وفي تكنولوجيا الروبوتات الحديثة، وخاصة في مجال الروبوتات الصناعية، تشمل التقنيات الخمس الرئيسيةالمحركات المؤازرة والمخفضات ومفاصل الحركة وأجهزة التحكم والمحركات. تقوم هذه التقنيات الأساسية ببناء النظام الديناميكي ونظام التحكم للروبوت بشكل مشترك، مما يضمن أن الروبوت يمكنه تحقيق تحكم دقيق وسريع ومرن في الحركة وتنفيذ المهام. فيما يلي تحليل متعمق لهذه التقنيات الخمس الرئيسية:
1. محرك سيرفو
تعد المحركات المؤازرة "قلب" أنظمة الطاقة للروبوت، فهي المسؤولة عن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية وقيادة حركة المفاصل المختلفة للروبوت. تكمن الميزة الأساسية للمحركات المؤازرة في الدقة العالية لقدرات التحكم في الموضع والسرعة وعزم الدوران.
مبدأ العمل: تستخدم المحركات المؤازرة عادةً محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم (PMSM) أو محركات مؤازرة ذات تيار متردد (AC Servo) للتحكم بدقة في موضع وسرعة دوار المحرك عن طريق تغيير مرحلة تيار الإدخال. يوفر جهاز التشفير المدمج إشارات ردود فعل في الوقت الفعلي، مما يشكل نظام تحكم مغلق الحلقة لتحقيق استجابة ديناميكية عالية وتحكم دقيق.
الخصائص: تتميز المحركات المؤازرة بخصائص نطاق السرعة الواسع، والكفاءة العالية، والقصور الذاتي المنخفض، وما إلى ذلك. يمكنها إكمال إجراءات التسارع والتباطؤ وتحديد المواقع في وقت قصير جدًا، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الروبوت التي تتطلب توقف بدء متكرر وتحديد موضع دقيق .
التحكم الذكي: تدمج المحركات المؤازرة الحديثة أيضًا خوارزميات متقدمة مثل التحكم PID، والتحكم التكيفي، وما إلى ذلك، والتي يمكنها ضبط المعلمات تلقائيًا وفقًا لتغيرات الحمل للحفاظ على أداء مستقر.
2. المخفض
الوظيفة: يتم توصيل المخفض بين المحرك المؤازر ومفصل الروبوت، وتتمثل وظيفته الرئيسية في تقليل خرج الدوران عالي السرعة للمحرك، وزيادة عزم الدوران، وتلبية متطلبات عزم الدوران العالي والسرعة المنخفضة لمفصل الروبوت. .
النوع: المخفضات شائعة الاستخدام تشمل المخفضات التوافقية ومخفضات RV. فيما بينها،مخفضات RVمناسبة بشكل خاص للهياكل المشتركة متعددة المحاور في الروبوتات الصناعية نظرًا لصلابتها العالية ودقتها العالية ونسبة النقل الكبيرة.
النقاط الفنية: تؤثر دقة تصنيع المخفض بشكل مباشر على دقة تحديد المواقع المتكررة والاستقرار التشغيلي للروبوت. إن خلوص شبكة التروس الداخلية للمخفضات المتطورة صغير للغاية، ويجب أن تتمتع بمقاومة تآكل جيدة وعمر خدمة طويل.
4. المراقب المالي
الوظيفة الأساسية: وحدة التحكم هي عقل الروبوت، الذي يتلقى التعليمات ويتحكم في حالة الحركة لكل مفصل بناءً على برامج محددة مسبقًا أو نتائج حسابية في الوقت الفعلي.
البنية التقنية: استنادًا إلى الأنظمة المدمجة، تقوم وحدة التحكم بدمج دوائر الأجهزة ومعالجات الإشارات الرقمية ووحدات التحكم الدقيقة والواجهات المختلفة لتحقيق وظائف معقدة مثل تخطيط الحركة وتوليد المسار ودمج بيانات الاستشعار.
خوارزميات التحكم المتقدمة:وحدات تحكم الروبوت الحديثةتتبنى عادةً نظريات التحكم المتقدمة مثل التحكم التنبؤي النموذجي (MPC)، والتحكم في الهيكل المتغير في الوضع المنزلق (SMC)، والتحكم المنطقي الغامض (FLC)، والتحكم التكيفي لمواجهة تحديات التحكم في متطلبات المهام المعقدة والبيئات غير المؤكدة.
5. المنفذ
التعريف والوظيفة: المشغل هو جهاز يحول الإشارات الكهربائية المنبعثة من وحدة التحكم إلى إجراءات مادية فعلية. يشير عادةً إلى وحدة قيادة كاملة تتكون من محركات مؤازرة ومخفضات ومكونات ميكانيكية ذات صلة.
التحكم في القوة والتحكم في الموضع: لا يحتاج المشغل إلى تحقيق تحكم دقيق في الموضع فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى تنفيذ التحكم في عزم الدوران أو ردود الفعل اللمسية لبعض روبوتات التجميع الدقيقة أو إعادة التأهيل الطبي، أي وضع التحكم في القوة، لضمان حساسية القوة والسلامة أثناء عملية التشغيل.
التكرار والتعاون: في الروبوتات متعددة المفاصل، تحتاج المحركات المختلفة إلى تنسيق عملها، ويتم استخدام استراتيجيات التحكم المتقدمة للتعامل مع تأثيرات الاقتران بين المفاصل، وتحقيق حركة مرنة وتحسين مسار الروبوت في الفضاء.
6. تكنولوجيا الاستشعار
على الرغم من عدم ذكرها صراحةً في التقنيات الخمس الرئيسية، إلا أن تكنولوجيا الاستشعار تعد عنصرًا مهمًا للروبوتات لتحقيق الإدراك واتخاذ القرارات الذكية. بالنسبة للروبوتات الحديثة عالية الدقة والذكية، يعد دمج أجهزة الاستشعار المتعددة (مثل أجهزة استشعار الموضع، وأجهزة استشعار عزم الدوران، وأجهزة استشعار الرؤية، وما إلى ذلك) للحصول على المعلومات البيئية ومعلومات الحالة الذاتية أمرًا بالغ الأهمية.
أجهزة استشعار الموقع والسرعة: يتم تثبيت جهاز التشفير على محرك سيرفو لتوفير ردود فعل الموقع والسرعة في الوقت الحقيقي، وتشكيل نظام تحكم مغلق الحلقة؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأجهزة استشعار زاوية المفصل قياس زاوية الدوران الفعلية لكل مفصل متحرك بدقة.
أجهزة استشعار القوة وعزم الدوران: مدمجة في المستجيب النهائي للمحركات أو الروبوتات، وتستخدم لاستشعار قوة الاتصال وعزم الدوران، مما يمكّن الروبوتات من التمتع بقدرات التشغيل السلس وخصائص التفاعل الآمن.
أجهزة استشعار الإدراك البصري والبيئي: بما في ذلك الكاميرات، وLiDAR، وكاميرات العمق، وما إلى ذلك، المستخدمة لإعادة بناء المشهد ثلاثي الأبعاد، والتعرف على الأهداف وتتبعها، والملاحة لتجنب العوائق وغيرها من الوظائف، مما يمكّن الروبوتات من التكيف مع البيئات الديناميكية واتخاذ القرارات المناسبة.
7. تكنولوجيا الاتصالات والشبكات
تعتبر تكنولوجيا الاتصالات الفعالة وهندسة الشبكات ذات أهمية متساوية في أنظمة الروبوتات المتعددة وسيناريوهات التحكم عن بعد
الاتصال الداخلي: يتطلب تبادل البيانات عالي السرعة بين وحدات التحكم وبين وحدات التحكم وأجهزة الاستشعار تقنية ناقل مستقرة، مثل CANopen وEtherCAT وبروتوكولات Ethernet الصناعية الأخرى في الوقت الفعلي.
الاتصال الخارجي: من خلال تقنيات الاتصال اللاسلكية مثل Wi Fi و5G والبلوتوث وغيرها، يمكن للروبوتات التفاعل مع الأجهزة الأخرى والخوادم السحابية لتحقيق المراقبة عن بعد، وتحديثات البرامج، وتحليل البيانات الضخمة، وغيرها من الوظائف.
8. الطاقة وإدارة الطاقة
نظام الطاقة: حدد مصدر طاقة مناسبًا لخصائص عبء عمل الروبوت، وقم بتصميم نظام معقول لإدارة الطاقة لضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل وتلبية متطلبات الطاقة العالية المفاجئة.
تقنية استعادة الطاقة وتوفير الطاقة: بدأت بعض أنظمة الروبوتات المتقدمة في اعتماد تقنية استعادة الطاقة، والتي تعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى تخزين الطاقة الكهربائية أثناء التباطؤ لتحسين كفاءة الطاقة بشكل عام.
9. مستوى البرمجيات والخوارزمية
خوارزميات تخطيط الحركة والتحكم: بدءًا من إنشاء المسار وتحسين المسار وحتى اكتشاف الاصطدام واستراتيجيات تجنب العوائق، تدعم الخوارزميات المتقدمة الحركة الفعالة والدقيقة للروبوتات.
الذكاء الاصطناعي والتعلم الذاتي: من خلال استخدام تقنيات مثل التعلم الآلي والتعلم العميق، يمكن للروبوتات التدريب والتكرار بشكل مستمر لتحسين قدراتها على إكمال المهام، مما يتيح منطقًا أكثر تعقيدًا في اتخاذ القرار والسلوك المستقل.
10.تكنولوجيا التفاعل بين الإنسان والحاسوب
في العديد من سيناريوهات التطبيق، خاصة في مجالات روبوتات الخدمة والروبوتات التعاونية، تعد تكنولوجيا التفاعل الإنساني بين الإنسان والحاسوب أمرًا بالغ الأهمية:
التعرف على الكلام وتركيبه: من خلال دمج تقنية معالجة اللغة الطبيعية (NLP)، تستطيع الروبوتات فهم الأوامر الصوتية البشرية وتقديم ردود فعل في كلام واضح وطبيعي.
التفاعل عن طريق اللمس: تصميم الروبوتات بآليات ردود الفعل اللمسية التي يمكنها محاكاة أحاسيس اللمس الواقعية، مما يعزز تجربة المستخدم والسلامة أثناء التشغيل أو التفاعل.
التعرف على الإيماءات: استخدام تقنية رؤية الكمبيوتر لالتقاط وتحليل الإيماءات البشرية، مما يمكّن الروبوتات من الاستجابة لأوامر الإيماءات غير المتصلة وتحقيق التحكم التشغيلي البديهي.
تعبيرات الوجه وحساب المشاعر: تمتلك الروبوتات الاجتماعية أنظمة تعبيرات الوجه وقدرات التعرف على المشاعر التي يمكنها التعبير عن المشاعر، وبالتالي التكيف بشكل أفضل مع احتياجات الأشخاص العاطفية وتحسين فعالية الاتصال.
وقت النشر: 05 سبتمبر 2024
