رباتیک و صنعت

در حال حاضر اکثر ربات ها در عمل در این مرحله قرار دارند و به عنوان یک وسیله ی خودکار و برنامه ریزی شده عمل مینمایند. به هر حال آنها نمیتوانند روی محیط شان اثر بگذارند و مهمتر از آن محیط آنها نمیتواند تغییر نماید.

در مرحله ی دوم ربات با یک سری فعالیتها میتواند محیط اطراف را تغییر داده و تاثیرگذاری و تغییر محیط را به دنبال داشته باشد.

اگر هدف رباتیک تولید ماشین شبیه به انسان باشد الگوی اصلی میتواند انسان قرار گیرد.البته ربات سعی در یادگیری خصوصیاتی از انسان را دارد که مورد نیاز و مفید باشد و لزومی ندارد که تمامی خصوصیات در یک ربات جمع گردد بلکه ربات ها بر حسب کارشان به صورت تخصصی عمل کرده و تقسیم میگردند.

کلمه ربات توسط Karel Capek نویسنده نمایشنامه R.U.R (روبات‌های جهانی روسیه) در سال 1921 ابداع شد. ریشه این کلمه، کلمه چک اسلواکی(robotnic) به معنی کارگر می‌باشد.

در نمایشنامه وی نمونه ماشین، بعد از انسان بدون دارا بودن نقاط ضعف معمولی او، بیشترین قدرت را داشت و در پایان نمایش این ماشین برای مبارزه علیه سازندگان خود استفاده شد.

البته پیش از آن یونانیان مجسمه متحرکی ساخته بودند که نمونه اولیه چیزی بوده که ما امروزه ربات می‌نامیم.

امروزه معمولاً کلمه ربات به معنی هر ماشین ساخت بشر که بتواند کار یا عملی که به‌طور طبیعی توسط انسان انجام می‌شود را انجام دهد، استفاده می‌شود.

ایزاک آسیموف نویسنده داستان‌های علمی تخیلی قوانین سه‌گانه رباتیک را به صورت زیر تعریف‌کرده است:

1ـ یک ربات نباید به هستی انسان آسیب برساند یا به واسطه بی‌تحرکی، زندگی یک انسان را به مخاطره بیاندازد.

2ـ یک ربات باید از دستوراتی که توسط انسان به او داده می‌شود، اطاعت کند؛ جز در مواردی که با قانون یکم در تضاد هستند.

3ـ یک ربات باید تا جایی‌که با قوانین یکم و سوم در تضاد نباشد از خود محافظت کند.

تعریف ربات

تعریفی که توسط موسسه ی رباتیک آمریکا(RIA)صورت گرفته ایت به شرح ذیل است:

ربات وسیله ای است با دقت عمل زیاد که قابل برنامه ریزی مجدد بوده و توانایی انجام چند کار را دارد.این وسیله برای حمل مواد،قطعات،ابزارها یا سیستم های تخصصی طراحی گردیده و دارای حرکات مختلف و برنامه ریزی شده است. هدف از ساخت ربات انجام وظایف گوناگون میباشد.

دسته بندی ربات ها

ربات ها در سطوح مختلف دارای دو خاصیت تنوع در عملکرد و قابلیت تطبیق خودکار با محیط میباشند.براساس این خاصیتها دسته بندی ربات ها انجام میگیرد:

1- دسته بندی اتحادیه ی ربات های ژاپنی((JIRA

ربات ها به شش دسته تقسیم میشوند:

دسته اول- وسیله ای که توسط دست کنترل میشوند:

وسیله ای که دارای درجات آزادی متعدد بوده و توسط عامل انسانی کار میکند.

دسته دوم- ربات برای انجام کارهای متوالی بدون تغییر:

وسیله ای برای حمل اشیا که مراحل متوالی وظیفه خود را برمبنای یک روش از پیش تعیین شده انجام میدهد و ایجاد تغییر و بهسازی در آن مشکل است.

دسته سوم- ربات برای کارهای متوالی متغیر:

وسیله ای برای حمل اشیا طمابق دسته دوم با این تفاوت که ایجاد تغییر و بهسازی در آن راحت است.

دسته چهارم- ربات مقلد:

اپراتور در ابتدای امر به صورت دستی با هدایت یا کنترل ربات کاری را که باید اجرا شود انجام میدهد و ربات مراحل انجام وظیفه را در حافظه ضبط مینماید.هروقت لازم باشد میتوان اطلاعات ضبط شده را از ربات دوباره درخواست نمود و ربات وظیفه درخواست شده را به صورت خودکار انجام میدهد.

دسته پنجم- ربات کنترل عددی:

عمل انسانی وظیفه ربات را توسط یک برنامه کامپیوتری به او تفهیم مینماید و نیازی به هدایتدستی ربات نیست.

دسته ششم- ربات باهوش:

رباتی است به توانایی درک محیط خود و تکمیل موفقیت آمیز یک وظیفه،این ربات علیرغم ایجاد تغییرات مختلف در شرایط محیطی باید به وظیفه خود عمل نماید.

2- دسته بندی موسسه رباتیک آمریکا((RIA

در این سیستم تنها ماشین های موجود در دسته های 3تا6سیستم JIRA ربات محسوب میشوند.

ربات ها چه کارهایی انجام میدهند

بیشتر ربات‌ها امروزه در کارخانه‌ها برای ساخت محصولاتی مانند اتومبیل؛ الکترونیک و همچنین برای اکتشافات زیرآب یا در سیارات دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ربات ها از چه ساخته میشوند؟

ربات‌ها دارای سه قسمت اصلی هستند

1- مغز که معمولاً یک کامپیوتر است.

2- محرک و بخش مکانیکی شامل موتور، پیستون، تسمه، چرخ‌ها، چرخ دنده‌ها و …

3- سنسور که می‌تواند از انواع بینایی، صوتی، تعیین دما، تشخیص نور، تماسی یا حرکتی باشد.

با این سه قسمت، یک ربات می‌تواند با اثرپذیری و اثرگذاری در محیط کاربردی‌ترشود.

ساختمان ربات

ربات ماشین پیچیده ای است و برای اینکه بدانیم چگونه کار میکند مهم است که راجع به ساختمان و نیرویی که ربات را به حرکت در می آورد و سیستمی که آن را کنترل میکند اطلاعات کافی داشته باشیم.

سیستم های ربات صنعتی

ربات صنعتی از پنج قسمت که با هم در ارتباط اند تشکیل شده است که عبارتند از:

1- مجموعه اندامهای مکانیکی:

این مجموعه شامل بازوهای پیوسته ای است که به حالت لولا به هم متصل شده و قابل حرکت اند.مفصلهای ربات را میتوان به یکی از دو صورت دورانی یا منشوری به کار برد. هر مفصل و بازو تشکیل دهنده ی یک درجه آزادی است.

بازوهای ربات هیچ وقت یک مدار بسته را تشکیل نمیدهند و هر دو بازو به دو شکل مینوانند به هم متصل شوند:یکی دورانی که در هم به صورت لولا قرار میگیرند و در داخل هم قابلیت چرخش دارند و دیگری منشوری که آن هم لولا شده ولی فقط قابلیت پایین و یا بالا رفتن دارند.

2- سیستم نیروی محرکه یا کارانداز:

سیستمهای محرکه، تولیدکننده ی قدرت و یا نیرو هستند که زیر نظر یک سیستم کنترل شده با دقت مفصلها و بازوهای ربات را به حرکت در می آورند.3نوع سیستم نیروی محرکه که در رباتها استفاده میشوند عبارتند از:

الف- سیستم بادی یا پنوماتیک:

این سیستم عموما در رباتهای صنعتی که در مونتاژ یا جا به جا کردن قطعات به مراکز و محلهای ثابت به کار گرفته میشوند وجود دارد.استفاده از فشار هوا ارزان شناخته شده است.ولی مشکل چنین سیستمی کمبود کنترل دقیق بر روی سیستم مربوطه است و حرکتها تنها بین نقاطی که قبلا با مانعهای مکانیکی تعیین شده است مشخص و حرکتی بیش از این محدوده ی مکانیکی امکان پذیر نیست.البته سرعت این سیستم خوب است و دقت آن تا زیر میلیمتر نیز است.

ب- سیستم روغنی یا هیدرولیک:

این سیستم از قابلیت کنترل بالایی برخوردار است و توانایی ایجاد نیروی زیادی دارد.

البته رباتهایی که از سیستم روغنی یا هیدرولیک استفاده میکنند رباتهای تقریبا بزرگی هستند که برای طراحی و نگهداری نیاز به تخصص بالایی دارند.این سیستم احتیاج به پمپ هیدرولیکی داشته و به همین دلیل در صورت خرابی محیط و ربات را روغنی میکند.

ج- سیستم برقی:

از این سیستم در رباتهای کوچک که متداولترین رباتها نیز هستند بیشترین بهره گیری به عمل می آید.

3- سیستم انتقال نیرو:

دستگاه یا سیستم انتقال نیرو واسطه ای است بین مجموعه اندامهای مکانیکی و سیستم نیروی محرکه که میتواند نیروی محرکه را از محل تولید به یکی از اجزاء ربات مانند مفصلها، بازو، مچ و انگشتهای گیرنده انتقال دهد.رباتهایی که از سیستم نیروی محرکه هیدرولیکی و یا پنوماتیکی استفاده میکنند مستقیما از طریق مرکز تولید نیرو و معمولا بدون استفاده از واسطه های سیستم انتقال نیرو به حرکت در می آیند.

4- سنسور یا سیستم حسی:

سنسورها چشمهای ربات اند که دارای شکلهای مختلف از قبیل لمس کننده، برقی، نوری و غیره هستند. سنسورها قسمت مههی از ربات محسوب میشوند.

5- دستگاه کنترلر و یا کامپیوتر ربات:

قسمت اصلی در سیستم هر ربات دستگاه کنترلر آن است.در حقیقت برتری یک ربات را میتوان از روی قابلیت هوشمندی دستگاه کنترلر آن تعیین کرد.کنترلر دریافت کننده اطلاعات از سنسورها است.رباتهایی که دارای کنترلر ساده اند بیشتر حالت ماشین را پیدا میکنند.در صورتی که در رباتهایی که دارای کنترلر برتر و پیشرفته اند انجام کارها با دقت صورت میگیرد و امکانات برنامه نویسی که قابلیت تغییرپذیری را فراهم می آورد نیز بیشتر است.

پیکره ی ربات:

ربات صنعتی یک بازوی مکانیکی است که قابلیت انجام کارهای تقریبا عمومی را دارد و پیکره آن تشکیل شده است از چند بازوی متفاوت که به صورت متوالی به هم متصل و مانند لولا در یکدیگر قابلیت حرکت دارند و این حرکت به دو صورت دورانی و یا انتقالی است.

یک سر این زنجیره به پایه ای ثابت که نگه دارنده ی ربات است وصل شده و سر دیگر آن آزاد است که قابلیت تغییر مکان در فضا را داشته و به ابزار انجام دهنده ی کار مورد نظر متصل است.

ازنظر مکانیکی یک ربات از دو قسمت تشکیل شده است که قسمت اوا عبارت است از بدنه ی اصلی بازوی ربات که فاصله ی شانه تا مچ و قسمت دیگر از مچ به علاوه ی ابزار کار است.قسمت بدنه ی اصلی بازوی ربات متشکل از سه درجه آزادی متحرک است. مجموعه این سه حرکت مشخص کننده ی مکان مچ ربات در فضاست.قسمت مچ معمولا از دو و یا سه درجه آزادی متحرک تشکیل شده که مجموعه ی حرکتهای آن جهت ابزار ربات را مطابق با ساختمان جسم یا قطعه کار مورد نظر که باید به وسیلهی ابزار ربات برداشته و یا کار روی آن انجام شود مشخص میکند.حرکت اجزای قسمت مچ اکثرا به صورت پایین و بالا، راست وچپ،دورانی است.

راههای مختلف برنامه ریزی ربات

مسلما اطلاعاتی که از طریق سیستمهای حسی یا سنسورهای ربات به کنترلر ربات فرستاده و یا برگردانده میشود باید مورد بررسی قرار گیرد و این خود مساله مهمی در کنترل کردن به حساب می آید.اکثرا و شاید تمامی رباتها میتوانند سنسورهای ساده ای را در خود به کار گیرند مانند: سنسورهای کلید پیوسته، سنسورهای نوری، سنسورهای هدایت کننده، سنسورهای خازنی و نوعهای دیگر.سیگنال های لازم جهت بررسی از طریق دریچه ورود و خروج کنترلر ربات به سنسورهای حسی فرستاده میشوند ولی هنوز کنترلر رباتها آن هوشمندی کافی را ندارند که بتوانند از این اطلاعات در رابطه با اصلاح کردن رفتار و حرکت ربات طبق یک برنامه مشخص قبلی و به صورت بلادرنگ یا در یک زمان واقعی مورد استفاده قرار گیرند.

روشهای انتخاب شده در نحوه ی کاربرد ربات اکثرا بستگی به محدودیتهای کنترلر دارد

که ما در اینجا 4روش را به اختصار بیان میکنیم:

1- برنامه ریزی دستی:

متصدی دستگاه یا اپراتور با استفاده از کلیدهایی مانند قطع کننده یا متوقف کننده برنامه مورد نظر را برای ربات مشخص میکند.البته این نحوه ی برنامه ریزی در کارهای خیلی ساده مانند برداشتن و گذاشتن مورد استفاده قرار میگیرد.

2- برنامه ریزی هدایت مستقیم:

متصدی دستگاه یا اپراتور با استفاده از بازآموز دستی ربات و یا سیستمهای صدا که به کنترلر ربات مرتبط شده است کارگیر یا موثر نهایی را برای جا به جایی در دست میگیرد.وقتی که موثر نهایی به مکان مورد نظر میرسد مقدار تغییر در مفصلها و یا بازوهای ربات در حافظه کنترلر ربات ضبط میشود.استفاده از این روش رد مواقعی که نشان دادن مسیر مورد تقاضا از نظر ریاضی خیلی مشکل ولی انجام آن به وسیله ی متصدی ساده باشد انجام میگیرد، همچنین در مواقعی که رباتها برای داخل کردن قطعات حساس در یکدیگر به کار گرفته میشوند استفاده از برنامه ریزی هدایت مستقیم میتواند مناسبترین نوع برنامه ریزی برای رباتها باشد.

3- برنامه ریزی مسیر حرکت ربات:

این شیوه برنامه ریزی، متداولترین نوع برای رنگرزی، جوشکاری و کارهایی از این قبیل است.در اینجا اپراتور میتواند دسته ی گیرنده ی ربات را که به سادگی قابلیت جداشدن

از ربات را دارد در دست گرفته و ابزار کار مورد نیاز را به آن متصل کند و برای کار مشخصی مورد استفاده قرار دهد.

4- برنامه ریزی ربات خارج از تولید:

در این نوع برنامه ریزی از زبان برنامه نویسی سطح بالا استفاده میشود.خاصیت استفاده از این زبان برنامه نویسی نزدیکی آن به زبان انسان است، چون نحوه ی نوشتن و مدیریت آن آسانتر است.گاهی این برنامه به طریق کنترل از راه دور و یا خارج از خط تولید تهیه میشود.بدین طریق که برنامه کامپیوتری مورد نظر که در فاصله دور و جدا از خط رباتیک است از طریق خطوط ارتباطی به کنترلر فرستاده میشود.بعضی از زبانهای برنامه نویسی که برای استفاده کنندگان و یا محققان از اهمیت زیادی برخوردار است عبارتنداز:

WAVE – AL – AUTOPASS- POINTY- SIGLA- MAL- HELP- PART- ROBOX- MCL- AML- VAL – RAP.

برنامه نویسی و شبیه سازی گرافیکی ربات

در حال حاضر علاقه زیادی در ایجاد توانایی رابطه سیستمهای CAM/CADبا برنامه نویسی های ربات و ماشینهای CN وجود دارد.ایجاد کردن مدلهای سه بعدی با استفاده از متد اسکلت سیمی که به صورت خطهای متصل است میتواند ساده باشد ولی اطلاعات دقیقی را از سطح جسم مورد نظر در اختیار نمیگذارد.بعضی از طرحهایی را که میتوان به وسیله گرافیک کامپیوتری حل و یا حداقل شبیه سازی کردعبارتند از:

احتیاج به مسیرهای بدون تلاقی، صفحه آرایی حرکتها و قسمتهایی که کار باید در آنجا صورت گیرد به علاوه زمان سیکل مطلوب و انیمیشن یا نقاشی متحرک سه بعدی در رابطه با حرکتهای ربات.

کنترلر ربات

کنترلر ربات قسمتی ازسیستم رباتیک و کنترل کننده ی حرکات ربات است که با فاکتورهای خارجی مانند ناقلها، دستگاههای جوش، رنگرزی و دستگاههای دیگر ارتباط دارد و این فاکتورها در طراحی شبکه تولید مورد استفاده قرار میگیرند.یک کنترلر متشکل از قسمتهای مختلف است که هر قسمت در انجام وظیفه ای فعالیت میکند.

اکثر شرکتهای تولیدکننده ی ربات دارای کنترلرهای استانداردی هستند که فقط در رباتهای تولید شده ی آن شرکت قابل بهره برداری است.تنها اختلافی که کنترلرهای یک شرکت تولیدکننده ی ربات ممکن است با هم داشته باشند نیاز به مدارهای حرکت دهنده ی موتورهایی است که دارای اندازه ها و قدرتهایی متفاوت هستند.قسمتهای مشترک کنترلرها امر مهمی در اقتصادی بودن سیستم رباتیک است.

سنسورهای ربات

رباتها دارای دو دوره هستند: روباتهای دوره ی امل هیچ آگاهی نسبت به محیط اطراف خود ندارند و بی توجهی به تغییراتی که ممکن است در اطرافشان به وجود آید تنها دستوری را انجام میدهند که به آنها داده شده است.در واقع برای اینکه یک برنامه به خوبی انجام شود باید ربات را در محیطی که به دقت زیرنظر است قرار داد.

تکامل علم رباتیک باعث به وجود آمدن دوره ی دوم رباتها شده است که دارای حسهای بینایی، لامسه، شنوایی، و حتی بویایی و چشایی هستند.این حواس خارجی خصوصا در کار مونتاژ اتوماتیکی که اطلاعات بینایی و لامسه در آنها ضروری است اهمیت دارد.

سنسورها از اهمیت بسیار زیادی برخوردارند که ما باختصار آنها را توضیح میدهیم:

سنسورهای لامسه:

سنسورهای لامسه در رباتیک برای گرفتن اطلاعات در رابطه با تماس بین بازوی مکانیکی و اجسام به کار میروند.اطلاعات لامسه میتوانند استفاده هایی در مشخص کردن مکان و شناسایی اجسام داشته و همچنین نیرویی را که به وسیله ی بازوی مکانیکی بر روی اجسام به وجود می آید کنترل کنند.سنسورهای لامسه بر سه نوع اند:

سنسورهای نزدیک شونده یا بدون برخورد:

سنسور نزدیک شونده یا بدون برخورد تعیین کننده ی وجود یا عدم وجود جسم یا قسمتی از جسم در محدوده ی میدان عمل کارگیر یا موثر نهایی است.سنسورهای لامسه برای پیدا کردن جای دقیق و برداشتن جسم از طریق تماس عمل میکند.سنسورهای بدون برخورد دو مزیت برسنسورهای لامسه دارند:

اول اینکه اجسامی که باید شناسایی شوند صدمه نمی بینند و دوم اینکه سنسورهای نزدیک شونده در برخورد دایم با اجسام نیستند و این امر باعث میشود عمر آنها بیشتر باشد.

سنسورهای بردسنج:

همان طور که عنوان شد سنسورهای بدون برخورد یا نزدیک شونده برای آشکارسازی و یا تعیین فاصله اجسام در محدوده ای مشخص مورد استفاده قرار مگییرند که معمولا میتوانند بین میلیمتر تا سانتیمتر را اندازه گیری کنند.اما زمانی که فاصله ها زیادتر میشود (مانند متر و یا کیلومتر) باید از سنسورهای بردسنج کهمعمولا از روش فرستادن موج مافوق صوت یا نور بهره میبرد استفاده کرد.

استفاده سیستم رباتیکی در امر بازبینی

در حال حاضر 95درصد از رباتها در شش مورد زیر به کار گرفته میشوند: جوشکاری، بارگیری، انتقال قطعه در ماشین، رنگرزی، مونتاژ، استفاده از ماشین.درصد کمی از رباتها نیز هستند که در کار بازبینی یا نظارت مورد بهره برداری قرار میگیرند مثلا پیدا کردن نشت گاز و مایعات در سیستمهای لوله کشی یکی از این موارد است البته باید متذکر شویم که استفاده از علم رباتیک در بازبینی و شناسایی اخیرا به علت نیاز فراوان مورد تحقیقات بیشتر قرار گرفته است.

هدف از سیستم بازرسی رباتیکی نیز این است که بتواند پیشرفته ترین سیستم بازبینی و بازرسی از مکانها و مراکزی که به آسانی امکان دست به آنها میسر نیست به عهده گیرد.مانند داخل لوله و یا محیط هایی که آغشته به مواد خطرناک و یا آلوده است.

مراکز استفاده کننده از سیستم بازبینی رباتیکی

1- شرکت نفت

2- شرکت گاز

3- کارخانه های تهیه مواد شیمیایی، شیمی و پتروشیمی

4- مراکز اتمی

5- فسیل شناسان

6- نیروگاههای آبی

7- شرکتهای تولیدکننده ی برق

8- پخش کنندگان گاز طبیعی

9- شرکتهای نقل و انتقال نیرو

10- سازمان آب شهرداری

11- اداره دفع فاضلاب

12- حفاران چاه آب

13- نمایندگی های نظارت بر آبهای زیرزمینی

14- مهندسین مشاور

15- نمایندگی های محیط زیست و…

امتیاز سیستم بازبینی رباتیک

شرکتهای خدماتی که در رفع احتیاجات مردم فعالیت دارندمیتوانند با به کارگیری سیستم بازرسی رباتیک در مخارجی مانند تعمیرات ساختمان، کارهای اجرایی صرفه جویی کنند و همچنین از این سیستم برای ایمنی کارهای اجرایی از قبیل سیستم پخش گاز استفاده کنند.مسلما استفاده چنین سیستمی باعث صرفه جویی زیادی در کار حفاری، اصلاح یا ترمیم لوله ها و همچنین بهبود در اجرای کار میشود.

مزایای سیستم بازرسی رباتیک به علت قابلیتهایش اثر مثبتی در امر تاسیسات پخش گاز طبیعی برای شرکتهای مربوطه و همچنین کمک در جهت بهبود محیط زیست دارد.

قابلیت استفاده ازسیستم رباتیک

با در اختیار گذاشتن و آزمایش دادن چنین سیستمی در امور اجرایی، ایمنی و تعمیر به شرکتهای مورد نیاز میتوان کمک فراوانی به ارتقای توانایی موجود آنها کرد.در ضمن اگر شرکتهای خدماتی به این سیستم مجهز باشند میتوانند به صورت قراردادی و یا در مواقع ضروری به شرکتهای مورد نیاز سرویس و خدمات ارایه دهند.