هر جا که دانشجویان و علاقمندان به رباتیک حضور دارند – چه در اینترنت و چه در مسابقات رباتیک – فرصت مناسبی برای بررسی برخی مفاهیم بوجود می آید و معمولا این سوال مطرح می شود :مهمترین ویژگی یک ربات چیست ؟بدون شک پاسخ به این سوال منجر به ایجاد مباحث جنجالی و گفتگوهای طولانی می شود .آیا ربات باید با محیط اطراف خود بر هم کنش داشته باشد ؟

ادامه مطلب رابخوان...

لطفأنظریادتون نره

یا باید پردازنده بر روی آن نصب شود ؟آیا وجود سنسورها ضروری است ؟ آیا ربات های جنگجو واقعا ربات می باشند ؟ یا فقط ماشین های کنترلی جنگی هستند ؟ وضعیت در مورد ربات های BEAM چگونه است؟اگر ربات حرکت نداشته باشد آیا می توان آن را ربات نامید؟ اگرچه به این نکته اعتراف می کنیم که تمام چیزهای متحرک ربات نیستند . اما معتقدیم ربات های واقعی باید حداقل قابلیت حرکت کردن را داشته باشند . در این پروژه – انواع جابه جایی ، حرکت و قابلیت های یک ربات (برای انتقال از یک نقطه به نقاط ) بررسی می شود .در این پروژه ، در درجه اول بر استفاده از چرخ ها ، سیستم تانکی و پاهای قدرتمند که با انواع مختلف موتورهای الکتریکی (موتورهای dc ، موتورهای پله ای و سرو موتورها ) راه اندازی می شوند ، متمرکز خواهیم بود و درباره سایر محرک ها مانند هیدرولیک ، نیوماتیک یا ماهیچه های هوایی بحث نخواهد شد . زیرا گستره این موضوعات فراتر از حوزه این پروژه است .محیط زندگی رباتدر سال های اخیر یک روند رو به رشد در آموزش رباتیک ایجاد شده است و به موجب آن طراحان ربات ها از طبیعت برای حل مشکلات پیچیده بهره می گیرند . به ویژه ربات های بسیاری با استفاده از علم زیست شناسی و شاخه های مرتبط با آن مانند حشره شناسی ، ماهی شناسی و ... ، طراحی وساخته می شوند .یکی از علومی که مورد توجه علاقمندان به رباتیک قرار دارد رفتار شناسی حیوانات است . در این علم رفتار حیوانات در محیط طبیعی زندگی شان مورد بررسی قرار می گیرد .یک رفتار شناس در اکثر موارد موضوع تحقیق خود را در حیات وحش مورد مطالعه قرار می دهد . از دید یک رفتار شناس ، یک موجود زنده و محیط زندگی اش ذاتا جدایی ناپذیرند .توصیه می شود هنگامی که روش های طراحی ربات ها را بررسی می کنید ، موضوع را از هر طریق ممکن به رفتار شناسی یا سایر شاخه های زیست شناسی نزدیک کنید .ابتدا درباره محیط (که از ربات انتظار می رود در آن کار کند ) کمی مطالعه کنید و ابعاد ربات را متناسب با آن انتخاب کنید . سپس لیستی از فعالیت هایی که ربات باید آنها را انجام دهد تهیه نمایید . با استفاده از این روش ، طراحی محدودتر شده و احتمال اجرای موفقیت آمیز پروژه افزایش می یابد .طراحی موفق ربات های فوتبالیست ، ربات های نظافتچی ، ربات های جنگجو و ربات ها با اهداف خاص ، تنها از طریق مطالعه پیست و محیط کار ربات امکان پذیر می باشد .1. محیط های سر پوشیده1-1 محیط های کنترل شده :در این محیط ها کوشش می شود تا عوامل غیر مترقبه ای که ممکن است بر روی عملکرد ربات تاثیر داشته باشند محدود شوند . این ربات ها برای انجام وظایف خاصی که از پیش تعیین شده است طراحی می شوند .سیستم انتقال قدرت این ربات ها بسیار ساده است و معمولاً از چرخ هایی تشکیل شده است که به صورت مستقیم به شفت موتورها متصل می شوند .2-1 محیط های غیر قابل کنترل :ربات هایی که برای حرکت های تصادفی یا حرکت در محیط های داخل خانه طراحی می شوند از این دسته هستند . این ربات ها هنگامی که بر روی سطح زمین حرکت می کنند ،با مسائل و موانع بسیار زیادی (در مقایسه با پیست مسابقات ) روبرو می شوند مبلمان ، انسان ها و حیوانات مهمترین این موانع هستند .2. محیط های رو بازطراحی ربات هایی که در این محیط کار می کنند ، از ربات ها در محیط های سر پوشیده بسیار پیچیده تر است .زیرا با دامنه وسیعی از موانع غیر قابل پیش بینی روبرو هستند . هنگام طراحی ربات برای محیط های رو باز باید عوامل زیر را در نظر گرفت:1-2 حفاظت در برابر رطوبت و گل و لای2-2 آب و هوا3-2 کاهش ارتعاشات4-2 مقابله با موانع زمینی5-2 اندازه و وزنانواع حرکت ربات : چرخ - سیستم تانکی – ربات راه روندهدر ساختمان تمام ربات ها از موتورها استفاده می شود و عملکرد ربات تا حد زیادی به نحوه اتصال موتورها به چرخ ها بستگی دارد . اگرچه امروزه روش های متعددی برای انجام این کار وجود دارد ، اما تمام ربات ها به صورت کلی به دو دسته چرخ دار و با سیستم تانکی تقسیم می شوند .چرخ : قطر چرخ ، گشتاور و سرعت :قطر چرخ ( یا قطر چرخ زنجیر در سیستم تانکی ) تاثیر بسیاری بر روی گشتاور موتور و سرعت ربات دارد . آشکار است که با افزایش قطر چرخ ، سرعت ربات افزایش و گشتاور آن کاهش می یابد .با افزایش قطر چرخ سرعت یک ربات افزایش می یابد . تغییر قطر چرخ با سرعت ربات نیز خطی است . با آگاهی از قطر چرخ و سرعت دورانی موتور (RPM) ، سرعت ربات قابل مقایسه می باشد . این فرایند بسیار ساده است.ابتدا مسافتی که ربات در هر چرخش کامل چرخ طی می کند محاسبه می شود . مقدار مسافت از رابطه زیر به دست می آید :D = πd در این رابطه D مقدار مسافت طی شده و یکای آن با یکای قطر چرخ (d) یکسان است. از ضرب کردن مقدار D در RPM موتور (تعداد دور در دقیقه ) سرعت ربات در یک دقیقه به دست می آید .با انجام عملیات ضرب یا تقسیم می توان مقدار سرعت را با یکای کیلومتر / مایل به ثانیه / ساعت محاسبه کرد . در یک سیستم تانکی برای محاسبه سرعت ، قطر چرخ زنجیر محرک اندازه گیری می شود .قبل از انتخاب سیستم حرکتی ربات تعدادی از پارامتر ها مورد بررسی قرار می گیرند. این پارامتر ها شامل اندازه و وزن ربات ، جنس سطح ، قدرت موتورها و مسائل زیبا شناختی می باشند . هر سیستم دارای مزآیا و معایب خاص خود می باشد .انواع چرخ :امروزه منابع بیشماری برای تهیه چرخ ها وجود دارند . می توان انواع مختلف چرخ را از روی وسایل متحرک جمع آوری کرد .در این بخش تعدادی از انواع مناسب چرخ معرفی می شوند .1. چرخ های ماشین کنترلی2. چرخ های LEGO3. چرخ های هواپیمای ریموت کنترل4. چرخ های چند سویهانواع سیستم های تانکیسیستم های تانکی به صورت کلی به دو دسته لاستیکی و نایلونی تقسیم می شوند .1. سیستم های تانکی LEGO2. سیستم های تانکی با تسمه و قرقرهبررسی عملکرد ربات ها با دو پا و یا بیشتر :ربات های راه رونده ، ویژگی های منحصر به فردی نسبت به ربات های غلتان دارند . این ویژگی ها به نحوه راه رفتن (گام برداشتن ) و تعادل آنها مربوط است .همانگونه که از ظاهر این ربات ها مشخص است ، وزن این ربات ها به جای چرخ بر روی اتصالات اعمال می شود و کل نیروی وزن توسط سرو موتورهای کوچک نگه داشته می شود .این طراحی ها اگرچه پیچیده هستند ، اما راه حل های ساده و منطقی برای حل مسائل مربوط به این ربات ها وجود دارد .تعادل دینامیک و تعادل ایستاهنگامی که موجودات (انسان و حیوان ) راه می روند ، مرکز ثقل شان بدون زمین خوردن آنها جا بجا می شود . این نوع تعادل ، تعادل دینامیک نامیده می شود .برای ایجاد این نوع تعادل ، سخت افزار کنترلی ربات به صورت پیوسته از چگونگی تعادل ربات فیدبک (باز خورد ) می گیرد .برای اصلاح تغییرات کوچکی که در تعادل یا جهت صورت می گیرد ، ربات باید هم شتاب و هم مرکز ثقل را تغییر دهد .به همین دلیل چنین ربات هایی پیچیده و گران قیمت هستند .با وجود آنکه مفاهیم کلی جابجایی در تمام ربات ها یکسان است ، اما انواع مختلف ربات برای حفظ تعادل به الگوریتم های متفاوتی نیاز دارند . ایجاد تعادل دینامیک به شتاب سنج – در محورهای مختلف – شیب سنج و روش های کنترل موتور پیشرفته نیاز دارد .مقایسه سیستم تانکی با سیستم های چرخ دار (در محیط رو باز ) :به نظر می رسد که سیستم تانکی مناسب ترین گزینه برای استفاده در محیط های رو باز است . به ویژه اگر محل فعالیت ربات زمین سخت باشد . علاوه بر آن ، ربات ها با سیستم تانکی بسیار زیبا تر هستند .با این وجود این سیستم از نظر مکانیکی بسیار پیچیده است . معمولا خرید یک سیستم تانکی (به صورت آماده ) از ساخت یا جمع آوری کردن آن به صرفه تر می باشد .برخی معایب سیستم تانکی و مزآیای سیستم های چرخ دار باعث شده است تا در اکثر طراحی ها از چرخ استفاده شود . در پروژه هایی که حیطه کاری ربات زمین های مسطح است و در اکثر ربات های تجاری و تحقیقاتی از سیستم های چرخ دار استفاده می شود .امروزه تعداد زیادی از ربات های عظیم الجثه (حتی با ابعاد یک کامیون ) با چهار و حتی تعداد بیشتری چرخ طراحی می شوند .مهمترین پارامتر ها در طراحی این سیستم ، انتخاب مناسب قطر چرخ ها و محاسبه میزان گشتاور ماکسیمم - که باید برای راه اندازی چرخ ها به کار گرفته شود .ربات های راه رونده :با آنکه این ربات ها نسبت به ربات های چرخ دار و ربات های تانکی پیچیدگی مکانیکی بیشتری دارند ، اما به خاطر استفاده از پا برای حرکت ، تاثیر عمیقی بر بینندگان می گذارند .از دید بسیاری از دانشمندان رباتیک ، این ربات ها فصل مشترکی از علم ، طبیعت و هنر هستند .به صورت نظری ربات هایی که با پا حرکت می کنند ، قابلیت های خاصی برای حرکت بر روی زمین های مرطوب دارند .اما در عمل و در بسیاری از طراحی های کاربردی ، از ربات های تجاری و تحقیقاتی گرفته تا ربات های کاوشگر سیارات ، استفاده از چرخ ها رایج تر است .ساخت پاهای مصنوعی همانند پاهای واقعی و با همان درجه آزادی (DOF) بسیار مشکل و در واقع غیر ممکن است .اما با تکنولوژی امروز رباتیک ، علاقه مندان می توانند با تسلط بر راه اندازی سرو موتورها ، پاهایی را با درجات آزادی کمتر طراحی و اجرا کنند . با تمام مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد ، ساخت ربات هایی که پا دارند برای افراد مبتدی نیز امکان پذیر است .رموتور های DC - تعریف و تاریخچهامروزه موتورهای DC جایگاه ویژه ای در صنعت دارند این موتورها به سبب بازده بالا ، کاربردهای وسیع در زمینه های مختلف و کنترل آسان بیش از سایر موتورها مورد استفاده قرار می گیرند .تاریخچه استفاده از این موتورها به سال 1821 بر می گردد . در آن سال دانشمند و مخترع برجسته انگلیسی ، مایکل فاراده اولین موتور DC را ساخت، فاراده یک آهنربا را در یک بشقاب پر از جیوه قرار داد و در بالای آن یک سیم آویزان کرد .یک سر سیم به یک قطب باتری متصل شده بود و قطب دیگر باتری به یک سیم وصل بود . سیم می توانست در ظرف جیوه نوسان کند. رسانا بودن جیوه باعث شد تا همانند یک کموتاتور مایع عمل کند و در سیم جریان برقرار شود.در نتیجه میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم حامل جریان ، سیم در اطراف آهن ربای دائمی که در ظرف قرار داشت شروع به نوسان کرد .این اولین موتور تک قطبی بود که حرکت دورانی پیوسته را در سیم ایجاد می نمود . این موتور ابتدایی قادر به انجام وظیفه واقعی خود نبود .فاراده تلاش های بسیاری در این زمینه انجام داد و اندیشه آغازین و مفهوم کلی این پدیده را در اختیار دیگران قرار داد .در سال 1932 ، ویلیام استورجن – مخترع انگلیسی الکترو مغناطیس – یک موتور چهار قطبی ساخت که یک جوجه گردان را راه اندازی می کرد . بدین ترتیب اولین وسیله خانگی مدرن ساخته شد .او به خوبی اختراع کموتاتور را به یاد داشت و از آن به عنوان یک جزء لاینفک موتورهای DC مدرن استفاده نمود . در آن سوی آتلانتیک و در آیالات متحده ، توماس دیون پورت از نمونه اولیه موتور DC الگو گرفت و از موتور الکتریکی در تجهیزات گوناگون استفاده کرد. او نتیجه فعالیت هایش را در سال 1837 ثبت نمود .با وجود سهولت استفاده از موتورهای الکتریکی – به علت در دسترس نبودن الکتریسیته در آن زمان – این موتورها نتوانستند به شکلی مناسب گسترش یابند .در آن زمان باتری های سرب – اسید تنها منبع انرژی الکتریکی بودند . این موتورها پس از استفاده تجاری از برق ، راه اندازی نیروگاه ها و توسعه شبکه های قدرت ، کاربردهای بسیاری در صنعت و لوازم خانگی پیدا کردند . امروزه نیز انرژی الکتریکی خارج از شبکه مانند باتری ها ، مهمترین منبع تامین انرژی این موتورها است .موتورهای DC جزو قدرتمند ترین موتورها هستند . در ده ها سال گذشته محققان تلاش های گسترده ای را برای بهبود بازده ، سرعت و قدرت این موتورها انجام داده اند . امروزه موتورهای DC پیشرفته با بازده بیش از 90درصد طراحی و ساخته می شوند .بیشتر موتورهایی که به منظور استفاده در پروژه های رباتیک ارائه می شوند ، بازدهی بین 40 تا 70 درصد دارند . با این وجود به اندازه کافی قدرتمند هستند . این موتورها جریان بیشتری می کشند و باتری ها را سریع تر تخلیه می کنند .عملکرد یک موتور DCدر یک موتور DC ، آهنربای دائمی میدان مغناطیسی ایجاد می کند و روتور در داخل آن می چرخد .روتور – که در بخش مرکزی موتور قرار دارد – تعدادی«قطب»دارد، که هر کدام یک سیم پیچ دارند . سیم پیچ ها در مرکز شفت به یک سوئیچ متصل شده اند که اصطلاحا «کموتاتور»نامیده می شود .جاروبک ها به سیم های + و – موتور (که سیم پیچ ها را تغذیه می کند ) به گونه ای متصل می شوند که یکی از قطب ها میدان مغناطیسی را دفع و دیگری آن را جذب می نماید . هنگامی که روتور می چرخد ، کموتاتور جهت میدان مغناطیسی را عوض می کند . وجود قطب ها باعث تداوم حرکت روتور می گردد .یک موتور DC شامل قطعات اصلی زیر است :روتور :شامل یک یا چند سیم پیچ است که بر روی شفت مرکزی موتور نصب شده اند . جریان مورد نیاز این سیم پیچ ها از طریق کموتاتور فراهم می شود. نیروی لورنز سیم پیچ را حرکت می دهد و نیروی گشتاور دورانی ایجاد می نماید .کموتاتور :این قسمت شامل دو ورقه است که بر روی شفت موتور قرار دارند .این ورقه ها قدرت مورد نیاز سیم پیچ های روتور را فراهم می کنند و هنگامی که بر روی شفت موتور می چرخند ، توسط یک جفت جاروبک به منبع تغذیه متصل هستند .استاتور :همان گونه که توضیح دادیم ، استاتور از یک آهن ربای دائمی تشکیل شده است که گرداگرد شفت روتور قرار گرفته است .این بخش میدان مغناطیسی (شار) مورد نیاز موتور را فراهم می کند .برخی موتورها (مخصوصا موتورهای بزرگ تر ) از یک آهنربای الکتریکی به عنوان استاتور استفاده می کنند . پیش از این که آهنرباهای دائمی با قدرت های متنوع امروزی ساخته شوند ، استاتورها از آهنرباهای الکتریکی تشکیل شده بودند .کنترل موتورهای DCکنترل موتورهای DC به شکل فوق العاده ای ساده است . این ویژگی – بیش از همه چیز – آن ها را برای استفاده در وسایل متعدد مناسب می سازد . برای راه اندازی یک موتور DC فقط باید به آن ولتاژ اعمال کرد .برای درک سادگی ، آن را با سیکل احتراق یک موتور بنزینی مقایسه کنید .برای معکوس کردن جهت یک موتور DC ، کافیست پلاریته جریان تغذیه را معکوس نمائید و به هیچ مکانیزم دیگری نیاز نخواهد بود . با تغییر ولتاژ اعمالی به یک موتور DC می توان گشتاور و سرعت آن را کنترل نمود .مدولاسیون پهنای پالس (PWM) :سرعت موتورهای الکتریکی با تغییر سطح ولتاژ موثر و جریان عبوری از سیم پیچ روتور تغییر می کند . در سال های قبل این عمل با استفاده از یک مقاومت متغیر یا رئوستا ، انجام می شد .رئوستا ضمن کار کردن مقدار بیش از حدی از انرژی را به گرما تبدیل می کند . بنابراین نباید از مقاومت برای کاهش ولتاژ موتور استفاده کرد . در ربات های متحرک – و وسایلی که با باتری کار می کنند – انرژی باتری ها بسیار ارزشمند است و نباید آن را به گرما تبدیل نمود . راه حل جدید این مسئله ، استفاده از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) است. PWM با روش های گوناگونی تولید می شود. وقتی PWM برای کنترل یک موتور به کار گرفته می شود ، سیگنال قدرت به صورت پیوسته به موتور اعمال نمی شود . بلکه در کاربردهای عادی ، یک موج مربعی با یک فرکانس خاص که اغلب حدود 20 کیلو هرتز است (گاهی اوقات کمتر از 60 هرتز یا بیشتر از 50 کیلو هرتز ) به موتور اعمال می شود .توان موتور با تغییر سیکل کاری (دوره ) یا پهنای پالس سیگنال قدرت کنترل می شود . وقتی سیکل کاری صفر درصد است ، موتور کاملا خاموش و وقتی که 100درصد است ، موتور کاملا روشن است . در سیکل کاری 50 درصد ، موتور نصف قدرت ماکسیمم (بیشینه ) را دارد .سرو موتورسرو موتورها می توانند قوی تر یا ضعیف تر از موتورهای پله ای باشند .زیرا تعداد زیادی از موتورهای پله ای وجود دارند که بزرگتر و قدرتمندتر از سرو موتورها هستند . سرو موتورها دومین موتور قدرتمند در زمینه رباتیک هستند .امروزه تعداد زیادی از کمپانی ها سرو موتورهای ارزان قیمت و با کیفیت تولید می کنند . معروف ترین سازندگان سرو موتورها Futaba ، Airtronics ، Hitec هستند که محصولات متنوعی را تولید می کنند .عملکرد یک سرو موتوراساس کار یک سرو موتور همانند یک موتور Dc است ( که به یک گیربکس با نسبت کاهش سرعت 180:1 وصل شده است ) . اگر یک سرو موتور را باز کنید ، مشاهده می کنید که موتور داخل آن بسیار کوچک است .در داخل جعبه پلاستیکی موتور یک مدار کنترلر قرار دارد .این مدار سیگنال کنترلی که به سرو موتور فرستاده می شود را به جابجایی شفت خروجی تبدیل می کند .سرو موتورها معمولا دامنه حرکتی °60 دارند . اما برخی نمونه ها با دامنه °90 و یا بیشتر هم ساخته شده اند . یک پتانسیومتر(مقاومت متغیر ) موقعیت شفت خروجی را در تمام لحظات اندازه گیری می کند و مدار کنترلر می تواند شفت سرو موتور رادقیقا در نقطه مورد نظر قرار دهد . کنترل این نوع موتورهای Dc ، کنترل موتور حلقه بسته نامیده می شود و واژه سروُ نیز از این ویژگی گرفته شده است . یک کنترلر خارجی به موتور اعلام می کند که تحت تاثیر سیگنالی که مدولاسیون نسبی پالس (PPM) نامیده می شود به کدام نقطه برود .این مطلب به این معنی است که پهنای پالس پس از رمزنگاری در اختیار کنترلر قرار می گیرد .این سیگنال گاهی اوقات به اشتباه PWM نامیده می شود . PWM سیکل کاری را تغییر می دهد ، که بین صفر تا صد در صد زمان دوره است. PPM از زمان یک تا دو میلی ثانیه (در یک دوره 20 میلی ثانیه ای) برای رمز نگاری اطلاعات استفاده می کند.طبقه بندی سرو موتورهاسرو موتورها با توجه به مقدار گشتاور و سرعت شان طبقه بندی می شوند (اونس – اینچ / گرم – سانتی متر ) . یک سرو موتور با مقدار اونس – اینچ ، موتوری است که در فاصله یک اینچی (5/2 سانتی متری) از وسط چرخ - که اغلب بلبرینگ دارد – یک نیروی 40 اونسی اعمال می کند و باعث چرخش 60 درجه ای در مدت زمان 21/0 ثانیه می شود .مقادیر سرعت معمولا در بازه 21/0 – 11/0 ثانیه قرار دارند . سرو موتورها با گشتاورهایی بین 200- 17 اونس – اینچ طراحی و ساخته می شوند .قیمت سرو موتورها باسرعت و قدرت آن ها متناسب است . سرو موتورهایی که برای استفاده در رباتیک انتخاب می شوند باید به اندازه کافی قدرتمند بوده ، ابعاد مناسب داشته و شکل ظاهری آن ها به گونه ای باشد که بر روی ربات قابل نصب باشند .همان گونه که پیش بینی می شود ، کوچکترین سرو موتورها ضعیف ترین آن ها و بزرگترین موتورها قوی ترین آن ها هستند . البته استثناءهایی هم در این زمینه وجود دارد و در برخی موارد سرو موتورهای کوچک تر قوی تر از نمونه های بزرگ تر هستند .ولتاژکار این موتورها 8/4 ولت و در برخی موارد 6 ولت است . معمولا سرو موتورهایی که با 6 ولت کار می کنند سرعت و قدرت بیشتری دارند . همیشه یک سوال مهم درباره این موتورها مطرح می شود :افزایش ولتاژ چه تاثیری بر روی سرعت و قدرت سرو موتورها دارد ؟ پاسخ سازندگان درباره اثرات افزایش ولتاژ متفاوت است . افزایش ولتاژ در بعضی موارد باعث افزایش سرعت و قدرت ، در بعضی موارد فقط باعث گرم شدن موتور و در بعضی نمونه ها باعث توقف و از کار افتادن موتور می شود . اعمال ولتاژ غیر مجاز به سرو موتور باعث به خطر افتادن و باطل شدن گارانتی آن خواهد شد .معیار دیگر انتخاب سرو موتورها ، استفاده یا عدم استفاده از بلبرینگ هاست بلبرینگ ها برای نگه داشتن شفت خروجی موتور به کار می روند و موتور را کم صداتر ، قوی تر و بادوام تر می سازند .بلبرینگ ها اگرچه باعث افزایش قیمت موتور می شوند ، اما در مواردی که بار بیش از حد بر روی شفت موتور قرار می گیرد استفاده از آن ها ضروری است .موتور پله ایموتور پله ای با موتور هایی که تا کنون بررسی کردیم ، تفاوت های چشمگیری دارد . موتورهای پله ای گاهی اوقات موتورهای براشلس یا بدون جاروبک نیز نامیده می شوند . زیرا آهن ربای آن ها بر روی روتور یا شفت قرار دارد شفت موتور می تواند بدون هیچ تماس الکتریکی و یا دخالت هر عامل دیگری آزادانه بچرخد .موتورهای پله ای معمولا سرعت کمی دارند . آن ها معمولا در طراحی هایی با جا بجایی های دقیق و یا به منظور توقف فوری موتور در یک نقطه خاص به کار می روند .این ویژگی برای بسیاری از پروژه های رباتیک – که به سرعت کمی نیاز دارند - بسیار مناسب است . سرعت دورانی با دامنه RPM100-50 که توسط موتورهای پله ای ایجاد می شود ، برای بسیاری از ربات ها ایده آل می باشد .یک موتور پله ای بزرگ تر و سنگین تر از یک موتور DC یا سرو موتور با قدرت مشابه است . موتورهای پله ای معمولا خیلی قدرتمند نیستند و به همین دلیل برای ربات هایی با وزن بیش تر از یک کیلوگرم پیشنهاد نمی شوند .اکثر موتورهای پله ای در زیر بارهای سنگین،یکنواختی حرکت خود را از دست می دهند .عملکرد یک موتور پله ایجابجایی موتور پله ای از یک نقطه به نقطه دیگر باعث حرکت دورانی آن می شود .تعداد جابجایی هایی که برای انجام یک چرخش کامل انجام می شود با تعداد گام های موتور برابر است و از ویژگی های اختصاصی هر موتور پله ای می باشد . معمولا موتورها با تعداد گام ها و یا درجه ی هر گام توصیف می شوند .تعدادی سیم پیچ در بدنه این موتورها تعبیه شده است که جابجایی دقیق موتور از یک نقطه به نقطه دیگر را ممکن می سازد . این سیم پیچ ها در استاتور یا بدنه موتور قرار گرفته اند (با A,B,C,D مشخص شده اند ) .هنگامی که قطب های استاتور برق دار می شوند ، قطب های مغناطیسی مخالف استاتور را جذب می کنند و باعث چرخش موتور می گردند . روتور از تعدادی آهن ربای دائمی تشکیل شده است که هنگام برق دار شدن با سیم پیچ های استاتور همکاری می کنند .هر آهن ربای روتور «دندانه»نامیده می شود و اغلب روتورها با تعداد دندانه هایشان توصیف می شوند . سیم پیچ های استاتور به شکلی متناوب در اطراف بدنه تکرار می شوند . نحوه ی آرایش سیم پیچ ها به نوع ساختمان موتور پله ای وابسته است .موتورهای پله ای به دو دسته کلی تقسیم می شوند : تک قطبی (که اغلب چهار فاز نامیده می شود ) و دو قطبی (که اغلب دو فاز نامیده می شود ) . موتورهای پله ای تک قطبی چهار مجموعه سیم پیچ در اطراف بدنه موتور دارند .در صورتی که موتورهای پله ای دو قطبی دو مجموعه سیم پیچ دارند . سیم پیچ های یک موتور تک قطبی فقط با یک پلاریته برق دار می شوند ، به همین دلیل به آن «تک قطبی»می گویند .در سیم پیچ های یک موتور پله ای دو قطبی ابتدا برق دار شدن با یک پلاریته و سپس با پلاریته معکوس انجام می شود و باعث چرخش روتور می گردد .تعداد گام ها در یک دور کامل موتور پله ای به تعداد آهن رباهای دائمی یا تعداد دندانه های روتور بستگی دارد . تعداد دندانه های بیشتر به معنی گام های بیش تر و قابلیت جدا سازی بیشتر به ازای هر گام می باشد .انتخاب موتورهای مناسب برای پروژه های رباتیکاز نظر منطقی ، روش ای محدودی برای حرکت کردن یک ربات وجود دارد . چرخ ها ، سیستم تانکی و پاها . ساده ترین گزینه ، استفاده از چرخ ها می باشد و ساختار های زیر برای حرکت وجود دارند :• دو چرخ محرک که با استفاد از یک موتور حرکت می کنند و دو چرخ هدایت کننده (شبیه آنچه در خودرو به کار گرفته می شود ) .• دو چرخ محرک که با استفاد از یک موتور حرکت می کنند و یک چرخ هدایت کننده .• استفاده از دو چرخ محرک که هر کدام با یک موتور راه اندازی می شوند و استفاده از چرخ های هرزگرد ( این روش متداول تر از بقیه می باشد ) . • استفاده از سیستم تانکی (که پیچیده ترین گزینه می باشد ) .اگر در نظر دارید از پاها استفاده کنید ، ابتدا باید درباره تعداد پاهای ربات تصمیم گیری کنید (دو ، شش و یا بیش تر ) . پس از آن که تعداد پاها را محاسبه کردید ، باید تعداد درجه های آزادی (DOF) هر پا را مشخص کنید . سپس وزن ربات و ساختار محیطی که ربات در آن فعالیت می کند باید مشخص شوند .معمولا با در نظر گرفتن شرایط کاری یکی از انواع موتور انتخاب می شود (هر نوع موتور برای نوع خاصی از محیط مناسب است ) . نوع سیستم انتقال قدرتی که مورد استفاده قرار می گیرد ( چرخ ها ، سیستم تانکی یا پاها ) سرعت و شتاب ربات را تعیین می کند.مقایسه انواع موتورهاقبل از آن که اصول و مبانی انتخاب هر یک از موتورها را بررسی کنیم ، موتورها را با توجه به عملکرد ، روش جابجایی و امتیازاتی که دارند به سه دسته موتورهای DC گیربکس دار ، موتورهای پله ای و سرو موتورها تقسیم بندی می کنیم .در مرحله بعد باید در مورد نوع موتوری که برای استفاده در ربات مناسب باشد تصمیم گیری شود. در جدول 2-5 مزآیا و معایب هر یک از انواع موتور نشان داده شده است .  انوع موتورمزآیامعایبمناسب برایموتور DCمتنوع ، قدرتمند و در دسترس هستند ، اینتر فیس آن ها ساده است سریع و گران قیمت هستند ، جریان زیادی مصرف می کنند ، اتصال چرخ ها به آن ها دشوار است ، کنترل آن ها پیچیده است (PWM)ربات های بزرگسرو موتورگیربکس و سرعت مناسب دارند ، متنوع ، ارزان و برای ربات های کوچک مناسب هستند ، به آسانی به چرخ ها متصل می شوند ، اینتر فیس آن ها آسان استتوانایی حمل وزن های زیاد را ندارند ، سرعت ان ها قابل تغییر نیستربات های کوچک ، ربات های انسان نماموتور پله ایکنترل سرعت و اینتر فیس آن ها آسان است ، تنوع زیادی دارند ، برای محیط های سر پوشیده مناسب هستندنسبت به قدرت شان سنگین هستند ، جریان زیادی مصرف می کنند ، اتصال آن ها به چرخ ها دشوار است ، قدرتمند نیستند ، به سیستم های کنترل پیچیده ای نیاز دارندربات تعقیب خط ، ربات حل ماز مقایسه سرعت و گشتاور( موتورهای ساده و گیربکس دار )بعضی از ربات ها چند سرعت دارند ، که توسط موتورهای ساده یا گیربکس دارفراهم می شود . برخی دیگر فقط یک سرعت دارند . این ربات ها شامل برخی انواع ربات های جنگجو ، ربات های حل ماز و . . . می باشند .موتورهای DC ساده که آهنربای دائمی دارند وقتی با ولتاژ مناسب تغذیه شوند ، در شرایط بی باری با سرعت بالای 5000 دور در دقیقه (RPM) می چرخند . سرعت یک موتور بر مبنای دور بر دقیقه (RPM ) بیان می شود . سرعت ربات توسط این فرمول ساده محاسبه می شود :) /60 در اینجا یک ربات که قطر چرخ آن 3 اینچ (5/7 سانتی متر) است و توسط یک موتور با سرعت 5000 دور در دقیقه راه اندازی می شود مورد مطالعه قرار می گیرد .60 / (141/3 × 3 ×5000)=25/785 اینچ بر ثانیه در شرایط عادی این یک مقدار ماکسیمم (بیشینه ) است و فقط به صورت تئوری به دست می آید .زیرا در شرایط واقعی ، چرخ دنده ها اجازه رسیدن به چنین سرعت را نمی دهند .البته می توان سرعت موتورها را با کم کردن ولتاژ تغذیه کاهش داد .اما متاسفانه هر گونه کاهش در ولتاژ تغذیه موتور باعث کاهش گشتاور خروجی خواهد شد .اگر مصمم به کاهش سرعت موتور هستید ، باید از روش هایی که باعث کاهش مقدار گشتاور می شوند اجتناب کنید . ولتاژ ورودی به هیچ وجه نباید کاهش یابد .چرخ دنده ها اصول اولیهچرخ دنده ها ابزارهای انتقال دهنده قدرت هستند . انتقال قدرت از طریق چرخ دنده ها به روش های زیر انجام می شود :• چرخ دنده ها می توانند سرعت دورانی را افزایش یا کاهش دهند . آن ها به صورت همزمان گشتاور را نیز کاهش یا افزایش می دهند .• چرخ دنده ها می توانند جهت چرخش یا زاویه آن را تغییر دهند .• چرخ دنده ها می توانند حرکت دورانی را به حرکت خطی تبدیل کنند .• چرخ دنده ها می توانند مکان حرکت دورانی را تغییر دهند .انواع چرخ دنده ها1. چرخ دنده های محرک2. چرخ دنده های حلزونی3. چرخ دنده های پیچی4. چرخ دنده های لبه دار5. چرخ دنده های سیاره ای6. چرخ دنده های شانه ایموتور گیربکس دار و گیربکسبرای کاهش سرعت یک موتور DC روش های گوناگونی وجود دارد . می توان یک گیربکس را با مجموعه ای از چرخ دنده ها طراحی کرد . علاوه بر آن می توان یک گیر بکس قابل نصب بر روی موتور خرید و یا از یک موتور گیربکس دار (موتوری که گیربکس آن در کارخانه سازنده بر روی آن نصب شده است ) استفاده کرد .تعیین توان مورد نیاز برای حرکت رباتپیش از این ، چگونگی تعیین قدرت هر یک از انواع موتور بیان گردید . در این قسمت چگونگی محاسبه قدرت مورد نیاز هر ربات و انتخاب موتورهای متناسب با آن بیان می شود :تعیین توان مورد نیاز یک ربات چرخ داردر این قسمت از روابط فیزیکی برای بیان مطالب استفاده می شود . شکل 1-6 تمام مطالب بیان شده در این فصل را نشان می دهد . مطالب تا حد امکان به زبان ساده بیان شده اند و فرایند محاسبه قدرت موتور به سادگی امکان پذیر است .قبل از انتخاب موتور، باید قدرت مورد نیاز هر یک از موتورها مشخص شود . برای حرکت کردن ربات باید بر دو نیرو غلبه کردنیروی اصطکاک و نیروی گرانش . از کنار هم قرار دادن این دو نیرو رابطه زیر به دست می اید :در این رابطه نیروی مورد نیاز برای حرکت کردن ربات است . نیرویی است که در برابر جابجایی ربات مقاومت می کند و عامل به وجود آورنده وزن (هنکام حرکت بر روی سطوح شیب دار) است . مولفه ی (وزن) هنکام حرکت بر روی سطوح صاف صفر است . در این جا رابطه ای برای بیان می شود :mg نیروی گرانشی است که در آن m جرم و g شتاب گرانشی زمین (m/ 8/9) است و θ زاویه ی بین نیروی و محور افقی است . sin (0) (حرکت روی سطح صاف) برابر صفر است و با افزایش زاویه ، نیروی لازم برای جابجایی اشیاء افزایش می یابد .برای آزمودن این موضوع ، اتومبیل خود را یک بار بر روی یک سطح صاف و بار دیگر بر روی یک سربالایی هل دهید . اختلاف نیروی مورد نیاز به علت تغییرات است . نیروی اصطکاک همیشه همراه با ربات وجود دارد و نحوه قرار گرفتن ربات (مسطح یا سراشیبی بودن سطح) باعث از بین رفتن ان نمی شود .نیروی اصطکاک یا با cos θ ، مقدار اصطکاک بین چرخ های متحرک وسطحی ک جابجایی بر روی آن انجام می گیرد متناسب است و با رابطه زیر بیان می شود : در این جا μ ضریب اصطکاک است که با توجه به جنس سطح مقدار ثابتی است و mg نیروی گرانشی است . بزرگی μ نشان دهنده مقدار مقاومت اصطکاکی سطح (ضریب اصطکاک) است . هرقدر مقدار μ کوچک تر باشد ،حرکت بر روی سطح آسان تر خواهد بود . روش های ساده ای برای اندازه گیری μ وجود ندارد . برای انجام این کار باید چرخ ها هم از نظر پارامترهای ساکن و هم از نظر نیروهای اعمالی به آنها مورد آزمایش قرار گیرند.در مواردی که از چرخ ها با آج های کوچک ( که از لاستیک یا پلاستیک ساخته شده اند) استفاده می شود ، مقدار μ ، 4/0 – 3/0 خواهد بود . در مواردی که از سیستم تانکی استفاده می شود مقدار μ ، بین 6/0 – 5/0 و حتی مقادیر بالاتری خواهد بود .می توان مقدار μ را کمی بیش از مقدار پیش بینی شده در نظر گرفت . غلبه کردن بر نیرو هایی که از آن ها نام برده شده ، ایده بسیار خوبی برای حرکت دادن یک ربات می باشد . زیرا فقط در هنگام راه اندازی لاستیک ها یا سیستم شنی بر روی سطح وجود دارد و پس از راه اندازی ربات مقدار آن کاهش می یابد .با یک دیدگاه محافظه کارانه ، ضریب اصطکاک لاستیکی که بر روی سطح بتنی خشک حرکت می کند 1 – 9/0 می باشد . اگر به اندازه گیری ضریب اصطکاک چرخ های ربات علاقمند هستید ، می توان آن را به شکل زیر اندازه گرفت . ضریب اصطکاک به شکل زیر تعریف می شود . که در آن ضریب اصطکاک ساکن ، نیروی مقاومتی اصطکاک ، و نیروی طبیعی است که بر اثر عمل کردن دو شیئی بر روی هم ایجاد می شود ( قائم بر سطح زمین ) . مقدار با mg ( وزن ) برابر است و با ابزار های مرتبط قابل اندازه گیری می باشد .برای اندازه گیری ، نیرو سنج خود را به شیئی مورد نظر متصل کنید و آن را بر روی سطح مورد نظر بکشید . حداکثر مقدار اندازه گیری شده ، نیروی مورد نیاز برای حرکت کردن شیی مورد نظر بر روی سطح است . مقادیر به دست آمده را در رابطه قبلی قرار دهید و مقدار ضریب اصطکاک را اندازه گیری نمائید .با جای گذاری رابطه ها ، مقدار نیروی مورد نیاز برای حرکت کردن ربات برابر است با :برای محاسبه توان مورد نیاز برای حرکت کردن ربات ، از رابطه زیر استفاده می شود : P = یا به عبارتی ، توان از ضرب کردن سرعت و نیرو قابل محاسبه است .با اطلاعات ارائه شده مقدار توان مورد نیاز برای حرکت کردن ربات بر روی سر بالایی ها و سرازیری ها قابل محاسبه خواهد بود . البته سرعت چرخشی موتور نیز باید مشخص باشد .آخرین رابطه در مورد محاسبه سرعت زاویه ای می باشد. = ω توجه داشته باشید که هنگام استفاده از فرمول ها تمام یکاها باید از یک سیستم و با هم سازگار باشند . در یک پروژه هیچ اتفاقی از ترکیب کردن یکاها بد تر نیست.مثلا این که در یک جا از فوت و در جای دیگر از متر استفاده شود . اگر از دو موتور برای راه اندازی ربات استفاده شود ، توان مورد نیاز بر دو تقسیم خواهد شد . در این شرایط کل بار ، بین دو موتور تقسیم می شود و موتورها با بازده بیش تری کار خواهند کرد .در پایان به یاد داشته باشید برای حرکت کردن ربات باید مقدار از بزرگتر باشد ، یا به عبارتی مؤلفه گرانشی که بر روی سراشیبی عمل می کند باید بیش تر از نیروی اصطکاک لازم برای بالا رفتن از سراشیبی باشد .افزایش مقدار اصطکاک سطح ( که باعث افزایش مقدار μ می شود ) باعث افزایش توانایی ربات در بالا رفتن از سر بالایی ها می گردد . البته با افزایش مقدار μ ، ربات برای حرکت کردن به توان بیشتری نیاز خواهد داشت .بنابراین قبل از طراحی هر ربات اطلاعات کاملی در مورد زمین و یا پیستی که ربات در آن فعالیت می کند را جمع اوری کنید .تعیین توان مورد نیاز یک ربات راه روندهطراحی و ساخت ربات های راه رونده (گام بردار ) به اندیشه و تامل بیش تری نیاز دارد زیرا این ربات ها پیچیدگی های بیش تری در مقایسه با ربات های غلتان دارند و برای ساخت ان ها باید بر محدودیت ها و چالش های بیش تری غلبه کرد .حرکت مستقیم :تخمین مقدار توان ربات های راه رونده که از سرو موتورها استفاده می کنند به مراتب از ربات های غلتان ساده تر است .مقدار گشتاور یک سرو موتور را می توان به صورت مستقیم و با اندازه گیری مقدار توان لازم برای بالا بردن یک وزنه مشخص اندازه گرفت .با ایجاد کمی تغییر در فرمول های ربات های چرخ دار مقدار توان مورد نیاز ربات های گام بردار محاسبه می شود . کافیست که پاهای ربات را جانشین چرخ های آن نمایید (شکل 2-6 ) .پاهای ربات برای ایجاد حرکت مستقیم بالا و پایین برده می شود . در این شرایط نیروی اصطکاک برای کمک به حرکت مستقیم ربات به کار گرفته می شود . در اینجا نیروی بازدارنده نیست . به عبارت دیگر نیرویی است که ربات را قادر به حرکت کردن می سازد .، مکان هایی که اصطکاک به انجا اعمال می شود و سرو موتورها (هر سه عامل ) توان مورد نیاز ربات های راه رونده را فراهم می کنند . بنابراین با برابر است ( وقتی که بر روی یک سطح صاف ناچیز است ) .به یاد داشته باشید اگر در هر زمانی بزرگتر از باشد ، یا مؤلفه گرانشی که بر روی سراشیبی عمل می کند بیشتر از اصطکاک مورد نیاز برای بالا رفتن از سراشیبی باشد ، یک مشکل تازه به وجود می اید و آن خطر سر خوردن به عقب و یا واژگون شدن ربات است .هنگامی که توان مورد نیاز برای حرکت ربات بر روی زمین یا سطح شیب دار محاسبه شد ، انتخاب سرو موتورهایی که قابلیت بالا بردن ربات از سراشیبی ها را داشته باشند بسیار ساده خواهد بود .یاد آوری می شود که اگر - برای مثال – از دو سرو موتور برای حرکت دادن ربات استفاده شود ، لازم است که هر یک از موتور ها نیمی از توان مورد نیاز را فراهم کنند .اگر بیش از یک پا در هر طرف برای حرکت دادن ربات مورد استفاده قرار گیرد اندازه سرو موتورها کوچک تر ، اما مجموع توان ها برابر توان مورد نیاز خواهد بود .بالا بردن یک پا :مهمترین ویژگی ربات های راه رونده عدم نیاز به استفاده از چرخ ها است. در این ربات ها پاها برای ایجاد حرکت مستقیم و معکوس بالا و پایین برده می شوند .در این جا برای درک مطلب از یک قانون کلی استفاده می شود . بلند کردن یک تخته که تکیه گاه آن در وسط قرار دارد ، از بلند کردن یک تخته مشابه که تکیه گاه در انتهای آن قرار دارد ساده تر است . در شکل 3-6 نیرویی به انتهای یک تخته – که تکیه گاه آن در وسط قرار دارد – اعمال شده است .در این حالت ، نصف وزن تخته ( که با mg نشان د اده شده است ) به جابجایی تخته کمک می کند . اگر مطابق شکل 4-6 از یک تخته که تکیه گاه در انتهای آن قرار دارد استفاده شود ، کل وزن تخته به جابجایی تخته و غلبه بر نیروی گرانشی کمک می کند .هنگامی که مصمم هستید از یک سرو موتور برای بالا بردن پاهای ربات استفاده کنید ، این قانون مهم را مد نظر داشته باشید .سرعت گام برداشتن :آشکار است که نحوه محاسبه سرعت ربات های راه رونده با انچه درباره ربات های چرخ دار بیان شد متفاوت است . معمولا سرو موتورها اطلاعاتی را در مورد محاسبه سرعت موتور در اختیار شما قرار می دهند .با سرو موتورهای استاندارد ، حرکت یک ربات راه رونده اردک وار بوده و ربات به صورت متناوب به طرفین خم می شود . علت این پدیده آن است که سرو موتور پاها را بر روی یک مسیر منحنی شکل حرکت می دهد و حرکت روی یک مسیر مستقیم انجام نمی شود . طول این مسیر منحنی شکل به فاصله چرخش بازوی زبانه کنترلی از پاهایی که به زمین متصل هستند ، بستگی دارد .رابطه زیر برای محاسبه انحنا به کار می رود := 2