واژه‌هاي كليدي:بازوی روباتیک، انرژی مکانیکی، چرخدنده، محرک الکتریکی، شبیه سازی المان،روباتمقدمهامروزه با پیشرفت علم نیاز مبرمی به دستگاه هایی که دارای بخشی از توانایی های انسانی باشند احساس می شود که می توان این ابزارها را در قالب دستگاه های تراش هوشند و بازوهای روباتیک و کامپیوترهای کنترلگر و سیستم های خود کنترل شونده دید.بازوهای روباتیک نقش پر رنگ و غیر قابل انکاری را در صنعت دارند. اغلب شرکت های توسعه یافته مدل های متفاوتی از این بازوها را در اختیار دارند و می توان مهم ترین دلیل را به دقت و قدرت و خستگی ناپذیر بودن این بازوها نسبت داد.امروزه بازوهای روباتیک می توانند ساعت های کاری خود به عنوان تجربه تلقی کرده و برنامه اجرای دستورات خود اصلاح کنند و در اصطلاح از اصلاح و یادگیری زمانی پیروی کنند و حتی در صورتی که چند بازو با هم در راستای به انجام رساندن یک هدف کار می کنند به ترمیم و پیکره بندی برنامه همکاری خود و افزایش بازده بپردازند. فرایند طراحیتجزیه و تحلیل های مورد نیازطراحی کامل بازو یک رویکرد بالا به پایین است. این بدان معنی است که هدف در ابتدا حل معادلات ریاضی می باشد اما جزئیاتی از زیر سیستم ها موجود نیست، پس از مشخص کردن نیاز سیستم در زیر سیستم می توان زیر سیستم های سطح پایین تر بدست آورد.این کار انجام شده است تا کل هدف را به قسمت های پایه کاهش دهد در اصل می توان شاهد آسان تر شدن طراحی در این بخش بود. نمودار1 رویکرد و زیر سیستم های بازو روند طرح نظری یک فرآیند تکرار شونده است که در آن طراحی با یک پیکر بندیبه طور مداوم یک چرخه را به عنوان زمانی که راه حل بهینه به دست آید تکرار می شود، که مستلزم عوامل مختلفی می باشد.نمودار2 فرآیند تکرار شونده طراحی مبنای مورد نیازبا انتخاب درجات آزادی متناسب با هدف نهایی، از طیف گسترده ای برای رسیدن به هدف اطمینان حاصل می شود. با توجه به وزن اجسامی که یک بازو باید جابه جا کند و سایر مظایف محوله به بازو، مواد مورد استفاده جهت ساخت بازو باید قوی و مستحکم و مناسب باشند. همچنین این واقعیت وجود دارد که بازو در بدنه نصب شده، مستلزم آن است که بدانیم می تواند ایستادن بازو، لرزش ها و نیروهای دینامیکی ناشی از شرایط را تحمل نماید. همچینن یک منبع انرژی (باتری) لازم است و هدف این است که استفاده از درایورهای الکتریکی با قدرت و کم مصرف باشد.مبانی مورد نیاز در ساخت و سازالزامات معمول برای ساخت به طور کلی حداکثر استفاده از اجناس مقرون بصرفه برای حمل و نقل و حداقل وزن مورد توجه قرار گرفته است. در طول فرایند طراحی، به ساخت سازه ای ساده و قابل تولید توجه شده است، برای هر عنصر مواد مناسب و همچنین محرک، چرخ دنده ها و قطعات استاندارد به دقت انتخاب شده است.الزامات خلاصه در زیر ذکر شده است: · مصرف کم انرژی · وزن کم · بار مفید یک کیلو گرم · محدوده کاری تا ارتفاع 5/1 متر سطح زمین· درجه آزادی به اندازه کافی · دقت · ساخت سازه ساده · قابلیت تولید ابزار طراحیدر ابتدا بر روی کاغذ شکل و طرح اولیه با در نظر گرفتن معیار های فوق الذکر استفاده شده و برای توسعه طرح و طراحی های تخصصی، محاسبه و شبیه سازی برنامه های کامپیوتری مدرن استفاده شده است. علاوه بر این ابزار برنامه مایکروسافت اکسل برای محاسباتساده برای نرخ انتقال نمونه ای از گیربکس و محاسبه عددی زنجیره حرکتی مورد استفاده قرار است. طراحی بازوی روباتیک به کمک کامپیوتر1به واسطه برنامه های فوق سه بعدی قسمت به قسمت طرح را جمع آوری کرده، که علاوه بر این می توان آنها را به یک محصول بزرگتر سر هم بندی و مونتاژ نمود.ابزار مدل دیجیتال2 اجازه می دهد تا به وسیله نقشه های سه بعدی شبیه سازی حرکت دینامیکی برای آزمایش بازو مورد استفاده قرار گیرد، نقشه های سه بعدی به ایجاد نقشه های دو بعدی جهت ماشینکاری می توانند کمک کنند.قطعات اغلب می توانند به داده های تغییر یافته مانند STEP(*.STP) و IGES(*.IGS)صادر شوند، علاوه بر این نقشه می تواند به فایل های STL(Stereo lithography *.stl) برای ماشین های نمونه سازی سریع صادر شوند. شبیه سازی المان محدود3برنامه ANSYSمخفف سیستم تجزیه و تحلیل المان برای حل خطی و غیر خطی4 مسائل در زمینه هایی از جمله ساختار مکانیکی، جریان سیال5، حرارتی و الکترو مغناطیس مورد استفاده می باشد.CATIA- SOLID WORK.1DMU .2ANSYS .3Nonlinear .4Fluid flow .5اصول رباتیکیک بازوی روباتیک اساسا از دو نوع حرکت سینماتیکی1 تشکیل شده است .یکی از رایج ترین حرکات، حرکت چرخشی2 است که در آن حرکت از اطراف یک محور مشترک حاصل شده و این با موقعیت زاویه دار متفاوت است، نوع دیگر حرکت جابجایی در طول یک مسیر است و این عمل با جابجایی متفاوت است که اغلب مفصل منشوری مانند نامیده می شود.بدنه بازوی روباتیک لینک3 نامیده می شود، اعضای صلب4 که توسط مفاصل به هم وصل شده اند، جفت حرکتی نامیده می شوند، مفاصل را در یک روبات به نام محور می شناسند، آرایش این عناصر زنجیره حرکتی باز نامیده می شود و تعیین حرکت روبات را مشخص می کند، تعداد محور ها درجــات آزادی نامیده می شود. تغییرات متفاوتاز سازه را می توان با ترکیب لینک ها و مفاصل بایگانی کرد. · نوع حرکت ، چرخش و یا تبدیل. · شماره از لینک. · دنباله ای از مفاصل. · جهت محور نسبت به محور سابق. شکل1 پایه حرکتی جفت icRotational.23. Link Rigid.4شکل2 شماتیک نمادهای جفت حرکتی اصول مکانیک، طراحی، مواد و عملگرها طراحی مکانیکی تحت تاثیر عوامل مختلفی از جمله حرکتی، مکانیک، محرکه و ساختمی باشد.اصول مکانیک تعایف در زیر ذکر شده معادلات اصول مکانیکی برای رسیدن به نامگذاری منحصر به فرد است که به این معادلات در زیر اشاره می شود. نیرو و گشتاور ارزش اساسی دینامیک نیروی F شرح داده شده در قانون دوم نیوتن، قانون شتاب است.( aشتاب لحاظ گردیده است) با استفاده از نیروی اهرم گشتاور M تولید می شود که دارای واحدنیوتن متر است.(R بردار نسبت به تکیه گاه است) کار مکانیکیکار مکانیکی است کاری است که به عنوان جابجایی جسم توسط نیرو مشخص می شود که انجام شده است.انرژی مکانیکی می تواند به صورت پتانسیل1 یا جنبشی2 باشد، انرژی پتانسیل می تواند کار انجام دهد مانند انرژی گرانشی3 یا انرژی ذخیره شده در فنرکشیده شده، انرژی در اشیاء محرک همچون بازوی روبات به صورت انرژی پتانسیل و حرکتی ذخیره می شود. واحد انرژی واحد همان کار است، که این موضوع را قانون بقای انرژی4 می نامند، بر اساس این قانون انرژی نمی تواند به صورت خود بهخودی به وجود آید یا از بین برود بلکه فقط می تواند از نوعی به نوع دیگر تبدیل شود. با توجه به قانون بقای انرژی کل انرژی وارد شده به یک سیستم باید با کل انرژی خارج شده از آن به علاوه انرژی تغییر شکل یافته برابر باشد. که این موضوع به عنوان یک رویکرد مشترک برای به دست آوردن مدل ریاضی مورد استفاده قرار می گیرد که یک ابزار خوب برای برآورد هزینه و بهینه سازی قطعات در یک سیستم مکانیکی است. توان توان سرعت انجام کار یا انرژی منتقل شده در واحد زمان است.در زیر معادلات تعیین انرژی جنبشی و چرخشی آمده است: Potential .1Kinetic .2Gravitational energy .3The law of conservation of energy .4توان الکتریکیبازده همیشه وقتی توان تبدیل می شود برخی از تلفات رخ می دهد. تلفات به برنامه بستگی دارد و می تواند شامل موارد زیر باشد: . خسارات ناشی از تلف شدن1 الکتریسیته به وسیله مقاومت الکتریکی. . زیان های ناشی از نشت مغناطیسی2 در ماشین های الکترومغناطیسی. . خسارات مکانیکی که توسط اصطکاک3 در یاتاقان ها4 و انتقال انرژی ایجاد می شود. در زیر قدرت از دست رفته است که عمدتا به قدرت حرارتی تبدیل شده است. کل3 سیستم تبدیل قدرت بازده مشترک برای چندین سیستم : Waste .1Magnetic leakage .2Friction .3Bearings .4چرخش حرکت چرخشی نشان داده شده در شکل های قبل می تواند توسط یک محور یا چرخش محوری تحقق یابد. این عنصر مانند مچ دست است که می تواند با چند بخش کوچک و کمترین وزن بهترین کارایی را بدهد. بخش محوری آن شامل لولا، محور و یاتاقان های محوری و بلبرینگ ها است، که توسط یک موتور یا دیسک خطی فعال می شود. مانند یک سیلندر هیدرولیک، این نوع از جفت حرکتی به نوعی برای روبات های صنعتی کاربرد دارد اما اشکال آن این است که برای عملیات حرکتی رو به جلو و معکوس توابع مثلثاتی مورد نیاز است. بازوی روباتیک تنها از مفاصل چرخشی تشکیل شده است. مصالحامروزه طیف گسترده ای از مواد در دسترس است. نه تنها نوعی از آلیاژهای فلزی بلکه پلاستیک و موادکامپوزیت مانند فیبرکربن می تواند مورد استفاده قرار گیرد که بسیاری از گزینه های طراحی را فراهم می کنند. پر استفاده ترین مواد در بیشتر بخش های بازو فولاد و آلومینیوم است، نه فقط خواص مکانیکی همچنین دیگر جنبه های دیگر مانند اندازه و شکل مورد نیاز در نظر گرفته می شود.کارایی ρ به این معنی است که با توجه به شکل مورد نظر مواد را می توان ماشینکاری نمود. مهم ترین معیار تراکم خاص و مدول الاستیسیته می باشد. که در آن m جرم و V حجم است.دقیق تر از آن رابطه تنش و کرنش با تغییر شکل الاستیک یک ماده است هنگامی که نیروی اعمال می شود.نمودار3 منحنی تنش و کرنشمرور کلی برخی از آلیاژهای فولاد برای ساخت ماشین به شرح زیر است:آلومینیوم1 آلومینیوم در مقایسه با مواد دیگر، یک ماده نسبتا جدید است که به ویژه برای ساخت و ساز بسیار سبک وزن به دلیل چگالی2 کم استفاده می شود. با توجه به لایه اکسید3 آلومینیوم در برابر خوردگی مقاوم است، یکی دیگر از مزیت ماشینکاری خوب است و به این دلایل آلومینیمبرای بخش هایی از بازوی روباتیک استفاده شده است. منیزیم4 مانند آلومینیوم، منیزیم ماده ای نسبتا جدید در قطعات ماشین ها است. اما چگالی پایین آن باعث می شود آن را به طور فزاینده در ساخت و ساز بسیار سبک وزن استفاده کنند از مزیای دیگر آن ماشینکاری خوب و می توان آن را توسط عملیات حرارتی5 سخت کرد. اشکال آن این است که منیزیم نسبت به آلومینیم ماده ای سخت می باشد و قابلیت انعطاف خوبی ندارد به علاوه منیزیم بسیار واکنش پذیر است و در در برابرخوردگی مقاوم نیست. موارد دیگربرای ساخت بازو و قطعات ماشین از پلاستیک ها و کامپوزیت ها6 نیز می توان استفاده نمود که کامپوزیت ها ترکیبی از مواد مختلفی هستند. قطعات استاندارد بلبرینگ7 بلبرینگ اجازه می دهد که حرکت بین دو عضو به راحتی صورت گیرد، بیشتر برای جنبش بوش و یا چرخش است. آنها می توانند به صورت کشویی و یا چرخشی حرکت کنند. بلبرینگ کشویی اغلب برای حرکت خطی یا چرخشی از مواد با اصطکاک کم همچون برنج، پلاستیک (نایلون) و مواد متحجر شده دردهانه چشمه آب گرم ساخته شده است.