روباتیک، علم مطالعه فن آوری مرتبط با طراحی، ساخت و اصول کلی و کاربرد رباتهاست. روباتیک علم و فن آوری ماشینهای قابل برنامه ریزی، با کاربردهای عمومی می باشد.

برخلاف تصور افسانه ای عمومی از رباتها به عنوان ماشینهای سیار انسان نما که تقریباً قابلیت انجام هر کاری را دارند، بیشتر دستگاههای روباتیک در مکانهای ثابتی در کارخانه ها بسته شده اند و در فرایند ساخت با کمک کامپیوتر، اعمال قابلیت انعطاف، ولی محدودی را انجام می دهند چنین دستگاهی حداقل شامل یک کامپیوتر برای نظارت بر اعمال و عملکردهای و اسباب انجام دهنده عمل مورد نظر، می باشد. علاوه براین، ممکن است حسگرها و تجهیزات جانبی یا ابزاری را که فرمان داشته باشد بعضی از رباتها، ماشینهای مکانیکی نسبتاً ساده ای هستند که کارهای اختصاصی مانند جوشکاری و یا رنگ افشانی را انجام می دهند. که سایر سیستم های پیچیده تر که بطور همزمان چند کار انجام می دهند، از دستگاههای حسی، برای جمع آوری اطلاعات مورد نیاز برای کنترل کارشان نیاز دارند. حسگرهای یک ربات ممکن است بازخورد حسی ارائه دهند، طوریکه بتوانند اجسام را برداشته و بدون آسیب زدن، در جای مناسب قرار دهند. ربات دیگری ممکن است دارای نوعی دید باشد.، که عیوب کالاهای ساخته شده را تشخیص دهد. بعضی از رباتهای مورد استفاده در ساخت مدارهای الکترونیکی، پس از مکان یابی دیداری علامتهای تثبیت مکان بر روی برد، می توانند اجزا بسیار کوچک را در جای مناسب قرار دهند. ساده ترین شکل رباهای سیار، برای رساندن نامه در ساختمانهای اداری یا جمع آوری و رساندن قطعات در ساخت، دنبال کردن مسیر یک کابل قرار گرفته در زیر خاک یا یک مسیر رنگ شده که هرگاه حسگرهایشان در مسیر، یا فردی را پیدا کنند متوقف می شوند. رباتهای بسیار پیچیده تر رد محیط های نامعین تر مانند معادن استفاده می شود.

روباتها همانند کامپیوترها قابلیت برنامه ریزی دارند.بسته به نوع برنامه ای که شما به آنها می دهید.کارها وحرکات مختلفی را انجام می دهند.رشته دانشگاهی نیز تحت عنوان روباتیک وجود دارد.که به مسایلی از قبیل سنسورها، مدارات ، فیدبکها،پردازش اطلاعات وبست وتوسعه روباتها می پردازد.روباتها انواع مختلفی دارند از قبیل روباتهای شمشیر باز، دنبال کننده خط،کشتی گیر،
فوتبالیست،و روباتهای خیلی ریز تحت عنوان میکرو روباتها،روباتهای پرنده وغیره نیز وجود دارند.
روباتها برای انجام کارهای سخت ودشواری که بعضی مواقع انسانها از انجام آنها عاجز یا انجام آنها برای انسان خطرناک هستند.مثل روباتهایی که در نیروگاهای هسته ای وجود دارند.،استفاده می شوند.

کاری که روباتها انجام میدهند.، توسط میکرو پروسسرها(microprocessors) و میکروکنترلرها(microcontroller) کنترل می شود.با تسلط در برنامه نویسی این دو می توانید دقیقا همان کاری را که انتظار دارید روبات انجام دهد.

روباتهایی شبیه انسان (human robotic)نیز ساخته شده اند.،آنها قادرند اعمالی شبیه انسان را انجام دهند.حتی بعضی از آنها همانند انسان دارای احساسات نیز هستند.بعضی از آنها شکلهای خیلی ساده ای دارند.آنها دارای چرخ یا بازویی هستند که توسط میکرو کنترلرها یا میکرو پرسسرها کنترل می شوند.در واقع میکروکنترلر یا میکرو پروسسر به مانند مغز انسان در روبات کار می کند.برخی از روباتها مانند انسانها وجانوران خون گرم در برخورد و رویارویی با حوادث ومثایل مختلف به صورت هوشمند از خود واکنش نشان می دهند.یک نمونه از این روباتها روبات مامور است.

برخی روباتها نیز یکسری کارها را به صورت تکراری با سرعت ودقت بالا انجام می دهند مثل روبات هایی که در کارخانه های خودرو سازی استفاده می شوند.این گونه روبات کارهایی از قبیل جوش دادن بدنه ماشین ، رنگ کردن ماشین را با دقتی بالاتر از انسان بدون خستگی و وقفه انجام می دهند.

ویژگیهای یک روبات
یک روبات دارای سه مشخصه زیر است
۱-داری حرکت وپویایی است
۲-قابلیت برنامه ریزی جهت انجام کارهای مختلف را دارد
۳-بعد از اینکه برنامه ریزی شد.قابلیت انجام وظایفش را به صورت خودکار دارد.

ممکن است روزی فرا برسد که روباتها جای انسانها را در انجام کارها بگیرند.حتی بعضی از آنها ممکن است به صورت محافظ شخصی از جان انسانهادر مقابل خطرات احتمالی حفاظت کنند.

آناتومی اندام روباتهای شبیه انسان
در سال ۱۹۵۰ دانشمندان تصمیم گرفتند.شکلی از رباتهای دو پارا درست کنند.که از لحاظ فیزیکی شبیه انسان باشند.این گونه روباتها متشکل از دو بازو دو پا هستند.که دستها و پاها به صورت متقارن وشبیه بدن انسان در سمت راست وچپ ربات قرار گرفته اند.برای انجام چنین کاری آنها می بایست در ابتدا آناتومی بدن خود را می شناختند.آنها معتقد بودن که انسانها طی میلیونها سال تکامل یافته اند.،تا اینکه امروزه قادرند انواع مختلفی از کارها را انجام دهند.اگر از مردم راجع به روباتهای شبیه انسان سوال کنید.آنها در اولین وهله به یاد فیلم پلیس آهنی می افتند.شما نیز می توانید با استفاده از کاغذهای استوانه ای و تک های چوب وچسب شکلی مانند زیر درست کنید.
 

حرکت در روبات

هنگامیکه شما راجع به مطلبی فکر می کنید و برای آن دنبال پاسخ می گردید.می توانید جواب خود را در طبیعت بگیرید.به حیواناتی که اطراف ما هستند.،و مانند ما می توانند در چهار جهت حرکت کنند.دقت کنید.به طور مثال به حرکت فیل توجه کنید.مفاصلی که در پاها وجود دارند.سبب حرکت پاها به سمت عقب،جلو، چپ و راست می شوند
هنگامکه این حیوان حرکت می کند وزن خود را بر روی پا هایش تقسیم میکند.بنابراین این امکان را دارد که تعادلش را حفظ کند و بر روی زمین نیافتد.در روباتها نیز همین مسئله وجود دارد اگر یکی از پاهای آن در هوا قرار بگیرد روبات متوقف می شود.واین امکان وجود دارد بر روی زمین بیافتد.به حرکت مورجه ها دقت کنید.این موجود ۶ پا دارد. در هنگام حرکت به سمت جلو سه پایش را به سمت جلو وسه پای دیگرش را در همان موقعیت به سمت عقب فشار میدهد .دو پا از یک طرف ویک پا از طرف دیگرهمواره کار مشترکی را انجام می دهند. واین کار سبب حرکت مورچه به سمت جلو می شود.
حشرات بدلیل داشتن پاهای بیشتر وفرم پاها راحتر از حیوانات چهار پا می توانند تعادل خود را در حرکت حفظ کنند.بهمین دلیل رباتهای شبیه حشرات بیشتر از روباتهایی شبیه سگ و گربه ساخته شده اند.

 

لگو روبات(lego robot)
برای شروع به ساخت روبات بهتر است .،که با لگو ها ونحوه اسمبل کردن آنها آشنا شوید.لگوها ایده های خوبی در ساخت روبات به شما می دهند.بسیاری از روباتهایی که ساخته شده اند.حشره،حیوان،انسان نیستند.بلکه آنها لگو هستند.شما می توانید بدنه روبات خود را بوسیله لگوها بسازید.و مدارات الکترونیک را در آن جا سازی کنید.
بیشتر ماشینهایی که وجود دارند از چهار چرخ تشکیل شده اند.دو چرخ جلویی دارای چرخش زاویه ای هستند.،و دو چرخ عقبی در جای خود ثابت هستند.،وتنها میچرخند،حرکت به سمت راست،جلو و عقب را چرخهای جلویی تعیین می کنند.در برخی از ماشینها هر چهار چرخ دارای این وضعیت هستند.از این موارد در ساخت لگو روباتها شبیه ماشین استفاده می شود.برخی از ماشینهای پیشرفته از راه دور کنترل می شوند(remote control) که این مسئله را براحتی می توان در روباتها بست وتوسعه داد.
برای ساخت یک لگو ماشین احتیاج به چهار چرخ پلاستیکی و دو میله تحت عنوان محور احتیاج دارید.شاید بتوانید این قطعات را براحتی در یک ماشین اسباب بازی پیدا کنید.برخی از طراحان روبات به جای چهار چرخ از سه چرخ استفاده می کنند.در این حالت عموما دو چرخ ثابت وتنها در جای خود می چرخند و تنها یک چرخ دارای حرکت آزاد است.نوع دو چرخ آن نیز وجود دارد.در این حالت هر دوچرخ دارای حرکت آزاد زاویه ای هستند.
برای حل مشکل تعادل روباتها در هنگام چرخش از چهار چرخ استفاده می شود. در هر طرف دوچرخ وجود دارد.که چرخهای در هر سمت بوسیله تسمه یا نواری پلاستیکی بهم متصل می شوند.

 

 

 

روبات چیست؟

روبات یک ماشین الکترومکانیکی هوشمند است با خصوصیات زیر:
– می توان آن را مکرراً برنامه ریزی کرد.
– چند کاره است.
– کارآمد و مناسب برای محیط است.

اجزای یک روبات:

– وسایل مکانیکی و الکتریکی:

شاسی، موتورها، منبع تغذیه، …

– حسگرها (برای شناسایی محیط):

دوربین ها، سنسورهای sonar، سنسورهای ultrasound، …

– عملکردها (برای انجام اعمال لازم)

بازوی روبات، چرخها، پاها، …

– قسمت تصمیم گیری (برنامه ای برای تعیین اعمال لازم):

حرکت در یک جهت خاص، دوری از موانع، برداشتن اجسام، …

– قسمت کنترل (برای راه اندازی و بررسی حرکات روبات):

نیروها و گشتاورهای موتورها برای سرعت مورد نظر، جهت مورد نظر، کنترل مسیر، …

تاریخچه روباتیک:

– ۲۷۰ ق م : زمانی که یونانیان به ساخت مجسمه های متحرک میپرداختند.

– حدود سال ۱۲۵۰ م: بیشاپ آلبرتوس ماگنوس (Bishop Albertus Magnus) ضیافتی ترتیب داد که درآن، میزبانان آهنی از مهمانان پذیرایی می کردند. با دیدن این روبات، سنت توماس آکویناس (Thomas Aquinas) برآشفته شد، میزبان آهنی را تکه تکه کرد و بیشاب را ساحر و جادوگر خواند.

– سال ۱۶۴۰ م: دکارت ماشین خودکاری به صورت یک خانم ساخت و آن را Ma fille Francine ” می نامید.این ماشین که دکارت را در یک سفر دریایی همراهی می کرد، توسط کاپیتان کشتی به آب پرتاب شد چرا که وی تصور می کرد این موجود ساخته شیطان است.

– سال ۱۷۳۸ م: ژاک دواکانسن (Jacques de Vaucanson) یک اردک مکانیکی ساخت که از بیش از ۴۰۰۰ قطعه تشکیل شده بود.
این اردک می توانست از خود صدا تولید کند، شنا کند، آب بنوشد، دانه بخورد و آن را هضم و سپس دفع کند. امروزه در مورد محل نگهداری این اردک اطلاعی در دست نیست.

– سال ۱۸۰۵ م: عروسکی توسط میلاردت (Maillardet) ساخته شد که می توانست به زبان انگلیسی و فرانسوی بنویسد و مناظری را نقاشی کند.

– سال ۱۹۲۳ م: کارل چاپک (Karel Capek) برای اولین بار از کلمه روبات (robot) در نمایشنامه خود به عنوان آدم مصنوعی استفاده کرد. کلمه روبات از کلمه چک robota گرفته شده است که به معنی برده و کارگر مزدور است. موضوع نمایشنامه چاپک، کنترل انسانها توسط روباتها بود، ولی او هرگونه امکان جایگزینی انسان با روبات و یا اینکه روباتها از احساس برخوردار شوند، عاشق شوند، یا تنفر پیدا کنند را رد می کرد.

– سال ۱۹۴۰ م: شرکت وستینگهاوس (Westinghouse Co.) سگی به نام اسپارکو (Sparko) ساخت که هم از قطعات مکانیکی و هم الکتریکی در ساخب آن استفاده شده بود. این اولین باری بود که از قطعات الکتریکی نیز همراه با قطعات مکانیکی استفاده می شد.

– سال ۱۹۴۲ م: کلمه روباتیک (robatics) اولین بار توسط ایزاک آسیموف در یک داستان کوتاه ارائه شد. ایزاک آسیموف (۱۹۲۰-۱۹۹۲) نویسنده کتابهای توصیفی درباره علوم و داستانهای علمی تخیلی است.

– دهه ۱۹۵۰ م: تکنولوژی کامپیوتر پیشرفت کرد و صنعت کنترل متحول شد. سؤلاتی مطرح شدند. مثلاً: آیا کامپیوتر یک روبات غیر متحرک است؟

– سال ۱۹۵۴ م: عصر روبات ها با ارائه اولین روبات آدم نما توسط جرج دوول (George Devol) شروع شد.

امروزه، ۹۰% روباتها، روباتهای صنعتی هستند، یعنی روباتهایی که در کارخانه ها، آزمایشگاهها، انبارها، نیروگاهها، بیمارستانها، و بخشهای مشابه به کارگرفته می شوند.در سالهای قبل، اکثر روباتهای صنعتی در کارخانه های خودروسازی به کارگرفته می شدند، ولی امروزه تنها حدود نیمی از روباتهای موجود در دنیا در کارخانه های خودروسازی به کار گرفته می شوند.مصارف روباتها در همه ابعاد زندگی انسان به سرعت در حال گسترش است تا کارهای سخت و خطرناک را به جای انسان انجام دهند.برای مثال امروزه برای بررسی وضعیت داخلی رآکتورها از روبات استفاده می شود تا تشعشعات رادیواکتیو به انسانها صدمه نزند.

– سال ۱۹۵۶ م: پس از توسعه فعالیتهای تکنولوژی یک که بعد از جنگ جهانی دوم، یک ملاقات تاریخی بین جورج سی.دوول(George C.Devol) مخترع و کارآفرین صاحب نام، و ژوزف اف.انگلبرگر (Joseph F.Engelberger) که یک مهندس با سابقه بود، صورت گرفت. در این ملاقات آنها به بحث در مورد داستان آسیموف پرداختند. ایشان سپس به موفقیتهای اساسی در تولید روباتها دست یافتند و با تأسیس شرکتهای تجاری، به تولید روبات مشغول شدند. انگلبرگر شرکت Unimate برگرفته از Universal Automation را برای تولید روبات پایه گذاری کرد. نخستین روباتهای این شرکت در کارخانه جنرال موتورز (General Motors) برای انجام کارهای دشوار در خودروسازی به کار گرفته شد. انگلبرگر را “پدر روباتیک” نامیده اند.

– دهه ۱۹۶۰ م: روباتهای صنعتی زیادی ساخته شدند. انجمن صنایع روباتیک این تعریف را برای روبات صنعتی ارائه کرد:

“روبات صنعتی یک وسیله چند کاره و با قابلیت برنامه ریزی چند باره است که برای جابجایی قطعات، مواد، ابزارها یا وسایل خاص بوسیله حرکات برنامه ریزی شده، برای انجام کارهای متنوع استفاده می شود.”

– سال ۱۹۶۲ م: شرکت خودروسازی جنرال موتورز نخستین روبات Unimate را در خط مونتاژ خود به کار گرفت.

– سال ۱۹۶۷ م: رالف موزر (Ralph Moser) از شرکت جنرال الکتریک (General Electeric) نخستین روبات چهارپا را اختراع کرد.

– سال ۱۹۸۳ م: شرکت Odetics یک روبات شش پا ارائه کرد که می توانست از موانع عبور کند و بارهای سنگینی را نیز با خود حمل کند.

– سال ۱۹۸۵ م: نخستین روباتی که به تنهایی توانایی راه رفتن داشت در دانشگاه ایالتی اهایو (Ohio State Uneversity) ساخته شد.

– سال ۱۹۹۶ م: شرکت ژاپنی هندا (Honda) نخستین روبات انسان نما را ارائه کرد که با دو دست و دو پا طوری طراحی شده بود که می توانست راه برود، از پله بالا برود، روی صندلی بنشیند و بلند شود و بارهایی به وزن ۵ کیلوگرم را حمل کند

روباتها روز به روز هوشمندتر می شوند تا هرچه بیشتر در کارهای سخت و پر خطر به یاری انسانها بیایند.
قانون روباتیک مطرح شده توسط آسیموف:

۱- روبات ها نباید هیچگاه به انسانها صدمه بزنند.

۲- روباتهاباید دستورات انسانها را بدون سرپیجی از قانون اوّل اجرا کنند.

۳- روباتها باید بدون نقض قانون اوّل و دوم از خود محافظت کنند.

انواع ربات ها :

رباتهای امروزی که شامل قطعات الکترونیکی و مکانیکی هستند در ابتدا به صورت بازوهای مکانیکی برای جابجایی قطعات و یا کارهای ساده و تکراری که موجب خستگی و عدم تمرکز کارگر و افت بازده میشد بوجود آمدند. اینگونه رباتها جابجاگر (manipulator) نام دارند.جابجاگرها معمولا در نقطه ثابت و در فضای کاملا کنترل شده در کارخانه نصب میشوند و به غیر از وظیفه ای که به خاطر آن طراحی شده اند قادر به انجام کار دیگری نیستند. این وظیفه میتواند در حد بسته بندی تولیدات, کنترل کیفیت و جدا کردن تولیدات بی کیفیت, و یا کارهای پیچیده تری همچون جوشکاری و رنگزنی با دقت بالا باشد.

نوع دیگر رباتها که امروزه مورد توجه بیشتری است رباتهای متحرک هستند که مانند رباتهای جابجا کننده در محیط ثابت و شرایط کنترل شده کار نمیکنند. بلکه همانند موجودات زنده در دنیای واقعی و با شرایط واقعی زندگی میکنند و سیر اتفاقاتی که ربات باید با انها روبرو شود از قبل مشخص نیست. در این نوع ربات هاست که تکنیک های هوش مصنوعی میبایست در کنترلر ربات(مغز ربات) به کار گرفته شود.

رباتهای متحرک به دسته های زیر تقسیم بندی میشوند:
۱-رباتهای چرخ دار
با انواع چرخ عادی

و یا شنی تانک

و با پیکربندی های مختلف یک, دو یا چند قسمتی

۲-رباتهای پادار مثل سگ اسباب بازیAIBO ساخت سونی که در شکل بالا نشان داده شد یا ربات ASIMO ساخت شرکت هوندا

۳-رباتهای پرنده

۴-رباتهای چند گانه(هایبرید) که ترکیبی از رباتهای بالا یا ترکیب با جابجاگرها هستند

و …

مزایای روباتها:

۱- روباتیک و اتوماسیون در بسیاری از موارد می توانند ایمنی، میزان تولید، بهره و کیفیت محصولات را افزایش دهند.

۲- روباتها می توانند در موقعیت های خطرناک کار کنند و با این کار جان هزاران انسان را نجات دهند.

۳- روباتها به راحتی محیط اطراف خود توجه ندارند و نیازهای انسانی برای آنها مفهومی ندارد. روباتها هیچگاه خسته نمی شوند.

۴- دقت روباتها خیلی بیشتر از انسانها است آنها در حد میلی یا حتی میکرو اینچ دقت دارند.

۵- روباتها می توانند در یک لحظه چند کار را با هم انجام دهند ولی انسانها در یک لحظه تنها یک کار انجام می دهند.

معایب روباتها:

۱- روباتها در موقعیتهای اضطراری توانایی پاسخگویی مناسب ندارند که این مطلب می تواند بسیار خطرناک باشد.

۲- روباتها هزینه بر هستند.

۳- قابلیت های محدود دارند یعنی فقط کاری که برای آن ساخته شده اند را انجام می دهند.

 

 

 

واژه مکاترونیک برای اولین بار در اواخر دهه ۶۰ توسط یک شرکت ژاپنی به نام یاسکاوا الکتریک مورد استفاده قرار گرفت آن هم برای کنترل الکترونیکی موتورهای الکتریکی ساخت این شرکت. این واژه با آمیخته شدن قطعات مکانیکی و حجم وسیعی از قطعات الکترونیکی نظیر سنسورها، کنترل کنندها و وسایل الکترونیکی نوری به واژه ای فراگیر تبدیل شد.

بزودی ژاپنی ها به عنوان بزرگترین تولید کننده روباتهای صنعتی از انواع سیستمهای مکاترونیک پیشرفته در کاربردهای تولید صنعتی استفاده نمودند. همچنین ژاپن بزرگترین حجم تولید انواع اجزاء مکاترونیک نظیر موتورهای با عملکرد بالا و سنسورهای تصویری CCD را در اختیار داشته و جزء اولین توسعه دهندگان و تولید کنندگان میکروکنترلرها و پردازشگرهای دیجیتال برای کاربردهای مکاترونیک می باشد.

واژه مکاترونیک در اروپا نیز بصورت وسیع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذیرش این موضوع بعنوان یک فیلد مطالعاتی جداگانه بکندی پیشرفت، اما رشد روز افزون کاربردهای این شاخه علمی، گواهی پذیرش جهانی این موضوع بود.

تا اوایل دهه ۱۹۸۰ مکاترونیک تنها به مکانیزمهای الکتریکی اطلاق میشد. در اواسط دهه ۱۹۸۰ این موضوع به علم مهندسی در مرز مشترک الکترونیک و مکانیک گفته می شد. اما امروزه این واژه، محدوده عظیمی از تکنولوژیهای مرتبط با مکانیک، الکترونیک و نرم افزارهای کامپیوتری یا تکنولوژی اطلاعات را در بر می گیرد. به عبارت بهتر مکاترونیک شاخه ای از علوم مهندسی است که در ارتباط با ترکیب علوم مکانیک، الکترونیک، کنترل و کامپیوتر بحث می کند. اجزاء یک سیستم مکاترونیکی شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، میکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهای کنترلی بلادرنگ (Real-Time) می باشد.

عملگرها عموماً موتورها یا سلونوئیدهای با دقت بسیار بالا هستند و سنسورها بسته به کاربردشان می توانند یکی از سنسورهای نور، شتاب، وزن، رنگ، دما، تصویر و ….باشند. میکروکنترلرها نیز به عنوان مغز یک سیستم مکاترونیک وظیفه هدایت سیستم را با استفاده از نرم افزار نوشته شده در حافظه آن بعهده دارد.

مهمترین ویژگی سیستمهای مکاترونیکی عبارتند از:

۱-   قابلیت انعطاف پذیری این سیستمها هم در طراحی و هم در عملکرد

۲-   افزایش سرعت و دقت سیستم

۳-   قابلیت اتوماسیون نمودن، جمع آوری اطلاعات و تهیه گزارش

۴-   امکان پیاده سازی الگوریتمهای پیچیده کنترلی

در حقیقت رشته های الکترونیک و مکانیک امروزه چنان درهم آمیخته اند که تفکیک آنها کاری غیر ممکن می نماید. در بعضی سیستمها، مکانیک در خدمت الکترونیک قرار می گیرد؛ مانند ماشینهای الکتریکی، دوربینها، دیسک درایورها و …و در برخی دیگر الکترونیک در خدمت مکانیک؛ مانند ماشینهای CNC، روباتهای صنعتی، موتورهای انژکتوری و ….

 

 

سیستم ها حرکتی

چرخ دنده های ساده
این چرخ دنده‌ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یکدیگر قرار گرفته اند. گاهی تعداد زیادی از آنها را در کنار هم قرار می‌دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند. شکل ۱
در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباسشویی، پنکه و … . اما در اتومبیل به کار نمی آیند، چون سر و صدای زیادی دارند. هر بار که دندانه یک چرخ به دندانه چرخ روبرو می‌رسد، صدای کوچکی در اثر برخورد ایجاد می‌شود. می‌توانید مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ دنده‌ها با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می‌اندازند؟ تازه این برخورد‌ها در دراز مدت، باعث شکستن دندانه‌ها می‌شود. برای کاهش سر و صدا و افزایش عمر چرخ دنده‌ها در بیشتر اتومبیلها از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می‌کنند.

چرخ دنده های مارپیچ
دندانه این چرخ دنده‌ها اریب است. وقتی یکی از آنها می‌چرخد، ابتدا نوک دندانه‌ها با هم تماس پیدا می‌کنند سپس به تدریج دو دندانه کاملاً در هم جفت می‌شوند. این درگیری تدریجی همان چیزی است که هم سر و صدا را کم می‌کند و هم باعث می‌شود که این چرخ دنده‌ها نرم تر کار کنند. شکل ۲
در ماشین تعداد زیادی چرخ دنده مارپیچ وجود دارد. به خاطر مایل بودن دندانه ها، هنگام درگیری نیروی زیادی به آنها وارد می‌شود. به همین علت در وسایلی که از چرخ دنده های مارپیچی استفاده می‌کنند بلبرینگ هایی تعبیه شده است تا این فشار را تحمل کند. اگر زاویه دندانه‌ها را به دقت تنظیم کنیم، می‌توان دو چرخ دنده را به دو محور عمود بر هم وصل کرد تا جهت چرخش ۹۰ درجه تغییر کند.

چرخ دنده های مخروطی
این چرخ دنده‌ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آنها برای تغییر جهت ۹۰ درجه استفاده می‌شود، ولی می‌توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند. شکل ۳
دندانه های آنها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه‌ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آنها باید محور چرخ دنده‌ها در یک صفحه قرار داشته باشد. شکل ۴
گاهی می‌خواهیم محور چرخها در یک صفحه نباشند. در چنین شرایطی از چرخ دنده هایی مانند شکل روبرو استفاده می‌کنیم. شکل ۵
در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیلها از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. این طراحی امکان آن را ایجاد می‌کند که محور چرخ دنده بیرونی پایین تر از محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود. شکل روبرو محور بیرونی ورودی را نشان می‌دهد که در تماس با چرخ حلقوی قرار گرفته است. از آنجایی که محور محرک (Drive Shaft) ماشین به چرخ بیرونی متصل می‌شود، پایین آمدن چرخ بیرونی امکان پایین آوردن محور محرک را هم ایجاد می‌کند، پس می‌توان محور را پایینتر آورد و در عوض فضای بیشتری را به سرنشینان اتومبیل اختصاص داد.

 

 

چرخ دنده های حلزونی
این چرخ دنده‌ها زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که بخواهیم تغییر زیادی در سرعت و یا قدرت ایجاد کنیم. معمولاً نسبت شعاع دو چرخ دنده ۲۰:۱ است و گاهی حتی به ۳۰۰:۱ و بیشتر نیز می‌رسد. شکل ۶
این چرخ دنده‌ها یک خاصیت جالب هم دارند که در هیچ چرخ دنده دیگری پیدا نمی شود. چرخ بالایی (حلزون) می‌تواند به راحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را حرکت دهد، ولی چرخ پایینی نمی تواند حلزون رابچرخاند. زاویه دنده های روی حلزون آنقدر کوچک است که وقتی چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند، اصطکاک به حدی زیاد می‌شود که از حرکت حلزون جلوگیری می‌کند. این ویژگی به ما امکان استفاده از این چرخ دنده‌ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز داریم می‌دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛ وقتی موتور بالابر از کار بیفتد، چرخ دنده‌ها قفل می‌شوند و نمی گذارند بار پایین بیاید. معمولاً در دیفرانسیل کامیونها و خودروهای سنگین از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود.

چرخ دنده شانه ای
این چرخ دنده‌ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شوند. یک مثال خوب برای این چرخ دنده‌ها فرمان اتومبیل است. فرمان، چرخ دنده ای را می‌چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان را می‌چرخانید، با توجه به جهت چرخش فرمان، شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می‌کند و باعث حرکت چرخها می‌شود. در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از سیستم مشابهی استفاده می‌شود.

 

نسبت دنده چگونه کار می کند؟

 

شما می توانید دنده ها را تقریباً در هر چیزی که از اجزای چرخنده تشکیل شده، ببینید. موتور اتومبیل ها و سیستم های انتقال نیرو از تعداد زیادی دنده تشکیل شده اند. اگر یک دستگاه VCR را باز کرده و داخل آن را نگاه کنید، تعداد زیادی دنده در آن خواهید دید. ساعت های کوکی، جیبی و پاندولی هر کدام شامل تعداد زیادی دنده هستند، به ویژه اگر دارای زنگ یا ناقوس هم باشند. شما احتمالاً یک کنتور برق در کنار خانه ی خود دارید، که اگر محفظه ی شفاف و شیشه مانند داشته باشد می توانید تعداد  ۱۰یا ۱۵ دنده را داخل آن مشاهده کنید. دنده ها هر جا که اثری از ماشین ها و موتور ها که حرکت دورانی تولید می کنند، باشد حضور دارند.

در این جزوه درباره ی نسبت دنده ها و نحوه ی کار و توالی دنده ها مطالبی را خواهید آموخت، در نتیجه به خوبی درک خواهید کرد که چرخ دنده های گوناگون چگونه کار می کنند. شاید لازم باشد برای آشنایی با انواع مختلف چرخ دنده ها و موارد استفاده ی آنها، دنده چگونه کار می کند را هم مطالعه کنید.

به کار گیری چرخ دنده ها

چرخ دنده ها عموماً برای یکی از چهار دلیل زیر استفاده می شوند:

۱.     برای تغییر جهت دوران

۲.     برای زیاد یا کم کردن سرعت دوران

٣.     برای انتقال حرکت دورانی به محوری دیگر

۵.     برای حفظ هم زمانیِ دوران دو محور

 

چرخیدن دنده ها را در خلاف جهت همدیگر می بینید، و اینکه چرخ دنده ی کوچک تر با سرعت دو برابر چرخ دنده- ی بزرگ تر می چرخد، و بعلاوه محور دوران چرخ دنده ی کوچک تر، در سمت راست محور دوران چرخ دنده ی بزرگ تر قرار دارد.

دلیل این امر که سرعت یک چرخ دنده دو برابر چرخ دنده ی دیگر است، در نسبت بین دنده هاست-نسبت دنده ها. قطر چرخ دنده ی سمت راست دو برابر قطر چرخ- دنده ی سمت چپ است. بنابراین نسبت دنده ها ۲:١ است (بخوانید” دو به یک”). هر بار که چرخ دنده ی بزرگ تر یک دور می زند، چرخ دنده ی کوچک تر دو دور می زند. اگر هر دو چرخ دنده قطر یکسانی داشتند، دوران آنها با سرعت برابر امّا در جهت مخالف صورت می گرفت.

درک مفهوم نسبت دنده

درک مفهوم نسبت دنده آسان است، اگر شما مفهوم محیط یک دایره را درک کنید. به خاطر داشته باشید که محیط یک دایره برابر است با حاصل ضرب قطر دایره در عدد پی (عدد پی برابر است با …۱۴١۵٩⁄٣). بنابراین اگر یک دایره یا یک چرخ دنده با قطر١ اینچ داشته باشید،محیط دایره برابر با ۱۴١۵٩⁄٣ اینچ خواهد بود.

 

 

بیشتر چرخ دنده هایی که در زندگی روزمرّه می بینید، دندانه دارند. این دندانه ها سه مزیّت دارند:

  • آنها از سُر خوردن دنده ها روی هم دیگر جلوگیری می کنند. بنابراین محورهایی که با چرخ دنده ها با هم ارتباط دارند، همواره دقیقاً با هم همزمان و هماهنگ خواهند بود.
  • آنها برقراری نسبت های واقعی دنده ها را ممکن می سازند. کافیست تعداد دندانه های دو چرخ دنده را شمرده و بر هم تقسیم کنید. در نتیجه، به عنوان مثال اگر یک چرخ دنده ۶۰ دندانه و دیگری ۲۰ دندانه داشته باشد، نسبت دنده، زمانی که این دو چرخ دنده به هم متّصل باشند، ٣:١ خواهد بود.
  • آنها باعث می شوند که خطاهای جزئی در اندازه ی واقعی قطر و محیط دو چرخ دنده، چندان مهم جلوه نکنند. نسبت دنده به وسیله ی تعداد دندانه ها تعیین می شود، حتّی اگر اندازه- ی قطرها ناجور باشند.

 

دنده های متوالی

برای به دست آوردن نسبت های بزرگ بین دنده ها، گاهی چرخ دنده ها به صورت متوالی و متّصل به کار برده می شوند، مانند شکل زیر:

 

دنده ی سمت راست (بنفش) در این سری، همان طور که در شکل نشان داده شده، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است. یک چرخ دنده ی کوچک و یک چرخ دنده ی بزرگ بر روی هم سوار شده و به هم متّصل اند. همان طور که در دو شکل زیر نشان داده شده، دنده های متوالی اغلب به صورت زنجیروار و از چرخ دنده های متعدّد و گوناگون، تشکیل شده اند.

در حالت بالا،چرخ دنده ی بنفش با سرعت دو برابر چرخ دنده ی آبی می چرخد. چرخ دنده ی سبز با سرعت دو برابر چرخ دنده ی بنفش دوران می کند. چرخ دنده ی قرمز با سرعت دو برابر چرخ دنده ی سبز چرخش می کند. توالی دنده هایی که در شکل زیر نشان داده شده، نسبت دنده ی بالاتری را ایجاد کرده است.

در این زنجیره، اندازه ی چرخ دنده های کوچک تر یک پنجم چرخ دنده های بزرگ تر است. این بدان معنیست که اگر چرخ دنده ی بنفش را به یک موتور با چرخش ١۰۰ دور در دقیقه وصل کنید، چرخ دنده ی سبز با سرعت ۵۰۰ دور در دقیقه و چرخ دنده ی قرمز با سرعت ۲۵۰۰دور در دقیقه خواهند چرخید. به همان طریق می توانید یک موتور با چرخش ۲۵۰۰دور در دقیقه را به چرخ دنده ی قرمز وصل کرده و سرعت ١۰۰ دور در دقیقه را در چرخ دنده ی بنفش ایجاد کنید. اگر داخل کنتور برق منزلتان را می توانید ببینید و کنتور شما از نوع قدیمی با پنج صفحه ی مکانیکی است، پنج قرص را که بدین شکل به صورت متوالی، و با نسبت دنده ی ١۰:١ به یکدیگر متّصل اند، خواهید دید. به دلیل اینکه قرص ها به طور مستقیم به هم وصلند، در جهت های مخالف هم می چرخند (خواهید دید که تعداد دورها در چرخ دنده های مجاور معکوس همدیگر است).

موارد استفاده ی دیگر چرخ دنده ها

برای ایجاد نسبت دنده ی بالا، هیچ چیز نمی تواند با دنده ی حلزونی رقابت کند. در یک دنده ی حلزونی، یک محور رزوه داده شده با دندانه های یک چرخ دنده درگیر می شود. هر بار که محور یک دور بزند، چرخ دنده به اندازه ی یک دندانه پیش می رود. اگر چرخ دنده ۴۰ دندانه داشته باشد، در یک فضای بسیار کوچک نسبت دنده ای برابر با ۴۰:١ خواهید داشت.

 

 

کیلومترشمار مکانیکی، مورد دیگری است که از تعداد زیادی دنده حلزونی استفاده می کند.

در این کیلومترشمار سه دنده ی حلزونی قابل رؤیت وجود دارد. برای اطّلاعات بیشتر مراجعه کنید به کیلومتر شمار چگونه کار می کند.

دنده های سیّاره ای

راه های بسیار زیاد دیگری برای استفاده از چرخ دنده ها وجود دارد. یک توالی ویژه ی دنده ها به توالی سیّاره ای دنده ها نامیده شده است. دنده های سیّاره ای، مشکل زیر را حل کرده اند. فرض کنید، می خواهید نسبت دنده ی ۶:١ را با جهت های ورودی و خروجی یکسان داشته باشید. یک روش برای به وجود آوردن این نسبت به کار بردن توالی سه چرخ دنده ایِ زیر است:

در این زنجیره، قطر چرخ دنده ی آبی شش برابر قطر چرخ دنده ی زرد است (که نسبت دنده ای ۶:١ را به دست می دهد). اندازه ی چرخ دنده ی قرمز اهمّیتی ندارد، چرا که وجود آن تنها به خاطر تغییر جهت دوران است تا چرخ دنده های زرد و آبی در یک جهت بچرخند. به هر حال، تصوّر کنید که می خواهید محور چرخ دنده ی خروجی، همان محور چرخ دنده ی ورودی باشد. یکی از موارد معروفی که در آن، این قابلیّت هم محوری نیاز است، آچار پیچ گوشتی الکتریکی می باشد. در این حالت، همان طور که نشان داده شده می توانید از یک سیستم دنده ی سیّاره ای استفاده کنید:

در این سیستم دنده ای، چرخ دنده ی زرد (خورشید) به طور همزمان، با هر سه چرخ دنده- ی قرمز (سیّاره ها) درگیر است. هر سه آنها به یک صفحه (حامل سیّاره) متّصل اند، و از داخل با چرخ دنده ی آبی (حلقه) درگیرند، نه از خارج. به دلیل وجود سه چرخ دنده ی قرمز به جای یکی، این توالی دنده ثبات زیادی دارد. محور خروجی به چرخ دنده ی حلقه ایِ آبی متّصل است، و حامل سیّاره ثابت نگه داشته شده است؛ این سیستم همان نسبت دنده ی ۶:١ را به دست می دهد. شما می توانید تصویری از یک سیستم دنده ی سیّاره ای دو مرحله ای را در screwdriver page,electric  ، و یک سیستم دنده های سیّاره ای سه مرحله ای را درsprinkler page. مشاهده کنید. همچنین می توانید سیستم های دنده های سیّاره ای را درautomatic transmissions. بیابید.

مسئله ی جالب دیگر در مورد سیستم های دنده های سیّاره ای این است که آنها می توانند نسبت دنده های مختلفی را بسته به این که کدام چرخ دنده به عنوان ورودی، کدام یک  به عنوان خروجی و کدام یک به عنوان چرخ دنده ی ثابت استفاده شود، ایجاد نمایند. به طور مثال، اگر چرخ دنده ی خورشید به عنوان ورودی انتخاب شود، و چرخ دنده ی حلقه را ثابت نگه داریم و محور خروجی را به صفحه ی حامل سیّاره متصل کنیم، نسبت دنده ی متفاوتی را به دست خواهیم آورد. در این حالت، حامل سیّاره و سیّاره ها حول چرخ دنده ی خورشید می چرخند، بنا بر این به جای این که چرخ دنده ی خورشید شش دور بزند تا حامل سیّاره را یک دور بچرخاند، باید هفت دور را طی کند. دلیل این مطلب این است که حامل سیّاره در همان جهت چرخش چرخ دنده ی خورشید، دور آن می گردد و باعث می شود که چرخ دنده ی خورشید یک دور عقب بیفتد.بنابراین در این حالت، تبدیل نسبت دنده را به ۷:١ خواهیم داشت.

شما می توانید همه چیز را از نو بازآرایی کنید، و این بار چرخ دنده ی خورشید را ثابت نگه داشته، خروجی را به حامل سیّاره و ورودی را با یک گیره به چرخ دنده ی حلقه ای وصل کنید. این سیستم به شما نسبت دنده ی ١: ١۷⁄١ را خواهد داد. یک گیربکس اتوماتیک علاوه بر کلاچ ها و ترمزهای نواری برای ثابت نگه داشتن قسمت های مختلف سیستم دنده و تعویض ورودی و خروجی ها، از سیستم های دنده های سیّاره ای برای به وجود آوردن نسبت های مختلف دنده استفاده می کند.

یک مثال

موقعیّت زیر را مجسّم کنید: شما دو چرخ دنده ی قرمز در اختیار دارید که می خواهید هم- زمان و هماهنگ با یکدیگر، بمانند، اما مشکل اینجاست که آنها از هم فاصله دارند. شما می- توانید بین آن دو یک چرخ دنده ی بزرگ قرار دهید، در صورتی که می خواهید آن دو جهت دورانی یکسانی داشته باشند:

یا اگر می خواهید که چرخ دنده های شما در خلاف جهت هم حرکت کنند، از دو چرخ- دنده ی هم اندازه استفاده کنید:

به هر شکل، در هر دو حالت احتمالاً چرخ دنده های اضافی سنگین هستند و شما مجبورید محورهایی را برای آنها به کار ببرید. در این گونه موارد، راه حلِّ معمول، همان طور که در شکل زیر آمده، استفاده از زنجیر یا تسمه ی دندانه دار است:

امتیاز زنجیرها و تسمه ها در وزن سبک، قابلیّت جدا کردن دو چرخ دنده با یک فاصله ی معیّن، و توانایی ارتباط دادن چندین چرخ دنده به هم با یک زنجیر یا تسمه می باشد. به طور مثال، در موتور یک اتومبیل، میل لنگ، دو میل بادامک و دینام هر سه با یک تسمه ی دندانه دار به هم مرتبط اند. اگر مجبور بودید به جای تسمه از چرخ دنده استفاده کنید، این عمل بسیار مشکل می شد.

 

 

 

 

دانشپذیر در پایان این دوره باید با سرفصل های دوره رباتیک در قسمت مکانیک آشنایی های زیر را داشته باشد :

  • ربات چیست و اصولا یک ربات برای چه مقاصدی استفاده می شود
  • استفاده ربات در صنعت چگونه است و علم رباتیک در مصارف مختلف چگونه تعریف می شود
  • سیستم های مختلف حرکتی و انواع حرکت های خطی ، دورانی و با ترکیبی چیست
  • با چه ابزاری می توان حرکت های مختف را تولید کرد
  • یک ربات از چه قسمت هایی تشکیل شده است و در قسمت مکانیک چه بخش های مهمی وجود دارد
  • تعادل مکانیکی در حرکت و ایستایش چیست و چونه باید این تعادل را حفظ نمود
  • روش های مختفل ساخت قسمت های مکانیکی یک ربات چیست
  • مهارت ها و نکته های کلیدی ساخت یک ربات در بخش مکانیک چیست
  • می خواهیم یک ربات ساده بسازیم
  • در مسابقات مختفل رباتیک چه ربات هایی بیشتر شرکت داده میشوند
  • مسابقات رباتیک را بشناسیم و با قوانین کلی آنها آشنا شویم
  • قطعات یک ربات نمونه را جدا سازی کرده و مفاهیم آموزشی تعلیم داده شده در آن را مشاهده می کنیم
  • استفاده از نرم افزار ها برای طراحی یک ربات و شبیه سازی آن قبل از ساخت (برای گروه پیشرفته )
  • آشنایی با نرم افزار های نقشه کشی برای تهیه نقشه های ساخت یک ربات (برای گروه پیشرفته )
  • ربات فوتبالیست چیست و مکانیزم حرکت مکانیکی آن چگونه است (برای گروه پیشرفته )
  • ربات نجات دهنده چیست و از نظر مکانیکی چه ویژگی هایی دارد (برای گروه پیشرفته )
  • آشنایی مقدماتی با هوش مصنوعی و شبکه های عصبی در ساخت ربات های انسان نما (برای گروه پیشرفته )
  • مراحل ساخت مکانیکی یک ربات را پله پله با هم انجام دهیم(برای گروه پیشرفته )

 

 

 

 

حمیدرضا وحدت پور

مدیرعامل کانون توسعه پژوهش و فناوری مکانیک ایران

سرپرست تیم روبوکاپ دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد