1. دکتر سعید شیری قیداری & فصل 2 کتاب
جابجائی Locomotion
دکتر سعید شیری قیداری
& فصل 2 کتاب
Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department

2. تکنولوژی روبات های متحرک
یک سوال مهم :
چگونه یک روبات متحرک دریک محیط واقعی بدون نظارت حرکت کرده و کار مورد انتظار را انجام دهد؟

3. روشهای مختلف جابجائی روبات چیست؟
در آزمایشگاه تکنیکهای مختلفی برای اینکار استفاده میشود:
راه رفتن، پریدن، خزیدن، سر خردن، پرواز و غیره
اکثر این روشها الهام گرفته از روشهای طبیعی هستند غیر از استفاده از چرخ که حاصل اختراع انسان است.
کپی کردن روشهای طبیعی فوق العاده سخت است! سیستمهای طبیعی دارای ساختار پیچیده ای هستند که ساخت آنها در توان بشر نیست.
بازدهی سیستمهای طبیعی ار لحاظ میزان انرژی مصرفی و زمان پاسخ و گشتاور تولیدی بسیار بیشتر از سیستمهائی است که بشر قادر به ساخت آنها میباشد

4. روشهای مختلف جابجائی

5. تکنیکهای متداول
اغلب روباتهای متحرک از یکی از دو روش زیر استفاده میکنند:
چرخ
پا های دارای مفصل

6. تکنیکهای متداول
در حالت کلی استفاده از پا نیازمند تامین درجات آزادی بیشتری بوده و در نتیجه از لحاظ مکانیکی پیچیده تر هستند.
استفاده از چرخ ساده بوده و برای محیط های صاف کارائی زیادی دارد.
میزان کارائی استفاده از چرخ در حرکت روبات تاحد زیادی بسته به ویژگی های محیط بویژه میزان سفتی آن دارد. در حالیکه کارائی استفاده از پا بسته به جرم پا و بدن دارد.

7. انتخاب طبیعت طبیعت برای حرکت موجودات پا را انتخاب کرده است زیرا:
موجودات در طبیعت در محیط های ناهموار و شکل نیافته حرکت میکنند.
در حالیکه در محیط های ساخت دست بشر بخاطر وجود ساختارهای مناسب اغلب شاهد روبات های چرخدار هستیم.

8. نکات اصلی در حرکت Locomotion:
محیط ثابت است و روبات با اعمال نیرو در محیط حرکت میکند.
Manipulation:
بازوی روبات در محیط ثابت است و روبات اشیا را جابجا میکند.

9. نکات اصلی در حرکت در هردوی این مسائل با موارد زیر روبرو هستیم:
پایداری: تعداد نقاط تماس، مرکز جرم، پایداری دینامیکی و استاتیکی
مشخصات نقطه تماس: اندازه و شکل، زاویه تماس، اصطکاک
نوع محیط: ساختار، مواد ( آب، هوا، خاک، نرم یا سفت و..)

10. روباتهای متحرک پادار
حرکت با استفاده از پا با استفاده از نقاط برخورد روبات و زمین مشخص میگردد ( contact point)
مهمترین ویژگی این روش قابلیت حرکت و مانور در محیط های ناهموار است. کیفیت زمین چندان مهم نیست و روبات حتی میتواند از بریدگی ها و سوراخها نیز عبور کند. علاوه بر آن روبات قادر خاهد بود تا با قابلیت انعطاف بیشتری اشیا را در محیط جابجا کند.
عیب این روش:
توان زیادی مصرف میکند و ساختار بسیار پیچیده ای دارد. پا ها باید قادر به تحمل وزن روبات بوده و بتوانند آنرا بلند کنند. علاوه بر آن پا ها باید درجات آزادی زیادی داشته باشند تا بتوانند روبات را در در جهت های مختلف حرکت دهند.

11. درجه آزادی
قدرت مانور زیاد فقط ناشی از وجود تعداد زیادی درجه آزادی برای اعمال نیرو در جهات مختلف میباشد.
Degree of freedom
A simple definition of "degrees of freedom" is - the number of coordinates that it takes to uniquely specify the position of a system.

12. درجه آزادی
The number of DOF that a manipulator possesses is the number of independent position variables that would have to be specified in order to locate all parts of the mechanism. In other words, it refers to the number of different ways in which a robot arm can move.
In the case of typical industrial robots, because a manipulator is usually an open kinematic chain, and because each joint position is usually defined with a single variable, the number of joints equals the number of degrees of freedom.

13. آرایش پاها و مسئله پایداری
سیتمهای پادار در طبیعت بسیار موفق عمل میکنند. برخی از این سیستمها عبارتند از:
حیوانات بزرگ دارای 4 پا هستند
حشرات دارای 6 پا و یا بیشتر هستند
برخی از پستانداران قادر به حرکت بر روی 2 پا هستند.

14. پاهای یک روبات پادار باید حداقل دارای 2 درجه آزادی باشند
پاهای یک روبات پادار باید حداقل دارای 2 درجه آزادی باشند. یکی برای بلند کردن پا و دیگری برای چرخاندن آن.
در عمل برای مانورهای پیچیده یک درجه آزادی دیگر هم به روبات اضافه میشود.
در حین راه رفتن پاها از زمین بلند میشوند در نتیجه حفظ تعادل روبات مشکل میشود.
روباتهای دو پا دارای یک درجه آزادی دیگر در قوزک پا نیز هستند.

15. مثالی از پاهای روبوت

16. توالی حرکت Gait عبارت است از توالی بلند کردن و برزمین گذاشتن هر پا
برای یک روبات با K پا تعداد حالات ممکن عبارت است.
N=(2K-1)!
که برای یک روبات با 2 پا 6 حالت بصورت زیر خواهیم داشت:
بلند کردن پای راست
بلند کردن پای چپ
گذاشتن پای راست
گذاشتن پای چپ
بلند کردن همزمان 2 پا
گذاشتن همزمان 2 پا

17. Gait Control

19. روباتهای دو پا
قادر به حرکت، پریدن و بالا و پائین رفتن از پله ها و بسیاری حرکات دیگر هستند.
روبات سونی دارای 38 درجه آزادی است.
7 میکروفن برای پیدا کردن محل صدا دارد.
قادر به تشخیص چهره انسان است.
قادر به تولید نقشه 3 بعدی بر اساس تصاویر استریو است.
قادر به تشخیص صوت است.
قد روبات هندا 120 سانتیمتر است که به عقیده کارشناسان هندا حداقل قد لازم برای روباتی است که بتواند یاور انسان باشد.

20. روباتهای 4 پا
این روباتها میتوانند بصورت استاتیکی سرپا بایستند. اما راه رفتن آنها با مشکلاتی روبروست. زیرا باید مرکز ثقل روبات بصورت اکتیو موقع راه رفتن جابجا شود.

21. روبات 6 پا
بعلت پایداری استاتیکی هنگام راه رفتن، استفاده از روباتهای 6 پا در تحقیقات روباتیک بسیار متداول میباشد.
معمولا هر پا دارای 3 درجه آزادی است.

22. روباتهای متحرک چرخدار
چرخ یکی از متداولترین روشهای جابجائی روباتهای متحرک میباشد.
بازدهی بالائی دارد
ساختن آن ساده است
مشکل تعادل را ندارد
برای داشتن تعادل استفاده از 3 چرخ کافی است. البته با دو چرخ هم میتوان به تعادل رسید. در صورت استفاده از بیش از 3 چرخ نیاز به سیستم تعلیق خواهد بود.

23. مسایل موجود در روباتهای چرخدار
کشش و پایداری Traction
قابلیت مانور
و کنترل

24. طراحی چرخها
انواع بسیار متنوعی از چرخها وجود دارد. انتخاب نوع چرخ بسته به نوع کاربرد دارد.
چهار نوع چرخ اصلی وجود دارد که تفاوت آنها در سینماتیک آنهاست. از اینرو انتخاب چرخ میتواند در سینماتیک روبات نقش داشته باشد.

25. چهار نوع اصلی چرخ

26. چهار نوع اصلی چرخ

27. چرخ استاندارد و چرخ کاستور
دارای یک محور اصلی چرخش میباشند. بنابر این کاملا جهت دار هستند.
برای حرکت در جهت های دیگر چرخ باید در یک حهت عمودی هدایت شوند.
چرخ کاستور حول یک محور افست گردش مینماید در نتیجه در هنگام دور زدن باعث اعمال یک نیروی اضافی به بدنه روبات خواهد شد.

28. چرخ سوئدی و چرخ کروی
هر دو محدودیت کمتری برای حرکت در سایر جهات را دارند.
در محیط پیرامونی چرخ سوئدی یا ( omni-directional ) غلتک های کوچکی با جهت های 45 و یا 90 درجه تعبیه شده است که باعث میشوند تا در حالیکه فقط چرخ دارای یک محور اکتیو است بتواند با اصطکاک اندکی در سایر جهات حرکت نماید.
چرخ کروی همانند ماوس کامپیوتر طوری طراحی میشود که بتواند براحتی در جهات مختلف حرکت نماید.

29. سیستم تعلیق
در روباتهائی که بیش از 3 چرخ داشته و برای حرکت در هر نوع زمینی طراحی شده باشند میبایست یک سیستم تعلیق وجود داشته باشد تا تعادل روبات درناهمواریها حفظ گردد.
معمولا از یک سیستم فنری در خود چرخها استفاده میشود.

30. آرایش چرخها
انتخاب نوع و آرایش چرخها مستقیما بر مسایل زیر تاثیر گذار خواهد بود:
قدرت مانور، قابلیت کنترل و پایداری
اتومبیل ها همگی طرح چرخ یکسانی دارند زیرا این آرایش برای حرکت در سطح جاده های آسفالت بهترین بازدهی را دارد.
اما روباتها باید در مسیرهای نامشخصی حرکت کنند.در نتیجه آرایش استانداردی برای چرخهای روبات وجود ندارد. تعداد بسیار کمی از روباتها از آرایشی همانند چرخهای خودرو استفاده میکنند زیرا قابلیت مانور کمی دارد.

31. آرایش چرخها

32. آرایش چرخها

33. پایداری
برای حفظ پایداری استاتیک داشتن 2 چرخ هم کافی است به شرط آنکه مرکز جرم روبات در زیر محور چرخهایش باشد.
البته این روبات نیازمند چرخهای بسیار بزرگی است که استفاده عملی از آنرا غیر ممکن میسازد. علاوه بر آن در لحظه شروع حرکت ممکن است که نیروی دینامیکی اعمالی باعث ایجاد نقطه سوم برخورد گردد.

34. پایداری
روباتهای دارای 3 چرخ از لحاظ استاتیکی پایدار خواهند بود اگر مرکز ثقل روبات داخل مثلث متشکل از 3 چرخ باشد.

35. قابلیت مانور
برخی از روباتها تمام جهت هستند یعنی اینکه در هر لحظه میتوانند در هر جهتی در صفحه (x,y) حرکت کنند بدون اینکه جهت روبات حول محور عمودیش تاثیری در این حرکت داشته باشد.
این امر مستلزم داشتن چرخهای سوئدی و یا کروی است

36. قابلیت مانور
یک راه داشتن روبات تمام جهت استفاده از 4 چرخ کاستور اکتیو است که هر کدام را بتوان بصورت اکتیو هدایت و همچنین بصورت اکتیو به حرکت در آورد.
یک راه دیگر استفاده از 2 چرخ است که ابتدا روبات حول محور قائم خود چرخیده و سپس به حرکت در جهت دلخواه ادامه میدهد.
روباتی که از آرایش چرخهای اتومبیل (Ackerman) استفاده میکند، برای چرخیدن نیاز به محیط بسیار بزرگی دارد. و حرکت در سایر جهات نیز نیازمند مانورهای زیادی است.

38. قابلیت کنترل
در حالت کلی رابطه معکوسی بین قابلیت کنترل روبات و قابیت مانور آن وجود دارد. یعنی هر چه امکان مانور بیشتری وجود داشته باشد کنترل روبات پیچیده تر خواهد بود. همچنین بخاطر وجود لغزش خطا افزایش خواهد یافت.
یک روبات با 2 چرخ دیفرانسیل که دارای دو موتور برای حرکت است برای حرکت مستقیم باید هر دو چرخ سرعت یکسانی داشته باشند که در عمل رسیدن به این امر کار مشکلی است.
تمرین: روابط کنترلی روبات تمام جهت را بدست آورید. منبع: اینترنت و سایر کتب

39. Dead reckoning

40. استفاده از شنی
روباتهائی که از شنی استفاده میکنند قابلیت مانور بهتری نسبت به روباتهای چرخدار دارند زیرا شنی تماس بیشتری با زمین ایجاد میکند.
اما تخمین نقطه دقیق مرکز چرخش روبات نا مشخص بوده و میزان دقیق تغییر در موقعیت روبات تابعی از اصطکاک محیط است. از اینرو استفاده از Dead reckoning مشکل خواهد بود.
بازده موتور از این روش در محیط های با اصطکاک کم زیاد و در سایر محیط ها بشدت کاهش می یابد.

42. طرح میگو
در این طرح ویژگی های چرخ و پا با هم ترکیب میشوند تا قابلیت های هر دو قابل استفاده باشند.
قادرند ازپله ها و اشیائی با ارتفاع بیش از ارتفاع چرخ بالا روند.
قدرت مانور زیاد این روبات ناشی از طراحی خاص آن است که مرکز ثقل روبات را با توجه به موقعیت چرخها تغییر میدهد.

44. سینماتیک

45. مقدمه سینماتیک عبارت است از مطالعه عملکرد سیستم های مکانیکی
مطالعه سینماتیک روباتهای متحرک در دو زمینه لازم است:
طراحی مناسب روبات برای انجام عمل مورد نظر
نوشتن نرم افزار کنترلی روبات ساخته شده
یک اختلاف مهم بین روبات متحرک و روبات صنعتی در اندازه گیری موقعیت است. روبات صنعتی در یک نقطه ثابت است لذا میتوان موقعیت آنرا نسبت به این نقطه ثابت اندازه گرفت.

46. برای فهم حرکت روبات باید نقش هر یک از چرخها و همچنین محدودیت هائی که هر یک از آنها در حرکت ایجاد میکنند بررسی شود.

47. روبات های چرخدار چرخ ساده بوده و دارای بازدهی زیادی است.
برای کاربردهای زیادی میتوان از چرخ استفاده نمود.
داشتن فقط 3 چرخ میتواند پایداری را تضمین کند. در صورت استفاده از بیش از 3 چرخ نیازمند سیستم تعلیق مناسب هستیم.
دغدغه های اصلی در روباتهای متحرک که از چرخ استفاده میکنند عبارتند از: قدرت کشش، قدرت مانور و نحوه کنترل