آموزش ساخت ربات

قسمتهای مکانیکی - بخش اول

نمونه ای از ربات پرتابگر ساخته شده توسط دانش آموزان استان اصفهان

این قسمت ها شامل سازه مکانیکی ربات به همراه نیروی محرکه ربات می شود که مجموعاً علاوه بر شکل دهی به ربات قابلیتهای حرکتی ربات را نیز ایجاد می کنند.

سازه مکانیکی معمولاً به گونه ای ساخته می شود که همه حالاتی که ربات در آن قرار خواهد گرفت را پشتیبانی نماید. مثلاً اگر ربات شما قرار است یک وزنه 100 کیلوگرمی را جابجا نماید سازه مکانیکی ربات اولین قسمتی است که باید سازگاری کامل با این وزنه داشته باشد. وقتی می گوییم سازگاری کامل یعنی اولاً مقاومت کافی در برابر این وزن و ثانیاً شکا آن به گونه ای باشد که بتواند وزنه را به راحتی جابجا کند ممکن است در محیط محدودیتی برای روبات شما وجود داشته باشد ، مثلاً ارتفاع ربات یا وزن آن به دلیلی محدود باشد که این موارد نیز از جمله مواردی است که سازه ربات باید با آنها همخوانی داشته باشد. با توجه به نکات ذکر شده ، بهترین جنس را برای ساختن ربات انتخاب می کنند برای انتخاب مواد اولیه نکاتی مانند وزن ، مقاومت کششی و خمشی ، جنس ، قیمت ، قابلیت انعطاف پذیری و ... مورد توجه قرار می گیرد. در صورتی که می خواهید رباتی جهت پروژه های دانشجویی یا دانش آموزی خود بسازید، چوب – آلومینیوم – پلاستیک فشرده – تفلون و ... جزو گزینه های اساسی شما هستند که باید با توجه به شرایط خود یکی از آنها را انتخاب نمایید.

برای طراحی و ساخت ربات دقت کنید که روبات شما باید بیشترین پایداری ممکن را داشته باشد که رابطه مستقیم به شکل روبات و مرکز ثقل آن دارد، مثلاً رباتهای کوچک که ارتفاع زیادی دارند از پایداری خوبی برخوردار نخواهد بود و با کمترین نیرویی امکان واژگونی آنها وجود دارد.

اگر روبات شما دارای چرخ برای حرکت است جنس و اندازه چرخ یکی از اساسی ترین مسائلی است که می تواند میزان توانایی ربات را مشخص کند. چرخ ربات را با توجه به جنس مکانی که ربات باید در آن حرکت کند به گونه ای انتخاب کنید که بیشترین ضریب اصطکاک را داشته باشد. در واقع عامل انتقال انرژی چرخا به زمین و در نتیجه حرکت ربات، اصطکاک چرخا با زمین است. اگر شما نیروی محرکه بسیار قوی در اختیار داشته باشد ولی چرخ های ماشین دست سازتان بر روی زمین سر بخورد قطعاً نتیجه مناسبی نخواهید گرفت. اصولاً چرخ را می توانید از ماشین های اسباب بازی خراب جدا کرده و استفاده کنید یا از تفلون و یا چوب خراطی شده جهت ساخت چرخ استفاده کنید. با کمی جستجو ممکن است چرخ های مناسبی در بازار پیدا کنید. در صورتی که چرخ شما روکش مناسبی ندارد و ضریب اصطکاک آن کم است باید یه گونه ای این مشکل را حل کنید. اگر ربات بر سطح صاف و محکمی مانند چوب حرکت می کند، لاستیک های ژله ای بهترین گزینه هستند در صورتی که هیچ امکاناتی در اختیار ندارید می توانید از دستکشهای آشپزخانه استفاده کنید ! چند لایه دستکش یا چیزی شبیه به آن ( مانند بادکنک ) بر روی چرخ های ربات خود بکشید و محکم چسب بزنید خواهد دید که چسبندگی ربات شما بر روی زمین چقدر افزایش خواهد یافت.

چرخ ربات را باید در اندازه ای انتخاب کنید که در هنگام حرکت قدرت و سرعت مناسب را برای شما ایجاد کند. اصولاً هر چقدر قطر چرخ را افزایش دهید سرعت ربات زیاد شده و در عوض قدرت آن کاهش می یابد. برای بدست آوردن سرعت ربات خود محیط چرخ آن را بدست بیاورید و در سرعت چرخش آن ضرب کنید در این صورت میزان حرکت در واحد زمان شما بدست خواهد آمد.

موتور DC  که توسط گریبکس به چرخ متصل است

یکی از مهمترین اجزای یک ربات نیروی محرکه آن است. برای حرکت دادن سازه ای که ساخته اید نیاز به انرژی مکانیکی دارید. این انرژی معمولا توسط یک موتور الکتریکی تامین می شود. موتور الکتریکی یا اصطلاحاً آرمیچر ها در واقع مبدل های انرژی هستند. موتورهای الکتریکی می توانند انرژی الکتریکی که از ترمینالهای آن وارد می شود را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. انرژی مکانیکی معمولاً به صورت دوران در شافت (محور) موتور ظاهر می شود. دوران این محور (شافت) دو مشخصه اساسی دارد : یکی سرعت دوارن آن و دیگری قدرت آن. از ضرب سرعت خطی (متر بر ثانیه) در نیروی موتور می توانید توان نهایی خروجی آن را محاسبه کنید. با توجه به اینکه گفتیم موتور یک مبدل است، اگر موتور شما ایده آل باشد توان خروجی که بدست می آورید با توان ورودی یعنی انرژی الکتریکی مصرف شده براب خواهد بود. موتورهای الکتریکی انوع مختلفی دارند از جمله استپ موتورها ، سرور موتورها ، موتورهای دی سی DC  ، موتورهای AC  و ...

هر یک از موتورهای نام برده شده ویژگی خاصی دارد مثلا استپب موتورها دارای دقت بالایی هستند و با توجه به نوع موتور می توان دقت گردش موتور در حد چند درجه کنترل نمود. به دلیل گستردگی مطلب، انواع موتور در مقوله ای جداگانه مورد بحث قرار خواهد گرفت. در حال حاضر موتور مورد استفاده ما در ربات های کوچک و ساده موتور DC  می باشد. از ویژگی های اساسی موتورهای DC  این است که جهت حرکت و سرعت حرکت آنها به راحتی قابل کنترل است. با تغییر متوسط  ولتاژ ورودی می توانید سرعت موتور را تغییر دهید و با تغییر پلاریته ( جهت اتصال تغذیه به موتور ) جهت دوران شافت تغییر خواهد نمود.

همانگونه که گفتیم توان خروجی از ضرب سرعت در قدرت و با استفاده از فرمول W=f.d بدست می آید.

موتور های الکتریکی معمولاً به گونه ای ساخته می شوند که سرعت چرخش شافت آنها بسیار زیاد است ( بر خلاف قدرت خروجی که معمولاً کم است ) این سرعت به طور طبیعی بین 3 تا 10 هزار دور در دقیقه ( RPM ) است. شما می توانید با استفاده از مکانیزم هایی ( مانند چرخ دنده ها و یا تسمه ها ) این سرعت را پایین بیاورید و در عوض به قدرت بیافزایید. در ادامه قصد داریم در مورد انواع مکانیزم های تغییر نسبت سرعت و قدرت صحبت کنبم.

نمونه ای از چرخ و زنجیر

رایج ترین روش این کار استفاده از تعدادی چرخ دنده است که به مجموع آنها گریبکس گفته می شود. با استفاده از همین روش است که نسبت بین قدرت و سرعت در اتومبیل مشخص می شود. در این روش با کوچک و بزرگ کردن چرخ دنده ها نسبت ورودی به خروجی گریبکس تغییر می نماید. بحث گریبکس و طرز کار بخث گسترده ای است فقط این نکته را ذکر می کنم که اگر نیروی محرکه شما به یک چرخ دنده کوچک متصل باشد، و این چرخ دنده، چرخ دنده بزرگتری را به گردش درآورد به دلیل تفاوتی که در محیط این چرخ دنده ها وجود دارد، چرخ دنده بزرگتر چرخش کمتری خواهد داشت و در نتیجه سرعت آن کاهش یافته و با توجه به اینکه سرعت و قدرت با یکدیگر رابطه عکس دارند، قدرت افزایش خواهد یافت. اگر کمی فکر کنید و چند گریبکس را از نزدیک ببینید به خوبی طرز کار آن برای شما روشن خواهد شد. از انواع دیگر گریبکس ها می توان به گریبکس های حلزونی و گریبکس های مرکب اشاره نمود.

علاوه بر گریبکس روش های دیگری مانند استفاده از چرخ و زنجیر ( مانند دوچرخه ) و استفاده از تسمه ( مانند کولر آبی ) برای انتقال و تغییر نسبت انرژی مکانیکی متداول است.

موتور و گریبکس سر هم

موتور و گریبکس حلزونی

برای تهیه گریبکس می توانید به وسایلی رجوع کنید که موتور و گریبکس به نحوی در آن وجود دارد و قیمت تهیه آنها نیز مناسب است. مثلاً در اسباب بازی های مختلف می توانید موتور و گریبکس در ابعاد گوناگون بیابید. البته اگر در بسیاری از موارد باید از موتور و گریبکس های مرغوب و با توان زیاد استفاده نمایید که می توانید آنها در بازار جستجو کنید. در زیر تصویر چند نمونه از چرخدنده و گریبکس را مشاهده می نمایید.

گفتیم که موتور و گریبکس وظیفه تامین انرژی مکانیکی مورد نیاز جهت حرکت بخشهای مختلف ربات را بر عهده دارند. بنابراین اگر از موتور و گریبکس در قسمت محرکه ربات استفاده می نمایید، باید خروجی گریبکس که با سرعت مناسب و قدرت نسبتاً زیاد دروان می کند را به گونه ای به چرخ متصل نمایید در اینصورت چرخ ربات نیز به گردش درآمده و ربات شما حرکت خواهد کرد. معمولاً برای ساخت ربات هایی از قبیل مسیریاب ، ماز ، پرتابگر ، امدادگر ، بولینگر ، دریبل زن و ... باید مکانیزیمی ایجاد نمایید که بتوان جهت حرکت ربات را به دقت کنترل نمود یکی از مکانیزم های متداول استفاده از دو موتور و گریبکس در دو طرف است که در مقاله مربوط به ساخت ربات نوریاب ( بولینگر ) به تفصیل توضیح داده شده است.

در صورتی که ربات شما قسمت های متحرک دیگر ی به غیر از چرخ دارد ( مثلاً بازو ) می توانید جهت اتصال آنها به ربات از لولا و بلبرینگ استفاده نمایید. و برای حرکت دادن هر قسمت یک موتور و گریبکس نیاز دارید. نحوه اتصال موتور و گربکس در قسمتهای دیگر ممکن است با اتصال چرخ ها کمی متفاوت باشد که با کمی هوش و ابتکار می توانید بهترین روش اتصال را بیابید.

آموزش ساخت ربات ( بخشهای مکانیکی - 3 )

ساخت بخشهای مکانیکی ربات

آشنایی با مکانیزم ها تاثیر بسزایی در طراحی و ساخت مکانیک ربات دارد. به مجموعه ای از اجزای مکانیکی که به یکدیگر متصل و یا در تماسند و می توتنند نسبت به هم حرکت کنند، مکانیزم می گوییم. از مکانیزم ها برای تبدیل حرکت چرخشی الکتروموتورها به حرکات مورد نظر خود استفاده می کنیم. در این مقاله چند مکانیزم پرکاربرد زیر به شما معرفی خواهد شد. مطالب این مقاله از سایت ویژه مسابقات رباتهای شهری برگرفته شده است.

1- مکانیزم چرخ وشانه (Rack & Pinion)
2- مکانیزم پیچ و مهره
3- مکانیزم لنگ و لغزنده
4- مکانیزم چهار میله ای
5- مکانیزم بازگشت سریع
6- مکانیزم چرخ ژنوا
 

1- مکانیزم چرخ وشانه (Rack & Pinion)

مکانیزم چرخ و شانه

این مکانیزم از دو عضو چرخ (Pinion) و شانه  (Rack)  تشکیل شده است و از آن برای تبدیل حرکت دورانی چرخدنده به حرکت مستقیم الخط شانه استفاده می کنیم. در مواردی که بخواهیم دریچه ای را باز و بسته کنیم و نیز در بسیاری موارد دیگر می توانیم از این مکانیزم بهره بگیریم. در اشکال زیر نمونه هایی از کاربرد این مکانیزم را می بینید.

اگر α حرکت زاویه ای چرخدنده (برحسب رادیان) و s حرکت مستقیم الخط شانه و d قطر دایره گام چرخدنده باشد رابطه زیر برقرار است :
 
 

2- مکانیزم پیچ و مهره :

این مکانیزم هم یکی دیگر از مکانیزم های  تبدیل حرکت چرخشی به حرکت مستقیم الخط است و از دو عضو اصلی پیچ و مهره تشکیل شده است. مهره ثابت است و پیچ به صورت دورانی حرکت می کند و عضوی که در انتهای پیچ به آن متصل شده در راستای محور پیچ به صورت مستقیم الخط حرکت می کند.

3- مکانیزم لنگ و لغزنده :

این مکانیزم هم برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت مستقیم الخط و یا بالعکس است. همانطور که در شکل هم می بینید اجزای مهم این مکانیزم، لغزنده، میله رابط و لنگ هستند. بر خلاف مکانیزم های چرخ و شانه و پیچ ومهره ، در این مکانیزم ، سرعت خطی لغزنده و سرعت زاویه ای لنگ با یکدیگر رابطه خطی ندارند.

4- مکانیزم چهار میله ای :

همانطور که از شکل زیر نیز می توان فهمید این مکانیزم از یک قسمت ثابت به نام قاب، دو عضو متحرک با حرکت دورانی حول یک نقطه که لنگ نامیده می شوند و عضو رابط بین لنگها که میله رابط نامیده می شود تشکیل شده است. در صورتی که طول لنگها در مکانیزم چهار میله ای برابر باشند به آن مکانیزم موازی می گویند.

5- مکانیزم بازگشت سریع :

در این مکانیزم حرکت چرخشی به یک حرکت رفت و برگشتی متناوب تبدیل می شود. در این حرکت متناوب زمان رفت از زمان بازگشت بیشتر است و حرکت بازگشتی به سرعت صورت می گیرد. از این مکانیزم در صنعت برای ساخت ماشین های صفحه تراش استفاده شده است که در آنها لازم است سرعت حرکت تیغه در حالت بدون بار بیش از سرعت آن در حال باربرداری باشد.

5- مکانیزم چرخ ژنوا :

با استفاده از این مکانیزم می توان یک حرکت چرخشی پیوسته را به حرکت چرخشی منقطع تبدیل کرد. با نگاه به اشکال زیر میتوانید طرز کار این مکانیزم را به راحتی درک کنید.

بر گرفته از سایت  ایران مدار