تحقیق مقاله علم رباتیک

مقدمه ای بر علم رباتیک

چندین دهه از زندگی ابتدایی‌ترین ربات‌ها می‌گذرد. هر ساله فیلم‌های بسیاری از همزیستی انسان و ربات اکران می‌شود که در برخی از آنها ربات‌ها موجودات پر استفاده و خوبی هستند و در بعضی از آنها باعث نابودی بشریت با کره زمین می‌شوند از تخیلات که بگذریم، هم‌اکنون ربات‌ها سهم بسزایی در  پیشبرد اهداف صنعتی بشر دارند و باعث افزایش سرعت تولید، بالا بردن بازدهی و دقت در عملکرد می‌شوند. ولی یکی از نکات جالب توجه دیگر ربات‌ها ذهن بسیاری از دانشمندان دنیا را تسخیر کرده است.

تصور کنید که در یک وضعیت بسیار خطرناک در یک جای بسیار کثیف و مسموم ماموریتی باید انجام شود؛ طبیعتا کمتر انسانی رغبت به انجام چنین مأموریت‌هایی دارد زیرا جانش در خطر است و اینجاست که ربات‌ها بار دیگر پا به عرصه حضور می‌گذارند.

دانشمندان در چندین پروژه عظیم روی ساخت ماشین‌های بی‌سرنشین متمرکز شده‌اند که توانایی انجام ماموریت‌های هوایی، زمینی و دریایی را داشته باشند. ماموریت‌هایی که انسان‌ها به سختی انجام می‌دهند و اگر هم انجام دهند بسیار پر خطر است و کوچکترین اشتباهی باعث از دست دادن جانشان می‌شود. نمونه چنین ربات‌هایی هم اکنون در افغانستان و عراق در حال انجام ماموریت هستند.

هواپیما‌های بی‌سرنشین (UAV) همواره در حال جاسوسی و عکسبرداری از وضعیت محیط هستند و ربات‌های مین‌یاب نیز در حال خنثی کردن مین‌ها و بمب‌های کار گذاشته شده در مناطق مختلف.

ارزیابی عملی ربات‌ها در میدان جنگ، نیروهای نظامی آمریکایی را بر این داشته است که پروژه‌های ساخت ربات‌های نظامی را با تلاش بیشتری پیش برند و هم‌اکنون بودجه‌های هنگفتی را از دولت برای این کار می‌گیرند.

در همین راستا چندی پیش در شهر واشنگتن دی‌سی نمایشگاه بزرگی با نام وسائل بی‌سرنشین و سیستم‌های بین‌المللی مربوط به وسائل بی‌سرنشین (AUVSI) برگزار شد.

این نمایشگاه در 5 بخش ربات‌ها زمینی، ارزان‌ترین‌ها، ربات‌های هوایی یا همان هواپیماهای بی‌سرنشین، کاربرد‌های غیرنظامی و تهدیدات ربات‌ها برای انسان‌ها برگزار شد که هر بخش جذابیت مخصوص به خود را داشت.

ربات‌های زمینی:

 ربات‌های زمینی، اولین نوع ربات‌های ساخت بشر بودند و تاکنون پیشرفت قابل توجهی داشته‌اند. به نظر می‌رسد با چنین نرخ رشدی در عرصه ساخت ربات‌های زمینی، در سال 2050 اگر کسی بخواهد به سفر یا گردشی برود برایش خیلی امن‌تر، ارزان‌تر و راحت‌تر است که از یک ماشین اتوماتیک یا یک ربات استفاده کند و دیگر خودش فقط از سفر لذت ببرد.

یکی از ربات‌های بسیار عجیب و کامل بخش ربات‌های زمینی را شرکت جنرال داینامیکز به نمایش گذاشته بود. این ربات به راحتی و با استفاده از چندین کانال هدایتی مسیر خود را تشخیص می‌دهد و در زمان حرکت خود می‌تواند ماموریت‌های فراوانی را انجام دهد.

شرکت جنرال دایتامیکز با انعقاد قراردادی با ارتش آمریکا، باید تعداد زیادی از این نوع ربات را برای ارتش آمریکا بسازد.

ربات مذکور برای مناطق بسیار حساس طراحی شده است که در آنها انواع گوناگون بمب و مواد منفجره وجود دارد. دوربین‌های دقیق و سنسورهای مادون قرمز، توانایی جستجو و تشخیص مکان و نوع مواد منفجره را به آن می‌دهد. با یک تانک سوخت، 16 ساعت بدون وقفه حرکت می‌کند و دیگر احتیاجی به کنترل از راه دور ندارد زیرا مسیر خود را(حتی در شلوغ ترین و صعب العبور‌ترین مکان‌ها) به صورت هوشمند تشخیص می‌دهد.

جی راسنبلام ، رئیس بخش تحقیقات راباتیک شرکت جنرال داینامیکز می‌گوید: برای فروش این ربات هیچ مشکلی نداریم و در حال حاضر مشتریان دولتی و غیردولتی بسیاری از این مدل در خواست کرده‌اند و ما هم اکنون تنها در فکر تولید ارزان‌تر آن هستیم.

ارزان‌ترین‌ها:

 در بخش ارزان‌ترین‌ها شرکت سیستم‌ های رباتیک جی‌پی‌او(JPO) رباتی را عرضه کرده بود که حضور فعالی در عراق و افغانستان داشته است. این ربات برای موقعیت‌های درگیری استفاده می‌شود و به صورت هوشمند عمل می‌کند و دیگر احتیاجی به یک اپراتور برای هدایت و کنترل آن نیست.

بی‌سرنشین‌های هوایی:

تکنولوژی ساخت هواپیما‌های بی‌سرنشین رشد عجیبی داشته است. کمال طراحی یک هواپیمای بی‌سرنشین را می‌توان در شاهین جهان (global hawk) که یک هواپیمای جاسوسی است دید.این بار شرکت لاکهید مارتین یک هواپیمای بی‌سرنشین بسیار کوچک را ارائه کرده است تا ظرافت در طراحی یک پرنده جاسوسی را به رخ رقبای تجاری خود بکشد.

نام این هواپیما استاکر (stalker) است که به چشم طلایی نیز معروف است استاکر می‌تواند بهترین دید را در شب داشته باشد و به صورت عمودی فرود و برخاست می‌کند. با وجود جثه کوچکش می‌تواند 8 ساعت پرواز کند و3 ساعت به صورت ساکن (hover) در آسمان بماند و هیچ راداری توانایی تشخیص آن را ندارد و همه این‌ها مشتی از خروار است، جنگ‌های آینده، عرصه نبرد ربات‌ها خواهند بود.

دو روی سکه علم رباتیک:

ربات یک ماشین الکترو مکانیکی هوشمند است که می توان آن را مکررا برنامه ریزی کرد، چندکاره است و وسیله ایی کارآمد و مناسب برای محیط محسوب می شود. علم رباتیک در اصل در صنعت بکار می رود و ما تأثیر آن را در محصولاتی که هر روز استفاده می کنیم می بینیم، می بینیم که این تاثیرات معمولا در محصولات ارزان رخ می دهد.

ربات ها معمولا در مواقعی بکار می رئند که بتوانند کاری را بهتر از انسان انجام دهند یا در محیط پر خطر فعالیت کنند مثل اکتشافات در محیط های خطرناک مانند آتش فشان ها که می توان بدون به خطر انداختن انسان ها انجام داد. ضمنا آن ها ماشین های قدرتمندی هستند که به ما اجازه می دهند کارهای معینی را کنترل کنیم.

البته یک ربات مانند هر ماشین دیگری می تواند به هر علتی خراب شود. خوشبختانه خرابی ربات ها بسیار نادر است زیرا سیستم رباتیک با مشخصه های امنیتی زیادی طراحی می شود که می تواند آسیب آنها را محدود کند. در این میان و در این حوزه نیز مشکلاتی در رابطه با انسان های شرور و استفاده از ربات ها برای مقاصد شیطانی داریم؛ چرا که مطمئناً ربات ها می توانند در جنگ استفاده شوند البته به اعتقاد برخی کارشناسان این وسیله می تواند هم خوب و هم بد باشد؛ چراکه اگر انسان ها اعمال خشونت آمیز را با فرستادن ماشین ها به جنگ یکدیگر نمایش دهند، ممکن است بهتر از فرستادن انسان ها به جنگ با یکدیگر باشد. ضمن آنکه ربات ها می توانند برای دفاع از یک کشور در مقابل حملات استفاده شوند تا تلفات انسانی را کاهش دهند.

اما آنچه در این میان باید مورد توجه تعریف آیزاک آسیموف نویسنده داستان های علمی-تخیلی،درباره قوانین سه گانه رباتیک است: یک ربات نباید به هستی انسان آسیب برساند یا به واسطه بی تحرکی، زندگی انسان را به خطر بیاندازد، یک رباط باید از دستوراتی که توسط انسان به او داده می شود اطاعت کند، جز در مواردی که با قانون یکم در تضاد هستند و در نهایت یک ربات باید تا جایی که با قوانین یکم و سوم در تضاد نباشد از خود محافظت کند.

مقدمه ای بر AVR

زبانهای سطح بالا یا همانHLLبه سرعت درحال تبدیل شدن به زبان برنامه نویسی استاندارد برای میکروکنترلرها حتی برای میکروهای 8بیتی کوچک هستند . زبان برنامه نویسی BASIC و C بیشترین استفاده را در برنامه نویسی میکروها دارند ولی در اکثر کاربردها کدهای بیشتری را نسبت به زبان برنامه نویسی اسمبلی تولید می کنند .

ATMEL ایجا تحولی در معماری جهت کاهش کد به مقدار مینمم را درک کرد که نتیجه این تحول میکروکنترلرهای AVR هستند که علاوه بر کاهش و بهینه سازی مقدار کدها به طور واقع عملیات را تنها در یک کلاک سیکل توسط معماری   RISC انجام می دهد و از 32 رجیستر همه منظوره استفاده می کنند که  باعث شده 4 تا 12 بار سریعتر از میکروهای مورد استفاده کنونی باشد.

تکنولوژی حافظه کم مصرف غیر فرار شرکت ATMEL برای برنامه ریزی AVR ها مورد استفاده قرار گرفته است در نتیجه حافظه های FLASH و EEPROM در داخل مدار قابل برنامه ریزی هستند .

AVR ها به عنوان میکروهای RISCبا دستورات فراوان طراحی شده اند که باعث می شود حجم کد تولید شده کم و سرعت بالا تری به دست آید.

به طور خلاصه:

بر اساس سازماندهی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌  RISCعمل می کنند.

عملیات را با سرعت ودر یک کلاک سیکل انجام می دهند. 

 استفاده از زبانهای سطح بالا برای برنامه نویسی.، مانند : c , BASIC  

  AVR هامیکرو کنترلرهای 8 بیتی هستند .

  کاهش حجم کد تولیدی ودر نتیحجه سرعت بالاتر.

انواع میکرو کنترلرهایAVR

TINYAVR

AT90S or AVR

MEGAAVR

انواع TINYAVR

ATTINY10,ATTINY 11,ATTINY 12

ATTINY15L

ATTINY26, ATTINY26L

ATTINY28, ATTINY28L

انواعAT90S   

AT90S2313

AT90S2343, AT90S2323

AT90S8515

 AT90S1200

AT90S8535

انواع ATMEGAVR

ATMEGA323

ATMEGA32

ATMEGA128

ATMEGA163

ATMEGA8

ATMEGA8515

ATMEGA8535

خصوصیات ATMEGA8

از معماری  AVRRISC استفاده می کند.

کارایی بالا و توان مصرفی کم.

دارای130 دستورالعمل با کارایی بالا که اکثرا تنها در یک کلاک سیکل انجام میشود.

8*32 رجیستر کاربردی.

سرعتی تا 16MIPSAدر فرکانس 16MHZ

حافظه‌ ، برنامه و داده غیر فرار

8Kبایت حافظه FLASH   قابل برنامه ریزی داخلی.

پایداری حافظه   :FLASHقابلیت 1000 بار نوشتن و پاک کردن

512بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی.

پایداری حافظه EEPROM  : قابلیت 100000 بار نوشتن و پاک کردن

1024بایت حافظه داخلی SRAM

قفل برنامه FLASH و حفاظت داده .EEPROM

خصوصیات جانبی

دوتایمر- کانتر 8 بیتی

یک تایمر- کانتر 16 بیتی

3 کانال PWM

8 کانال مبدل آنالوگ به دیجیتال 8 بیتی

1 مقایسه کننده انالوگ داخلی

WATCHDOG قابل برنامه ریزی

ارتباط سریال SPI برای برنامه ریزی داخل مدار.

قابلیت ارتباط سریال SPI به صورت MASTER  یا SLAVE

قابلیت ارتباط با پروتکل ارتباط دوسیمه(TWO-WIRE)

خصوصیات  ویژه میکرو کنترلر

منابع وقفه داخلی و خارجی

عملکرد کاملا ثابت

توان مصرفی پایین و سرعت بالا توسط تکنولوژی CMOS

دارای اسیلاتور RC  داخلی

دارای 5 حالت SLEEP :

(POWERDOWN,IDLE,POWERSAVE, STANDBY,ADC NOISE REDUCTION)

ولتاژ عملیاتی

4.5V تا 5.5V

فرکانس کاری

0MHZ تا 16MHZ

خطوط I/O

23 خط ورودی/ خروجی قابل برنامه ریزی

موتور پله ای

موتور پله ای (Stepper Motor) یکی از انواع موتورهای الکتریکی است که حرکت آن کاملا دقیق و از پیش تعریف شده می باشد و با ارسال بیتهای 0,1به سیم پیچهای آن می توان آنرا حرکت داد.

نحوه حرکت تمامی موتورها

ساختار موتور پله ای

این موتورعموما دارای چهار قطب میباشد که سیم پیچها بر روی این چهار قطب قرار می گیرند و شما با ارسال بیتهای 0و1به این سیم پیچها در واقع میدان مغناطیسی ایجاد می کنید که این میدان باعث حرکت روتورمغناطیسی

موجود در داخل موتور پله ای می شود البته میبایست این سیم پیچها را به توالی 0 و 1 کرد و گرنه موتو ر مطابق میل شما نخواهد چرخید یکی از مشخصه های این موتور زاویه حرکت آن می باشد و هر موتوری زاویه حرکتی مخصوص به خودش را دارد مثلا اگر موتوری زاویه حرکتش 7درجه باشد این موتور در هر بار ی که سیم پیچهایش حاوی ولتاژ می شوند 7 درجه در سمت حرکت عقربه های ساعت یا خلاف جهت آن بسته به اینکه سیم پیچها با چه ترتیبی ولتاژ دار می شوند خو اهد چرخید این 7 درجه چرخش برای این موتور پله ای نمونه یک پله یا یک step محسوب می شود با این تعریف متوجه شدید که یک موتور پله ای در یک دور کامل ممکن است.،100تا 200 پله کمتر یا بیشتر بسته به نوع موتور خواهد داشت.شما حتی می توانید یک موتور پله ای را به صورت نیم پله یعنی با نصف زاویه حرکت راه اندازی کنید این موتورها به صورت میکرو پله نیز حرکت می کنند در واقع منظور حرکت خیلی ریز ودقیق است. وقتیکه شما یک موتور پله ای را از نزدیک می بینید متوجه تعدادی سیم رنگی می شوید که از موتور پله ای بیرون آمده در واقع این سیم ها هر کدام به سر یک سیم پیج متصل هستند و یک سیم بین تمام سیم ها مشترک است.

ABSTRACT

Robots and embedded control systems are traditionally

programmed to perform automated tasks, yet

accomplishing complicated and dynamically changing

tasks will typically require the use of specialized

computational resources and software systems. In order

to design these sophisticated control systems the use of

computational modeling and simulation techniques is

necessary to ensure that final implementations of the

system perform optimally. Since even the simplest robotic

control systems are intrinsically a mixture of

heterogeneous sub-systems, each focusing on a particular

task, we need a means of modeling the different aspects

of the system accurately and intuitively. Using the

Ptolemy II software environment, one can visually design

and model elaborate control systems by incorporating

heterogeneous models of computation that govern the

interaction of multiple components within the system. In

this paper we design a robot arm controller component

for Ptolemy II that enables various other Ptolemy

components to interface and control the robot arm in

novel ways, hereby expanding the scope of innovative

uses and future applications. We then illustrate an

implementation of a Ptolemy model that uses an X-10

remote control, communicating via an X-10 network, to

control the movements of a Lynx-5 Robot Arm.

CONTROL SYSTEMS AND ROBOTICS

Embedded control systems are now most

implemented in software, mainly due to the fact that

performing complicated, real-time tasks requires speed,

accuracy, dedicated computational power, and the added

benefit of being easily tweaked by systems designers to

find more efficient future implementations and alternate

design configurations. Robotic control systems operate in

a similar manner, for example, software control of a robot

manipulator will usually require modeling continuous

time, differential equations to define the governing

dynamics of the system as well as deriving the

kinematics, or laws of motion, and workspace that

determine the movements of the robot manipulator. The

calculated dynamics and kinematics will then need to be

interfaced with the actual robot, thus allowing

communication with the robot’s physical control

mechanisms and actuators, all this without taking into

consideration the use of sensors on the robot. Depending

on the mathematical complexity of the robots defining

model, physical geometry, dynamics, and kinematics, any

one particular robotic configuration will greedily make

use of its computational resources in order to assure

precise robot response and control