری چرخشی پاد ساعتگرد دارد.
همان طور که می دانید سرعت یک مفهوم برای اندازه گیری قابلیت طی مسافت در هر لحظه است . هر دو کمیت سرعت خطی و زاویه ای در زمان محاسبه می شوند. وقتی جسم مسیر مس
تقیم را طی می کند اندازه گیری میزان متراژ مسیر مستقیم طی شده در واحد زمان سرعت خطی و (اگر جسم متحرک شما چرخ داشته باشد) سرعت موتور ها و یا چرخ ها بر حسب تعداد دور یا زاویه ای که در واحد زمان چرخیده اند سرعت زاویه ای نام دارد. بنابراین خواهیم داشت :
سرعت زاویه ای ω : تعداد دور در مدت زمان خاص ، که معمولاً در رباتیک به علت کوچک بودن مقیاس ثانیه ، واحد دقیقه را در نظر می گیرند . مثلاً در یک ربات پرنده مولتی کوپتر سرعت هر موتور حدود 5000 دور در دقیقه است ، معادل 83.3 دور در ثانیه که سرعت بسیار بالایی است و تنها با یک ملخ پلاستیکی می تواند به راحتی به دستان شما صدمه بزند! در ربات های متحرک زمینی عادی بسته به کارایی از سرعت هایی در بازه 30 تا 500 دور در دقیقه و معمولا بین 100 تا 300 دور در دقیقه استفاده می کنند .
دور در دقیقه را با RPM کوتاه شده عبارت Rotation / Revolutions Per Minute نشان می دهند .
ω = N / t
سرعت خطی v : که در فیزیک دبیرستان به خوبی با آن آشنا شده اید . جابجایی در زمانی خاص . v = dx / dt
هر چرخ در حال حرکت ، در طول یک دورِ کامل مسافتی به اندازه محیطش را روی زمین طی می کند . این مسافت دقیقاً همان خط صافی است که اگر لاستیک چرخ را خیس کنید و روی یک خط مستقیم به اندازه یک دورِ کامل روی زمین بغلتانید ردِ خیسی روی زمین باقی خواهد ماند . مثل تصویر زیر :
و یا با خیس کردن قسمتی از چرخ فاصله بین دو انتهای رد خیسیِ روی زمین ، محیط چرخ را نشان می دهد .
رابطه بین سرعت خطی کل ربات و سرعت زاویه ای چرخ های ربات (که البته برای هر جسم متحرکی که چرخ داشته باشد صادق است) :
( تعداد دور rpm × محیط چرخ m ) = سرعت خطی (متر بر دقیقه)
که تعداد دور نسبت به زمان همان سرعت زاویه ای است : ω
یعنی : V = 2πr × ω (متر بر دقیقه)
با توجه به این که سرعت های متر بر ثانیه و یا کیلو متر بر ساعت ملموس ترند بهتر است برای درک بهتر واحد سرعت را تبدیل کنید .
V(m/s)=V(m/min)/60
نکته مهم : در اغلب کتب مشاهده خواهید کرد که v = r ω و شاید کمی گیج کننده باشد که چرا بعضی ها از فرمول بالا استفاده نمی کنند . حتماً به مبحثی که سرعت زاویه ای در آن بررسی شده و واحد کمیت ها دقت کنید . در این جا واحد ما بر اساس واحد رایج در سنجش سرعت موتور و چرخ در رباتیک RPM انتخاب شده است ولی عموما در کتب مکانیک و فیزیک سرعت ω بر حسب زاویه (درجه یا رادیان) به کار می رود .
پیدا کردن سرعت و موقعیت ربات با داشتن سرعت چرخ و موقعیت اولیه :
برای اندازه گیری سرعت و موقعیت برای رباتی که در مسیر مستقیم حرکت می کند به سادگی می تونید vt = جابجایی و یا با داشتن مقدار زاویه اولیه از محور مختصات فرضی جابه جایی را به دو قسمت جابه جایی در راستای X و در راستای Y جدا کنید .
ولی برای رباتی که در حال چرخش و پیمودن مسیر منحنی است موضوع کمی متفاوت است . در این شرایط فرض می کنیم مسیر دایره ای حرکت ربات را داریم و با توجه به آن معادلات حرکت جابجایی تغییر زاویه و ... به دست می آیند .
1) رباتی را با سیستم دیفرانسیلی در فضا در نظر بگیرید . سرعت چرخ (موتور) هر سمت با زیرنویس L برای چپ (Left) و R برای راست (Right) مشخص شده است .
2) ابتدا یک محور مختصات در نظر بگیرید تا بر مبنای آن حرکت ربات را تحلیل کنیم . محل قرار گیری مبدا مختصات چندان مهم نیست چرا که عملا استفاده چندانی از آن نمی شود.
3) سپس یک نقطه (شعاع) فرضی که ربات دور آن در حال گردش است در نظر بگیرید . به این نقطه مرکز آنی گردش یا به اختصار ICC -instantaneous center of curvature گفته می شود .اگر لغزش چرخ ها بسیار ناچیز باشند این نقطه باید روی محور چرخش چرخ ها واقع شود .
4) برای بدست آوردن سرعت چرخش ربات حول ICC با داشتن سرعت های چرخ های چپ و راست باید 2 معادله بنویسیم در هر دو معادله ω سرعت چرخش حول ICC و V ها سرعت حرکت چرخ ها هستند و از این 2 معادله و داشتن V ها می توان بدون محاسبه Rبه سادگی ω را به دست آورد. شعاع چرخش مرکز ربات به دور ICC را با R نشان می دهیم و شعاع چرخش هر چرخ حول ICC را با داشتن فاصله بین 2 چرخ بر مبنای R می نویسیم.
خواهیم داشت :
V(L) = (R+d) ω , V(r) = (R-d) ω
از دو رابطه بالا ω را می توان بر حسب سرعت خطی موتور یا چرخ چپ و راست نوشت . با این دو رابطه یک دستگاه دو معادله دو مجهول داریم . از آن جایی که ما همواره فاصله محوری بین دو چرخ و سرعت هر دو چرخ را داریم ولی R همیشه و به سادگی در دسترس ما نیست پس ω را بر حسب d می نویسیم و دستگاه زیر را با حذف R حل می کنیم. فقط کافی است معادله دوم را در یک منفی ضرب کرده و دو معادله را با هم جمع کنیم .
که حاصل خواهد شد : ω=(VL-VR)/2d و شعاع ربات هم با (R = 2d (VR+VL)/(VR-VL قابل محاسبه است . از مجموع روابط سرعت حرکت خود ربات برابر خواهد شد با : V = R ω = (VR+VL) / 2
با تجزیه سرعت خطی روی محور افقی x و عمودی y و اضافه کردن مثلثات می توانیم موقعیت X و Y را به صورت مجزا محاسبه کنیم .
Ѳ زاویه بدنه ربات نسبت به مبدا است که مدام در حال تغییر است. در مسیر حرکت یک ربات در عمل بار ها و بار ها ω ، Ѳ و .. عوض می شوند . در نتیجه برای داشتن موقعیت نهایی باید از همه تغییرات به وجود آمده در مسیر انتگرال بگیریم ( یعنی همه تغییرات را با هم جمع کنیم ) . برای بدست آوردن زاویه ربات یا Ѳ از ضرب سرعت زاویه ای در زمان انتگرال می گیریم و برای پیدا کردن موقعیت های x و y نیز به همین شیوه عمل می کنیم .
همانطور که قبلا ً V ، R و ω را به دست آوردیم . کل روابط سینماتیکی مربوط به ربات های دیفرانسیلی در این 6 رابطه خلاصه می گردد .
مجدداً یادآوری می کنیم که 2d فاصله بین دو چرخ (محور افقی اتصال) است که به منظور فرمول نویسی زیبا تر از ابتدا به جای d از 2d استفاده شده است .
حالا اگر یک ربات کامل با سنسور ها در دست داشته باشید که شاسی آن از نوع دیفرانسیلی است برای برنامه نویسی آن شبه برنامه ای مثل زیر را باید دنبال کنید :
خواندن ورودی سنسورها
تصمیم گیری بر اساس ورودی خوانده شده از سنسور ها
اجرای یکی از دستورالعمل های زیر :
برای حرکت مستقیم هر دو موتور (چرخ) با سرعت یکسان به جلو ؛
برای عقبگرد حرکت هر دو موتور (چرخ) با سرعت یکسان رو به عقب ؛
برای چرخش به چپ موتور سمت چپ به عقب و موتور سمت راست به جلو حرکت کند ؛
برای چرخش به راست موتور سمت راست به عقب و موتور سمت چپ به جلو حرکت کند ؛
اگر بخواهید رباتتان را حرفه ای تر کنترل کنید با دادن سرعت های مختلف به موتور چپ و راست می توانید روی یک منحنی خاص مسیر حرکت را مشخص کنید این کار معمولاً در ربات های حرفه ای و با اتصال سنسور های اندازه گیری موقعیت چرخ و کنترل PID انجام می پذیرد .
مطالب فوق برای موقعیت یابی ربات هایی مناسب است که پس از قرار گرفتن در مبدا مسیر زیادی را طی نکرده باشند . برای موقعیت یابی ربات هایی که بتوانند مسیر طولانی تری طی کنند نیاز به ملاحضات فنی بیشتری است
یکی از مکانیزم های دیگر ربات ها که نسبتاً پرکاربرد است نوع تانکی است که معمولاً برای ربات های مین یاب ، امداد گر ، تپه نورد و شبیه به این به کار می رود . در این مکانیزم ممکن است هم از تسمه و زنجیر (شنی تانکی) و هم از تعدادی چرخ در ساخت ربات استفاده شود و از مفهوم دیفرانسیل برای کنترل آن بهره برد . رایج ترین سیستم های تانکی بولدوزر ها و ماشین های حمل سوخت هستند .
| اجزاء اصلی مکانیزم ربات تانکی | |
| اجزاء | تعداد |
| موتور | 2 |
| چرخ (بدون تسمه ، زنجیر یا شنی) | 4 یا بیشتر |
| تسمه ، زنجیر یا شنی | 2 |
| پلتفرم (صفحه شاسی ربات) - بدنه ربات | 1 |
| هرزگرد (در صورت نیاز به حفظ تعادل) | ندارد |
در این روش هر طرف ربات چه چرخ باشد و چه شنی تانکی ، حرکتش تحت کنترل یک موتور مستقل است و طرفین با سرعت متفاوت چرخانده می شوند تا مسیر ربات تعیین شود . اگر شما مفهوم کنترل دیفرانسیلی ربات را به خوبی دریافته باشید مکانیزم تانکی نیز دقیقاً به همان صورت است . در ربات دیفرانسیلی یک چرخ هرزگرد برای حفظ تعادل ربات وجود دارد که در سیستم تانکی با دو چرخ جایگزین می شود . حالا تصور کنید که نیاز به چرخش ربات به سمت چپ باشد در این صورت شنی یا چرخ ها سمت چپ باید به سمت عقب حرکت کند و شنی یا چرخ ها راست به جلو برود تا ربات به چپ بچرخد .
طبق روابط ربات های دیفرانسیلی اگر در شعاع صفر ربات تانکی حرکت کند به اندازه 360 درجه می چرخد . تصور کنید به هر طرف بدنه ربات 3 چرخ متصل شده باشد و برای چرخش ربات ، چرخ های جلویی و عقبی ربات با سرعت بیشتری بچرخد و چرخ های وسطی ترمز کرده و بلغزند . این مکانیزم همان مکانیزم تانکی است .
برخی از مزایای استفاده از سیستم کنترل ربات تانکی :
معایب مکانیزم کنترل ربات تانکی :
این هم مدلی از شکل چرخ دار این مدل مکانیزم است که 3 چرخ در هر طرف تنها با یک موتور هدایت می شوند :
هکتور (Hector)، ربات ساخته شده با الهام از نوعی حشره‌ی چوبی توسط گروه تحقیقاتی در دانشگاه بیله‌فلد آلمان در سال ۲۰۱۱ توسعه یافت که اخیرا به سختی مشغول یادگیری راه رفتن بوده است. انتظار می‌رود هکتور که به عنوان یک ربات عملیاتی خودکار شش پا شناخته می‌شود، نه تنها در زمینه‌ی رباتیک تاثیرگذار باشد، بلکه در زمینه‌ی بیولوژی نیز در نحوه‌ی شناخت حرکت جانداران به دانشمندان کمک کند.
اغلب ربات‌های شش پا تمایل به راه رفتن به وسیله‌ی سه پا یا یک پای ثابت را دارند. با این حال، هکتور دارای شیوه‌ی راه رفتن آزادی است به این معنی که هر پای آن تصمیمات خاص خود را به تنهایی گرفته و مکان و زمان حرکتشان را تعیین می‌کنند. هکتور با استفاده از سنسورهای خود می‌تواند تشخیص دهد چگونه از موانع ساده‌ای مانند یک مانع چوبی گذر کند.
هکتور که ایده‌ی ساخت آن از روی بدن یک حشره‌ی چوبی گرفته شده، دارای یک اسکلت بسیار نرم ساخته شده از پلاستیک فیبرکربن تقویت شده (CFRP) است. در کنار تعداد سنسورهای زیاد و دوربین‌های کوتاه برد آن، این ربات منحصربفرد دارای ۱۸ مفصل الکتریکی انفعالی است که حرکت ماهیچه را شبیه‌سازی می‌کنند.
دکتر اکسل اشنایدر می‌گوید: “خاصیت کشسانی حرکت هکتور قابل مقایسه با شیوه‌ی حرکت ماهیچه‌ها در سیستم‌های بیولوژیکی می‌باشد. با این حال، کشسانی به تنهایی برای هکتور جهت راه رفتن در یک محیط طبیعی پر از مانع کافی نیست. نکته‌ی مهم، توسعه‌ی یک سیستم کنترل می‌باشد که بتواند حرکات پاهای این ربات را در محیط‌های دشوار کنترل کند.”
جن پاسکاربیت، از محققان این پروژه می‌گوید: “تمامی زیرسیستم‌های این ربات باید با یکدیگر همکاری و هماهنگی داشته باشند تا هکتور بتواند بدون مشکل خاصی راه برود. در غیر اینصورت، برای مثال ممکن است پاهای هکتور در هوا قرار گرفته، ثباتش را از دست بدهد و سقوط کند. علاوه بر این، پاها باید قادر به واکنش در برابر سقوط در مواجهه با موانع باشند. ما این مشکل را با پیاده‌سازی یک رفتار واکنشی برای صعود از اشیا، حل کرده‌ایم.”
از این رو هکتور درست مانند یک حشره رفتار می‌کند و بهترین تصمیم ممکن را برای گذر از محیط می‌گیرد. محققان گفته‌اند در آینده، هکتور همچنین می‌تواند بستری برای بیولوژیست‌ها و مهندسان رباتیک فراهم آورد تا آنها تست‌ها و تئوری‌های خود در مورد حرکت حیوانات را بر روی این ربات انجام دهند.
یک نمونه‌ی مجازی نیز این ربات ساخته شده تا بدون وارد آوردن خسارت به هکتور، آزمایشات خطرناک بر روی آن انجام گیرد. دانشمندان همچنین حرکت حشرات چوب واقعی را مورد مطالعه قرار داده‌اند تا مکانیزم‌های کنترل موجود در سیستم عصبی این نوع از حشرات را شناسایی و درک کرده و آنها را به مدل‌های کامپیوتری تبدیل نمایند.
هکتور هنوز یک ربات ناکامل است، اما سازندگان آن سال ۲۰۱۷ را زمان کسب پیشرفت‌های زیاد برای این ربات دانسته‌اند. این گروه پیش از این هم به توسعه‌ی نمونه‌ی آزمایشی با دو دوربین جانبی و دو حسگر لمسی ایجاد نمود و در حال حاضر مشغول کار بر روی اتصال سنسورهای دوربرد بر روی سر هکتور هستند.
