تعریف هوش و هوشمندی از دیدگاه رباتیکی ها

امروزه کلمه هوش در زندگی روزمره بسیار کاربرد دارد. واژه هوش در رشته های مختلف علمی ، دارای معانی متفاوتی است. منظور یک روان شناس از هوش با منظور یک فیلسوف متفاوت است. این تفاوت در جامعه هم وجود دارد مثلا وقتی می گوییم فلانی شخصی هوشمندی است و یا می گوییم فلانی این مشکلات را به طرز هوشمندانه ای حل کرده است دارای دو منظور متفاوت از هوش هستیم. قطعا تعریف هوش در مهندسی رباتیک نیز با تعریف هوش در رشته  های دیگر متفاوت است.

نیرویی كه توسط یك گریپر رباتیك1 به قطعه كار اعمال می‌شود، اصولاً توسط مهندسین علم رباتیك محاسبه و گریپر مناسب انتخاب می‌شود. عموماً نیروی گریپر به عنوان اولین شاخص مورد نظر قرار می‌گیرد، اما به دلیل اهمیت گشتاور اعمالی از طرف گریپر، این موضوع نیز باید در نظر گرفته شود. در برخی موارد، گشتاوری كه از طرف گریپر به قطعه‌كار وارد می‌شود، توسط جداولی كه سازندگان گریپرهای استاندارد به مشتری ارائه می‌دهند، قابل محاسبه و استخراج است. این جداول بسیار مفیدند، اما تنها به‌عنوان یك راهنما می‌توان از آنها بهره جست زیرا فاقد دقت لازم برای انتخاب بهترین‌ها هستند. بنابراین، گاهی مشاهده می‌شود كه به دلیل عدم دقت در طراحی و انتخاب صحیح گریپرها، قطعات از روی گریپرها رها شده ویا آن‌قدر گریپر بزرگ یا اصطلاحاً Over Design در نظر گرفته شده كه تبعات افزایش هزینه را به دنبال خواهد داشت. در این مقاله، سعی شده است كه نحوه محاسبه نیرو و گشتاور مورد نیاز برای یك گریپر رباتیك، به روشی بسیار ساده معرفی شود.

تحلیل نیروی گریپر
معادله 1=1+1 در علم ریاضیات معنی ندارد، اما چگونه آن را در مورد یك گریپر می‌توان تحلیل كرد؟
در مورد گریپرها، در صورت اعمال نیروی 10 پوندی از سوی هر یك از فك‌ها2 در نهایت نیروی 10 پوندی به قطعه كار اعمال می‌شود كه می‌توان گفت 1=1+1. برای اطمینان از این موضوع می‌توان یك نیروسنج یا یك فنر با ضریب K مشخص مابین فك‌ها قرار داد و این نیرو را اندازه گرفت. مثلاً، اگر یك نیروی 40 پوندی به دیوار وارد كنید، چه اتفاقی برای دیوار خواهد افتاد؟ یا دیوار از جای خود حركت خواهد كرد (فرض تئوری) یا اینكه دیوار نیز یك نیروی 40 پوندی به بدن شما وارد می‌كند. در این صورت اگر جسمی مابین بدن شما و دیوار قرار گیرد، با یك نیروی 40 پوندی فشرده خواهد شد (نه یك نیروی 80 پوندی). با توجه به مثال فوق، براحتی می‌توان درك كرد كه نیروی یك گریپر تنها نیروی اعمال شده از طرف یكی از فك‌هاست و نمی‌توان جمع جبری مجموع دو فك را به‌عنوان نیروی نهایی منظور كرد. شكل 1، نمونه‌ای از یك گریپر رباتیك را نشان می‌دهد.

شكل 1: نمونه‌ای از یك گریپر رباتیك

بازده لغزشی گریپر
بازده لغزشی گریپرها، اغلب به كمك جداول تهیه شده توسط سازندگان آنها ارائه می‌شود. این جداول در اصل نمایانگر مقدار نیروی واقعی اعمال شده از سوی گریپر به مقدار نیروی تئوری محاسبه شده آن است كه عموماً از طریق انرژی الكتریكی یا بادی ایجاد می‌شوند.
بازده لغزشی زمانی مطرح می‌شود كه فك‌های گریپر به‌گونه‌ای طراحی شده باشند كه فقط نیروی اصطكاك عامل نگهدارنده قطعه كار مابین فك‌ها باشد. در این صورت وزن قطعه كار و شتاب حركت ربات در محاسبه میزان نیروی مورد نیاز حائز اهمیت است و باید لحاظ گردد.
فاكتورهای مورد نیاز برای انتخاب یك گریپر مناسب
دو فاكتور بسیار مهم در انتخاب یك گریپر نقش اساسی دارند:
1. نیروی گریپر
2. گشتاور
این دو فاكتور باید به‌گونه‌ای محاسبه و منظور شوند كه یك گریپر حداقل برای 10 تا 20 میلیون سیكل كاری، كارایی داشته باشد.

نیروی مورد نیاز گریپر رباتیك
فاكتور فك
شكل فك‌ها، نقش اساسی را در تعیین نیروی مورد نیاز یك گریپر رباتیك بازی می‌كند. به‌طور كلی دو نوع فك در فرایند طراحی و ساخت گریپرها مورد استفاده قرار می‌گیرد:
1. فك‌های اصطكاكی
2. فك‌های در برگیرنده
در مورد فك‌های اصطكاكی، عامل نگهدارنده قطعه‌كار، فقط نیروی اعمال شده از طرف فك‌ها به قطعه كار است. در واقع در این گونه فك‌ها، نیروی اصطكاك نقش اصلی را بازی می‌كند.
اما در مورد فك‌های در برگیرنده، در واقع استقرار قطعه كار مابین فك‌ها و احاطه كردن قطعه‌كار، نقش اساسی را ایفا می‌كند.
مزیت عمده فك‌های در برگیرنده، كاهش چشم‌گیر نیروی مورد نیاز برای نگهداشتن قطعه است به شكلی كه این نیرو را در مقایسه با فك اصطكاكی تا 4 برابر كاهش می‌دهد. مثلاً، اگر بخواهیم شرایط یك گریپر اصطكاكی را شبیه‌سازی كنیم، در نظر بگیرید كه شما یك توپ را میان دو دست خود(بدون استفاده از انگشتانتان) نگهداشته‌اید و از طرف كف دستتان به توپ نیرو وارد می‌شود، اما فك‌های در برگیرنده را می‌توان به نگهداشتن توپ با استفاده از انگشتان دو دست تشبیه كرد. لذا طبیعی به نظر می‌رسد كه در حالت دوم نیروی بسیار كمتری از طرف بازوها اعمال خواهد شد. بنابراین، تصور كنید چقدر راحت‌ترید كه انگشتان خود را دور توپ احاطه كرده باشید تا اینكه فقط از نیروی اصطكاك مابین دستان خود و توپ استفاده كنید. شكل 2 یك نمونه گریپر اصطكاكی و یك نمونه گریپر در برگیرنده را نشان می‌دهد.
همان‌طور كه اشاره شد، در مورد گریپرهای در برگیرنده نیروی مورد نیاز 4 برابر كمتر از نیروی مورد نیاز گریپرهای اصطكاكی است. بنابراین می‌توان گفت فاكتور فك (Jaw Factor=JF) در این موارد برابر است با عدد 4.
(JF=4 برای گریپرهای اصطكاكی JF=1 برای گریپرهای در برگیرنده)

شكل 2: نمونه‌ای از یك گریپر اصطكاكی و یك گریپر دربرگیرنده

وزن قطعه‌كار
فاكتور مهم دیگری كه در تعیین نیروی مورد نیاز گریپرها نقش كلیدی دارد، وزن قطعه‌كار است. در كاربردهای ربات برای جابجایی قطعات، به‌دلیل حركات سریع ربات، این وزن كه حاصل شتاب حركت است، 3 یا 4 برابر حالتی خواهد شد كه قطعه كار به‌طور ثابت باشد. بنابراین، در زمان محاسبه نیروی مورد نیاز گریپر، باید هم وزن قطعه كار و هم شتاب حركت و فاكتورهای دینامیكی مربوطه، منظور شوند.
در كاربرد یك گریپر بر روی ربات، نكته مهم شتاب مثبت یا منفی حركت ربات است زیرا در زمانی كه ربات با سرعتی ثابت حركت می‌كند، سرعت قطعه‌كار نیز با ربات برابر شده و نیروی مضاعفی برای نگهداشتن آن لازم نیست، اما در ابتدای حركت یا توقف، این موضوع خود را آشكارا نشان می‌دهد. مثلاً، زمانی كه در یك خودرو با سرعت 80 كیلومتر در ساعت حركت می‌كنید، احساس ناراحتی ندارید، اما در ابتدای حركت یا در زمان ترمز ناگهانی، احساس ناراحتی می‌كنید. هر چه سریعتر شروع به حركت كنید، یا هر چه سریعتر متوقف شوید (شتاب بیشتر) احساس ناراحتی بیشتری خواهید داشت. در مورد گریپرها نیز موضوع شتاب، موضوعی اساسی است. علاوه‌بر شتاب ثقل قطعه، باید شتاب حركت آن را نیز منظور كرد.
به منظور محاسبه نیروی مورد نیاز گریپر، فرمول زیر معرفی می‌شود:
GF = W × (1 + Gs) × JF
كه در آن GF= نیروی مورد نیاز گریپر (lbs)
W= وزن قطعه كار (lbs)
Gs= شتاب حركت
JF= فاكتور فك
lG = 32 ft/s­2 (9.7m/s2)
به عنوان مثال، یك توپ با وزن 14 پوند با یك گریپر (اصطكاكی) JF=4 و شتاب ربات 1.5G، نیروی 140 پوندی لازم دارد.
F= 14× (1+1.5) ×4=140Lbs
اما همان قطعه با یك گریپر در برگیرنده JF=1 و شرایط ثابت، به نیروی 35 پوندی نیاز دارد.
F= 14× (1+1.5) ×1=35Lbs

گشتاور مورد نیاز یك گریپر رباتیك
گشتاور بازوهای گریپر، فاكتور مهم دیگری است كه در زمان انتخاب یك گریپر باید مدنظر قرار گیرد. در مورد یك گریپر دو نوع گشتاور وجود دارد:
1. گشتاوری كه توسط خود گریپر ایجاد می‌شود
2. گشتاوری كه توسط وزن قطعه و با اعمال حركت توسط ربات ایجاد می‌شود
هر دو گشتاور یاد شده باید به‌طور مستقل مورد بررسی و محاسبه قرار گیرند.

گشتاور نوع اول
عموماً بر روی گریپرها، از فك‌های بلند استفاده می‌شود. مثلاً، در مواقعی كه خود قطعه كار دارای ابعادی بزرگ است، مانند سرسیلندر یا بلوك سیلندر، شكل 3، یا در مواقعی كه باید قطعه‌كار با فاصله از ربات قرار گیرد و در داخل دستگاهی دیگر بارگذاری شود، از فك‌های بلند استفاده می‌شود. بنابراین، هر قدر طول فك بلندتر باشد، گشتاور بیشتری خواهیم داشت. شكل 4 یك گریپر با طول فك 6 اینچ را نشان می‌دهد.
برای محاسبه گشتاور از فرمول زیر استفاده می‌شود:
GT: GF×L
GT= گشتاور گریپر (lbs-In)
G.F= نیروی گریپر (lbs)
L= طول فك گریپر (In= Inches)
به عنوان مثال، فرض كنید یك گریپر با طول فك 6 اینچ و نیروی 100 پوندی وجود دارد. بنابراین گشتاوری معادل 600 پوند اینچ روی گریپر خواهیم داشت.

شكل 3: یك گریپر در برگیرنده با فك‌های بلند

 

 

شكل 4: یك گریپر با طول فك 6 اینچ برای محاسبه گشتاور

گشتاور اعمالی از قطعه كار به گریپر در حالت دینامیكی
در حالت دینامیكی، به دلیل اعمال شتاب حركت در موقعیت‌های مختلف، گشتاور قطعه كار افزایش می‌یابد كه به منظور درك دقیق‌تر موضوع، چند مثال در موقعیت‌های مختلف مطرح می‌شود.
در موقعیت شكل 5 كه حركت ربات به صورت عرضی است، فقط شتاب در جهت محور مذكور منظور خواهد شد و شتاب در جهت بالا و پایین وارد محاسبات نمی‌شود.
بنابراین، گشتاور قطعه كار، از حاصل ضرب شتاب (GS) × وزن قطعه كار× طول فك، محاسبه می‌شود. در این مثال، ربات با شتاب 1.5G حركت می‌كند، بنابراین گشتاور فك خواهد شد:
TJ = L×W×1.5G
= 6” ×40lbs×1.5G=360lbs-in
TJ= گشتاور فك (lbs-in)
W= وزن قطعه كار (lbs)
L= طول بازو فك (in)
1.5G= شتاب حركت ربات
در صورت حركت عمودی ربات (شكل 6) شتاب مركز جرم قطعه كار كه معادل یك G است نیز باید به آن افزوده شود.

شكل 5: اعمال شتاب در محور عرضی

در این صورت با احتساب شتاب محور عمودی، معادل 1.5G خواهیم داشت:
TJ= 6 × 40 × (1 + 1.5) G= 600 Lbs-in
در نهایت، كل گشتاور ایجاد شده مساوی خواهد بود با گشتاور قطعه كار (TP) به اضافه گشتاور فك كه مطابق فرمول زیر خواهد بود:
Total Torque = L × GF + L × W + (Acceleration + 1G)

محاسبه گشتاور یك گریپر در برگیرنده
اگر قطعه‌ای داشته باشیم با وزن 14lbs با شتاب محور عرضی 2G و طول فك7” (از مركز جرم قطعه كار تا انتهای فك) مطابق با شكل 7، نحوه محاسبه گشتاور به روش زیر خواهد بود:
1) GF = W × (1 + 2) × J.F = 14 × 3 × 1 = 42 lbs
2) TJ = L × GF = 7 × 42 = 294 lbs-in
3) Tp = L × W × Acc = 7 × 14 × 2 = 196 in-Pound
4) Total T = TJ + TP = 294 + 196 = 490 in-Pound

شكل 7: مثال از یك گریپر در برگیرنده

بنابراین، یك گریپر با نیروی 42 پوندی، دارای گشتاور كل 490 پوند- اینچ خواهد بود.

نرم‌افزارهای طراحی و انتخاب گریپر
برخی تامین‌كنندگان مطرح و بزرگ دنیا، به‌منظور فراهم ساخت امكان انتخاب سریع و آسان گریپرهای تولیدی خود، اقدام به تهیه نرم‌افزارهای مهندسی در این حوزه كرده‌اند. در این نرم‌افزارها، كاربر براحتی با وارد كردن داده‌های استاتیكی دو دینامیكی مورد نیاز، شامل اطلاعات قطعه كار و سرعت و شتاب، می‌تواند براحتی گریپر مورد نیاز خود را انتخاب كند. از جمله نرم‌افزارهای معروف می‌توان به نرم‌افزار Gripper Selection Festeo Ver.4.0.0.5 اشاره كرد (شكل 8).

شكل 8 : نرم‌افزار Gripper Selection شركت فستو

محدودیتی كه در استفاده از این نرم‌افزارها وجود دارد، این است كه نرم‌افزار تنها برای محصولات شركتی خاص طراحی شده و به‌ندرت می‌توان از آنها در سایر موارد استفاده كرد. مثلاً، در نرم‌افزار فستو در مرحله اول، نوع گریپر مورد نظر انتخاب می‌شود، سپس اطلاعات ورودی قطعه كار شامل: فاصله عرضی مركز ثقل قطعه كار تا محور دوران، وزن قطعه و طول كورس منظور شده برای گریپر وارد می‌شود (شكل 9).

شكل 9: ورود اطلاعات قطعه كار

در مرحله بعد، اطلاعات دینامیكی شامل: تعیین محور اعمال حركت، میزان شتاب وارده، نحوه اتصال گریپر به ربات، برای اعمال نیرو از طرف گریپر به قطعه كار، نوع گیرش قطعه (اصطكاكی یا دربرگیرنده) و سایر اطلاعات طراحی مانند فشار باد سیستم، ضریب اصطكاك بین قطعه كار و فك‌ها و ضریب ایمنی وارد خواهد شد (شكل 10).
در آخرین مرحله، گریپر مناسب از طرف نرم‌افزار با ارائه شاخص‌های محاسبه شده تعیین می‌شود (شكل 11).

شكل 10: ورود اطلاعات دینامیكی و تعیین نوع فك‌ها در نرم‌افزار شركت فستو

شكل 11: گریپر پیشنهادی با استفاده از نرم‌افزار

نتیجه‌گیری
به‌طور خلاصه می‌توان گفت كه فاكتورهای اصلی موثر بر گریپر رباتیك، شامل نوع فك، طول فك، شتاب، وزن قطعه و نوع كاربرد آن است. بنابراین، با در نظر گرفتن این فاكتورها و انجام محاسبات اولیه علم استاتیك و دینامیك، می‌توان براحتی گریپر مورد نیاز را انتخاب كرد.

منبع:http://old.sanatekhodro.com