ارتباط الکترونیک و رباتیک با یکدیگر

رشته رباتیک بر فراز سه ستون اصلی مهندسی کامپیوتر گرایش نرم افزار، مهندسی برق گرایش الکترونیک و کنترل و مهندسی مکانیک گرایش طراحی جامدات استوار شده است. پس در نتیجه تمامی اشخاص فعال در صنف رباتیک با داشتن حداقل یکی از این سه رشته و اشراف کلی به دو رشته دیگر، مشغول به کار شده‌اند.

 پیش از این در مقاله تفاوت های بین رباتیک و هوش مصنوعی، به چگونگی همکاری ربات ها و هوش مصنوعی پی بردیم. و همچنین در مقاله مکانیک و رباتیک در کنار یکدیگر نیز به بررسی نقش مکانیک در صنعت رباتیک پرداختیم. حال می‌خواهیم با بررسی رشته برق و چگونگی تاثیر آن در رباتیک آشنا شویم.

زمانی که در مبحث برق و رباتیک وارد می‌شویم به کلماتی همچون الکترونیک و الکتریسیته برخواهیم خورد. اما باید بدانیم که با وجود شباهت زیاد، این دو اصطلاح محتوای معنایی کاملا متفاوت با یکدیگر دارند. به خصوص در زمینه رباتیک که هرکدام کاربرد منحصر به فردی از خود نشان می‌دهد.

منبع انرژی در ربات

بدن انسان برای حرکت کردن به منبعی برای تامین انرژی نیاز دارد و برای همه ما نیز بدیهی است که اصلی‌ترین ماخذ برای کسب انرژی، خوردن غذا است. بدن شما از یک فرایند پیچیده برای هضم غذا و سپس تبدیل آن به انرژی استفاده می‌کند. در ساختار ربات‌ها نیز ارگان‌های گوناگونی به کار رفته و دست به دست هم می‌دهند تا ربات به کار بیفتد. برای مثال باتری‌ها، انرژی خورشیدی و جریان برق DC هرکدام به نحوی متفاوت انرژی مورد نیاز را تامین می‌کنند.

علاوه بر مواردی که نام بردیم تعبیه موتورهای احتراق داخلی در ربات نیز یکی دیگر از راه‌های تامین سوخت می‌باشد. موتورهای احتراق داخلی را می‌توان در ربات‌های جنگجو یافت. اما در حالت عادی استفاده از آن‌ها کار رایجی نیست. چرا که ریسک خطر در این روش نسبت به استفاده از باتری و… بیشتر است.

نحوه عملکرد موتورهای احتراق داخلی به این صورت است که مخلوط سوخت و هوا در داخل محفظه احتراق واکنش نشان داده و محترق می‌شود. بر اثر این احتراق گازهای داغ با فشار بالا به وجود آمده و بر اثر انبساط این گازها پیستون موتور به حرکت درمی‌آید.

گرایش های رشته برق

جریان برق به ربات جان می‌بخشد. اهمیت الکترونیک در رباتیک با همین جمله کوتاه توصیف میشود. جریان الکترونیکی برای ربات همانند جریان خون در بدن انسان است. پس با سررشته داشتن در امور مرتبط با رشته مذکور، می‌توانید مسیری برای راه یافتن به دنیای رباتیک خلق کنید. باید این نکته را نیز مد نظر داشته باشیم که جریانی که در اکثر ربات‌ها (غیرصنعتی) وجود دارد حداکثر ۳۰ ولت است.

مانند بدن انسان که برای سرپا ماندن به جریان خون در رگ‌هایش احتیاج دارد، ربات نیز به برق نیازمند است. در بدنه ربات، سیم‌ها نقش رگ‌های بدن انسان را دارند که الکترون‌ها در آن مسیر هدایت می‌شوند. درواقع این حرکت الکترون‌هاست که سبب به وجود آمدن جریان الکتریسیته یا همان برق می‌شود.

برای ادامه تحصیل در رشته برق نیاز به انتخاب یکی از چهار گرایش اصلی دارید. برق مخابرات، برق قدرت، برق کنترل و برق الکترونیک گزینه‌هایی هستند که در صورت ورود به این رشته پیش رویتان خواهند گذاشت.

اما با مطالعه گرایش دل بخواهتان نمی‌توانید به صنعت رباتیک راه پیدا کنید. در واقع تنها دوتا از این چهار گرایش به صنف رباتیک مربوط می‌شود؛ برق کنترل و برق الکترونیک. به منظور شفاف‌سازی بیشتر نگاهی به دو گرایش مربوطه بیاندازیم.

گرایش های برق دخیل در صنعت رباتیک: مهندسی کنترل

اولین موردی که برای تحلیل در نظر گرفتیم گرایش کنترل در رشته برق است. حرکات بدنه یک ربات نیازمند جریان الکترونیکی است که این جریان مبدا و مقصدی دارد و در طول مسیر تمامی جوانب حرکت آن نیز بررسی می‌شود. به بیانی ساده، یک مهندس کنترل موظف به طراحی و پیاده‌سازی ساختاری است که یک سیستم برقی را بتواند به خوبی کنترل کند و با توجه به نیاز سیستم الکتریکی و الکترونیکی پایدار بماند.

در واقع الگوریتم‌های کنترل، مباحثی با پایه و اساس منطقی‌اند که برای کنترل میزان خطا بین یک مقدار اندازه‌گیری شده و یک مقدار تنظیم شده برنامه ریزی می‌شوند. به طور کلی تئوری کنترل به رفتار سیستم‌های دینامیکی می‌پردازد.

مهندسی الکترونیک در رباتیک

خلق یک ربات بدون حضور مهندس الکترونیک به هیچ عنوان میسر نیست! در واقع وظیفه طراحی و پیاده‌سازی مغز ربات به دوش مهندسین الکترونیک است. مغز یا همان واحد کنترلی و پردازنده آن از مدارهای پیچیده الکترونیکی طراحی شده که تخصص بسیار بالایی برای پیاده‌سازی آن نیاز است. مدارهای الکترونیکی به منظور کنترل اجزای مکانیکی ربات، برنامه ریزی می‌شوند. در ادامه باید به این موضوع توجه کنیم که در بهترین حالت، مدت زمان کارکرد ربات باید نسبت به مصرف انرژی آن کمتر باشد و استفاده از الکترونیک در انجام این امر کاری الزامیست.

از دیگر بهره‌برداری‌های صنعت رباتیک از الکترونیک ذخیره داده‌ها در حافظه است. علاوه بر اینکه می‌توان به این مدارها وظایف خاصی را محول کرد، می‌توان اطلاعات خاصی را نیز توسط آن‌ها نگهداری کرد. با استفاده از این فناوری اعضای گروه می‌توانند در صورت لزوم، داده‌های جمع‌آوری شده را از یک تراشه واحد دریافت کنند که در این روش پای برنامه نویسان کامپیوتر در میان است. همچنین استفاده از منطق الکتریکی نیز از دیگر راه‌های دریافت داده می‌باشد که اصولا ترفند رایجی نیست. مسلم است که در انجام پروژه، انتخاب آسان‌ترین راه‌حل، سرعت عمل کار را بالاتر خواهد برد؛ از این رو مدارهای الکترونیکی قابل برنامه نویسی طرفداران بیشتری دارند.

تعریف الکترونیک به صورت مستقل

کلمه الکترونیک معادل فارسی ندارد و از واژه لاتین “electronic” اقتباس شده است. ریشه کلمه الکترونیک از الکترون گرفته شده. الکترون‌ها نیز ذرات بسیار ریزی هستند که تنها با چشم مجهز دیده می‌شوند، بار منفی دارند و عامل اصلی به وجود آمدن جریان الکتریسیته هستند. به طور کلی الکترونیک شامل فعالیت‌هایی حول محور بررسی عبور جریان الکتریکی از مواد با خاصیت‌های متفاوت و اشکال مختلف است. مدارهای الکترونیکی از جمله مباحثی است که در این گرایش از رشته برق، بسیار با آن سروکار خواهید داشت. مهندسان الکترونیک این مدارات را روی بردهای الکترونیکی طراحی کرده و آن ها را به کار می‌گیرند.

بردهای الکترونیکی نیز مجموعه‌ای از مدارها هستند که همه بر روی یک صفحه سوار شده‌اند. بردهای الکترونیکی شامل صفحه‌های فیزیکی از جنس فایبر، تفلون، راجرز، فلکسی بل و … که با مسیرهای مسی تعبیه شده‌اند، است. بردها با خطوط مسی تعبیه شده خود، آسان‌ترین سیم‌کشی بین قطعات الکترونیکی را محیا می‌کنند که در صورت طراحی این صفحه به همراه قطعات الکترونیک آن را PCB می‌نامند. طراحی این بردها پیش از این یک فرایند کاملا دستی بود؛ اما امروزه قبل از طراحی PCB، طرح شماتیکی آن در نرم افزارهایی مانند Altium designer ، TinyCad، ZenitPcb و … طراحی شده سپس در فضای دیگری در همان نرم افزارها، شماتیک را به pcb تبدیل می‌کنند. سپس فایل طراحی شده را به دستگاه‌هایی جهت چاپ سپرده و برد الکترونیکی مورد نظر خود را تحویل می‌گیرند.

سخن آخر…

بنابراین در پایان این مقاله به چگونگی ارتباط برق و رباتیک پی بردیم و با گرایش‌های کنترل و الکترونیک نیز آشنا شدیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در ارتباط با دنیای رباتیک با ما همراه باشید.