الدرس الاول:
إن كلمة روبوت تم تقديمها في مسرحية كارل التشيكي عام 1920 . و كان عنوان المسرحية وقتها رجال آليون عالميون . إن كلمة روبوت في اللغة التشيكية تعني العمل الشاق . و من هذا التاريخ بدأت هذه الكلمة تنتشر في الكتب و أفلام الخيال العلمي الأولى التي أعطت فكرة و تصور علمي عن هؤلاء الرجال الآليون الذين سيغزون العالم. و أعطت أفق كبير ووعود عظيمة للإنسان الأعجوبة الذي سيتدخل في أمور كثيرة و أهمها الصناعة . و قد تم وضع الكثير من الدراسات و التوقعات عن هذا الإنسان الآلي التي فشلت فيما بعد . و لكن بعد الكثير من وضع التصاميم الجيدة و الانتباه الجاد إلى الكثير من التفصيلات و الأمور الدقيقة , نجح المهندسون في تقديم أنظمة آلية متنوعة للكثير من الصناعات المتوقعة في المستقبل القريب . و اليوم و بسبب التطور الهائل للحواسب و الذكاء الصنعي و التقنيات و الهوس في تطوير البرامج الفضائية فنحن على حافة إنجاز كبير آخر في مجال علوم تصميم الروبوتات . إذاً الروبوت هو مناول قابل للبرمجة ثانية و يستطيع القيام بمهام عديدة و يخصص لتحريك مواد , أجزاء ,و أدوات أو ماكينات معينة عبر حركات مختلفة البرمجة لأداء عدد من المهام. إن هذا التعريف يشمل تشكيلة واسعة من المناولات الروبوتية . و ضمن هذا التعريف لدينا أصناف من الروبوتات تتضمن ما يلي :
1. الروبوتات المؤقتة "الصناعية المرنة" : تستخدم في عمليات التصنيع على نطاق واسع بما في ذلك تجميع الأجزاء , الاختبار , معالجة المواد , اللحام , و طلاء المواد .
2. روبوتات الاستكشاف عن بعد : يخصص هذا النوع للبقاء في الأماكن التي لا يستطيع البشر البقاء فيها و تحملها .
3. روبوتات التعويضات و العلاج الطبي : يمكن ترويض التقنية الروبوتية و أجهزة الإحساس فيها لإنتاج أعضاء تعويضية و تتمتع بحاسة اللمس .
4. روبوتات معالجة المواد الخطرة : و تستعمل لإزالة القنابل و معالجة المواد الخطرة .
5. روبوتات الخدمة : لأغراض الحراسة , ضبط الأبواب , تسليم البريد و الوقاية من الحرائق.
مزايا و مساوئ الروبوتات :
يبدو للوهلة الأولى أن الروبوتات تقدم المزايا التالية :
1. إنتاج أكثر .
2. استعمال التجهيزات بشكل فعال .
3. تكاليف عمل منخفضة .
4. نوعية و مكننة أفضل للأجزاء .
5. مرونة محسنة .
6. إنجاز أقصر للعمل .
7. مرونة و سهولة في البرمجة .
8. القدرة على العمل في الظروف الخطرة .
9. نوعية محسنة لأماكن العمل .
10. نوعية محسنة لأماكن الإنتاج .
11. عائدات استثمار جيدة.
12. امتلاك الحرية في الحركة في الأبعاد الثلاثة للفراغ .
13. مزود بملاقط و أدوات قطع .
إلا أنها لابد و أن تعاني من عدد من السلبيات على كل الأحوال, فإحدى أكثر الصعوبات هو أن الروبوت لا يزال غير قادر بعد على مسك جزء معين عشوائي من صندوق بدون استعمال نظام رؤية خاص . إن أول التطبيقات الناجحة للروبوت كانت في مجال صناعة السيارات الأمريكية , ففي شركة فورد الأمريكية و حصراً في عام 1940 تم ولادة كلمة جديدة سميت بالأتمتة , و بعد مضي الكثير من الوقت و الجهد أصبح الروبوت ينفذ الكثير من الأعمال في هذا المجال كاللحام النقطي و تحميل الآلات و الكثير من التطبيقات الأخرى. و في عام 1995 أدخل حوالي 25000 روبوت في خدمة صناعة السيارات في أمريكا وحدها , و بالنسبة لبقية العالم فلم يكن الرقم أصغر من هذا , فقد تم استعمال 1000000 روبوت للخدمة في المجالات الصناعية المختلفة. إن العامل الأكثر أهمية في تطوير تكنولوجيا الروبوتات و الذي ساعد على اقتحام الروبوت لمجال الصناعة بلا هوادة كان معتمداً على اكتشاف المعالجات المكروية ( المعالجات الصفرية ) والتي استطاعت متحكمات هذه المعالجات من إنتاج برامج قادرة على تنفيذ حركة متناسقة من أجل عدة درجات طلاقة . كما أن ظهور الروبوت الصناعي كان بأنواع متعددة مهيئة لأعمال يدوية و سنبحث في هذا القسم عن التراتيب الفيزيائية للروبوت . و تقريباً كافة أجهزة الروبوت الصناعي المتوفرة تجارياً في الوقت الحالي تملك أحد النماذج الأربعة التالية :
1- الربط المركزي . 2- الربط الدوراني . 3- ترتيب الذراع المقرون . 4- الربط الديكارتي .
الربط المركزي :
و يعرف أيضاً بالربط الكروي , حيث أن الحيز الذي يمكن أن تتحرك فيه ذراع الروبوت هو جزء كروي من الفراغ .
الاقتران الدوراني :
يكون جسم الروبوت عبارة عن محور رأسي يدور حول محور عمودي تتألف فيه الذراع من عدة صفائح متعامدة تسمح له بالحركة من الاتجاهات الأربع .
الذراع المقرون :
و يشبه هذا الذراع ذراع الإنسان و يتألف من عدة قضبان موصولة بنقاط ربط تشبه كتف الإنسان و الرسغ و تبنى ذراع الروبوت فوق قاعدة يمكن إدارتها لتعطي الروبوت إمكانية العمل ضمن حيز كروي في الفراغ .
الربط الديكارتي :
و يتألف الروبوت المبني وفق هذا التصميم من 3 قضبان موازية للمحاور X-Y-Z في مجموعة الإحداثيات الديكارتية . و يمكن أن يقوم الروبوت بتحريك الذراع من أي نقطة من حيز العمل ثلاثي الأبعاد .
حركات الروبوت الأساسية :
مهما كان الترتيب الذي يبنى على أساسه الروبوت , فإن الغاية من الروبوت هو إنجاز مهمة ما . و لإنجاز المهمة يربط مؤثر أو يد إلى نهاية ذراع الروبوت هذا , و المؤثر النهائي يوجه الروبوت لإنجاز مهمة معينة . و لإنجاز المهمة يجب أن تكون ذراع الروبوت مهيأة لتحريك المؤثر النهائي عبر تتابع حركي أو مكاني .
درجة الحرية :
هناك حركات أساسية أو درجات حرية تعطي الروبوت الإمكانية لتحريك المؤثر النهائي عبر تتابع الحركات المراد إنجازها بهذه القدرة على التحرك . و تتألف الحركات الأساسية من : 1- الحركة العمودية : أي حركة الذراع Up and Down الناتجة عن الدوران الداخلي حول المحور الأفقي أو الحركة على القضيب العمودي . 2- الحركة الشعاعية .
3- الحركة الدورانية : الدوران حول المحور العمودي .
4- التفاف الرسغ .
5- انحناء الرسغ .
تماثل مجموعة الحركة للروبوت تلك لأدوات التحكم العددي و هي Point to Point . أو ذات المسار المنحني والذي يسمى المسار المستمر. ففي PTP تحكم حركة الروبوت من نقطة ممدة في الفراغ إلى نقطة ثانية . تجدول في ذاكرة الروبوت الالكترونية و تعاد تشفيرها أثناء دورة العمل . لا تعطى أية أهمية للمسار الذي يسير وفقه الروبوت من نقطة إلى ثانية . إن روبوت PTP قادر على إنجاز عدة مهام من الخطوات الإنتاجية مثال اللحام النقطي . لروبوت المسار المنحني القدرة على تتابع مجموعة نقطية في الفراغ تشكل منحني مركب . الذاكرة و أجهزة التحكم هي الأهم في روبوت المسار المنحني منها في روبوت المسار المنحني منها في روبوت PTP . و لأن المسار الكلي الذي يسير وفقه الروبوت يجب تذكره أكثر من مجرد تذكر نقطتي البداية و النهاية . أثناء تسلسل الحركة و على أية حال في بعض الخطوات الصناعية يكون التحكم بالمسار مستمر أثناء دورة العمل هو شيء أساسي لوجود الروبوت في الخطوة الإنتاجية كاللحام المستمر . بالإضافة إلى الترتيب الفيزيائي للروبوت و قدراته الحركية الأساسية فإنه يوجد تكنولوجيا للروبوت تحدد كفاءته عند إنجاز المهام .
1- حيز العمل . 2- دقة العمل . 3- سرعة الحركة . 4- نوعية جملة القيادة .
حيز العمل :
يشير حيز العمل إلى المكان الذي يمكن أن يعمل فيه الروبوت . و هو جزء الفراغ الذي يعمل فيه نهاية الرسغ الروبوتية . يقدم مهندسو الروبوت تعريف حيز العمل باعتبار نهاية الرسغ . دون أن يكون هناك يد موصولة لهذا الرسغ . كما أن حيز العمل يحدد الترتيب الفيزيائي للروبوت . و حدود حيز العمل لروبوت الربط المركزي يمثل جزء من كرة و لروبوت الربط الدائري هو دائرة و لروبوت الذراع المقرون فهو غير محدود و يشبه جزء كروي . دقة الحركة : لابد من الدقة في حركة إضافية لنهاية الرسغ الروبوتية . إن دقة الحركة في علم الروبوت أمر هام جداً و هي تشمل : 1- الضبط المكاني . 2- الدقة . 3- القدرة على التكرار . الضبط المكاني : يشير هذا إلى أصغر حركة إضافية لنهاية رسغ الروبوت يمكن التحكم بها . و هذه يمكن تحديدها كلياً بمعرفة دقة التحكم بالروبوت و التي تعتمد على موقع مجموعة التحكم و للقياس . بالإضافة إلى ذلك فإن عدم الدقة الميكانيكي في وصلات الروبوت على قدرته لإنجاز التحكم بحركة الروبوت . و هكذا الضبط المكاني يعتمد على الضبط المتحكم به . بالإضافة إلى مدى التسامح الميكانيكي الذي يحدد دقة التحكم هو مجال حركة الروبوت . الدقة : و تعني دقة الروبوت قدرته على وضع نهاية الرسغ في نقطة محددة في حيز العمل . ترتبط الدقة ارتباط وثيق بالضبط المكاني لأن قدرة الروبوت على الوصول إلى نقطة معينة في الفراغ تعتمد على قدرته على تقسيم حركة أجزائه إلى زيادات صغيرة . و حسب هذه العلاقة فإن دقة الروبوت تكون في وسط المسافة بين نقطتي الضبط . القدرة على التكرار : و تشير إلى مقدرة الروبوت على إعادة وضع نهاية الرسغ في نقطة معينة في الفراغ سبق له أن مر بها .
سرعة الحركة :
إن السرعة التي يمكن للروبوت أن يحرك بها نهاية الرسغ لها حد أعظمي قدره 1.5 ms . فمعظم الروبوتات تحوي آلية التنظيم و التي مهمتها تحديد السرعة بالقيمة المرغوبة وفقاً للمهمة المنجزة فالسرعة تحدد في كل مهمة بناءً على عدة أمور مثل وزن الجسم المراد تحريكه . و المسافة التي يجب أن يوضع بها الجسم خلال دورة العمل . فالأجسام الثقيلة لا يمكن تحريكها بالسرعة التي يتم فيها تحريك الأجسام الصغيرة نظراً لعطالة الأولى . فيجب أن تحرك الأجسام ببطء أكثر عندما يراد الأمر دقة مكانية .
نوعية أجهزة القيادة : هناك عدة أنواع لأجهزة القيادة توجد في الروبوت : 1- هيدروليكي . 2- محرك كهربائي . 3- هوائي .
تصنيف و بنية الأنظمة الروبوتية
مقدمة : يمكن تصنيف الأنظمة الروبوتية بثلاث طرق : 1- تبعا لنوع النظام : نظام نقطة إلى نقطة ( Point to point ) و نظام الطريقة المستمر 2- تبعا لنظام الشكل الهندسي للروبوت : نظام ديكارتي – أسطواني – كروي أو تمفصلي . 3- تبعا لنوع دارات التحكم : الدارة المفتوحة – الدارة المغلقة . أن اختيار نوع النظام و دارات التحكم و الذراع الآلي يعتمد على خصوصية التطبيق
1- تبعاً لنوع النظام : نظامي النقطة إلى نقطة (PTP) و الطريق المستمر : إن أي شخص لا يملك الخبرة بالروبوت يمكن أن يعتقد أن روبوت لحام النقطة هو نفسه روبوت لحام القوس و لكن بتجهيزات مختلفة . و لكن في الواقع هما أنظمة روبوتية مختلفة إن التحكم بروبوت لحام النقطة يعتمد على عملية من نقطة إلى نقطة و لا ينصح به لإنجاز لحام الأقواس الذي يحتاج لنظام الطريق المستمر .
A . أنظمة الروبوت من ( نقطة إلى نقطة ) : إن النظام المثالي ( PTP ) يتواجد في روبوت لحام النقطة . في عملية اللحام بالنقطة يتحرك الروبوت إلى الوضع بحيث تقع النقطة المراد لحامها تماما بين الالكترودين لبندقية اللحام و من ثم تتم عملية اللحام و ثم يتحرك الروبوت إلى نقطة جديدة حيث ينجز فيها اللحام أيضا تتكرر هذه العملية حتى يتم لحام جميع النقاط المطلوبة و من ثم تعود البندقية إلى نقطة البداية و يكون النظام مستعدا للقسم الآخر و يمكن وصف عملية ( PTP ) بشكل أكثر شمولية كالتالي ( إن الروبوت يتحرك إلى موضع تم تحديده رقميا و من ثم تتوقف الحركة و من ثم المؤثر الطرفي (( End Effect )) يؤدي المهمة المطلوبة أثناء ثبات الروبوت و عند انتهاء مهمته ينتقل الروبوت على النقطة التالية و تعاد الكرة ) . في نظام ( PTP) يكون مسار الروبوت وسرعته أثناء الحركة من نقطة إلى أخرى غير مهم .
هناك نوعين أساسيين من أنظمة (PTP) الروبوتية : الأول : كل محور ينتقل من نقطة إلى أخرى بأقصى سرعة ممكنة و لهذا فإن السار من نقطة البداية إلى نقطة النهاية لا يتم التحكم به .
الثاني : يطبق في نظام ( PTP ) الأكثر تطورا حيث تنتهي الحركة في جميع المحاور في لحظة واحدة في هذا النظام .
B . أنظمة روبوت الطريق المستمر ( Continuous path ) : في روبوت الطريق المستمر ( CP ) تقوم الأداة بإنجاز مهمتها في الوقت التي تتحرك فيه محاور الحركة كمل يحدث في لحام الأقواس إن مهمة الروبوت في لحام الأقواس هي توجيه بندقية اللحام على طول المسار الموضوع سابقا في روبوتات ( CP ) . يمكن لجميع المحاور أن تتحرك بنفس الوقت كل واحد منها بسرعة مختلفة هذه السرعات يتم تنسيقها بواسطة الكمبيوتر و ذلك بتتبع المسار المطلوب .
2 - تبعا للأشكال الهندسية للروبوت : و تصنف ضمن خمسة أصنا ف : 1) الروبوتات الديكارتية أو المستطيلة : 2) الروبوتات الدائرية . 3) الروبوتات الكروية أو القطبية . 4) الروبوتات الدورانية أو المتمفصلة . 5) الروبوتات الشبيهة بالأفعى أو ذات الذراع الموترة .
1 – الروبوتات الديكارتية أو المستطيلة : و هي تتألف من ثلاث حركات متعامدة خطية على طول محاور اتصالها كما هو مبين بالأشكال و يتم إنجاز أفضل ثبات و دقة ضمن مساحة عمل الروبوت .
مزاياها : • ثبات عالي و دقة عظيمة . • تجنب جيد للعوائق و الوقاية من التآكل . • سهولة التحكم بحركة الوصل .
سلبياتها : • الهيكل التركيبي ضخم . • تضييق مساحة العمل . • انحسار الانسجام مع أنظمة روبوتية أخرى في مجال العمل العادي . • تصميمها الميكانيكي المعقد جدا في الحركات المطلقة الخطية . • حاجتها إلى مساحة أرضية واسعة .
2 - الروبوتات الاسطوانية : تتألف هذه الروبوتات عادة من حركتين عموديتين خطيتين و حركة دورانية .
المزايا : • استقلالية كاملة عن قوى الجاذبية . • حركة متحررة من الاحتكاك . • أن وجود محورين خطيين يجعل من التصميم الميكانيكي أقل تعقيدا من الروبوتات الديكارتية .
السلبيات : • عدد كبير من الهياكل . • قلة الانسجام مع مناولات أخرى في مجال عمل عادي . • دقة و ثبات أقل بالمقارنة مع الروبوتات المستطيلة .
3 - الروبوتات الكروية أو القطبية : تتألف هذه الروبوتات من حركتين دورانيتين رئيسيتين و حركة انزلاقية واحدة بشكل أساسي .
المزايا : • وزن خفيف و درجة تعقيد قليلة في الهيكل . • لا تحتاج العديد من الحركات . • الانسجام مع روبوتات و آلات في مجال العمل العادي . • ثبات جيد .
السلبيات : • عزوم التدوير المتغيرة الكبيرة تخلق مشكلة توازن . • القدرة المحدودة على تجنب الاحتكاك مع العوائق . • كون خطا التوضع كبيرا بسبب الحركة الدورانية و نسبيا بالنسبة لنصف القطر .
4 - الروبوتات الدورانية أو المتمفصلة : و فيها درجات إضافية من الحرية .
المزايا : • مرونة الوصول إلى فوق أو تحت الجسم . • الانسجام مع الروبوتات الأخرى التي تعمل بنفي مساحة العمل العادية .
السلبيات : • قلة الثبات و الدقة . • مشكلة في التوازن نتيجة لعزوم التدوير الضخمة و المتغيرة . • القدرة المحدودة على تجنب العوائق . • عدم الاستقرار التوليدي ( الاهتزازات ) .
5 - الروبوتات الشبيهة بالأفعى : تستطيع هذه الأذرع الروبوتية أن تأخذ أي شكل في فراغ ثلاثي الأبعاد مبدئيا و هكذا فإنها تتألف من عناصر كثيرة .
3 - تبعاً لنوع دارات التحكم بالأنظمة الروبوتية : أن أنظمة التحكم يمكن أن تعمل إما في دارة مفتوحة أو في دارة مغلقة . في الدارة المفتوحة فإن النتيجة لا تؤثر على المعطيات ( الخرج لا يؤثر على الدخل ) . و كمثال على نظام الدارة المفتوحة : افترض أن هناك فرق كمون ثابت يطبق على محرك كهربائي و يدور المحرك باستمرار إن الخرج هو سرعة دوران المحرك و فرق الكمون المطبق هو الدخل . إن تحميل المحرك سوف يسبب تناقص في سرعة المحرك إن هذا الوضع لا يمكن إصلاحه طالما أن جهد الدخل لا يتأثر بتغيرات السرعة و سيكون لدينا نظام أفضل فيما إذا تم تحسس الخرج و إرجاعه من أجل مقارنته مع تغيرات الدخل . في مثالنا : سرعة المحرك يمكن أن يتم تحسسها و تحويلها إلى جهد و ذلك بمساعدة مقياس سرعة دوران و من ثم يتم مقارنة هذا الجهد مع تغيرات الدخل . و انطلاقا من هذه المقارنة يتم إجراء التصحيحات الضرورية بشكل أوتوماتيكي و ذلك لإرجاع سرعة الخرج إلى القيمة المرغوبة . إن الأنظمة التي فيها يؤثر الخرج إلى الدخل للعنصر الذي يتم التحكم فيه تدعى أنظمة الدارة المغلقة . كل محور للحركة لذراع الروبوت يتم تشغيله بشكل منفصل من خلال دارة تحكم التي تحتوي على عنصر قيادة في أنظمة الدارة المغلقة يتم تحسس الحركة الناشئة بواسطة جهاز تغذية مرتدة . أن القيادة المحورية يمكن أن تكون عن طريق محرك dc أو محرك متسارع أو نظام هيدروليكي أو اسطوانة هوائية و يتم تحديد النوع بشكل أساسي استنادا إلى الدقة و الاستطاعة المطلوبتين من الروبوت .
الحساسات الروبوتية
حتى يكون الروبوت قادر على العمل فإن الروبوت الصناعي يتطلب أولاً معلومات و معطيات عن الوسط المحيط مثل وضعية الأجسام المطلوب مناولتها و محيط هذه الأجسام و من جهة أخرى معطيات حول العمليات الداخلية و الحالات الداخلية مثلاً : وضعية الربط , السرعة الزاوية , العزوم .....الخ. لذلك فإن المعطيات المطلوبة عن العملية يفترض أن تكون بأشكال مختلفة و تستخدم المعطيات ثنائية التكافؤ في تحديد القيم الحدية أو في تحسس حالات التشغيل المنطقية في تحديد الحالات الداخلية للروبوت الصناعي و لذلك يجب أن تكون هذه المعطيات المنطقية محولة . و الحساس هو بشكل عام جهاز يستخدم لتحويل شكل معلومة تصله إلى خرج قابل للاستخدام بشكل إشارة مناسبة لمعالجات لاحقة و بثها إلى مسافات بعيدة . و الدخل عادةً يكون عبارة عن كمية فيزيائية لا كهر بائية قابل للتحكم مثل (إزاحة – حرارة – ضغط – سرعة ....) .
تصنيف الحساسات
تصنف الحساسات إلى :
1- حساسات القوة :
* حساسات قوة التلامس .
* حساسات القوة لفحص القوى و العزوم المؤثرة على الذراع ووصلات التأثير.
* حساسات القوة لفحص القوى و العزوم المؤثرة على الأجسام المطلوب مناولتها .
2- حساسات مجال التلامس :
* مفتاح تحديد نهاية الشوط الكهربائي .
* مفتاح تحديد نهاية الشوط الهوائي .
• حساسات قوة الإمساك . 3- حساسات لا تلامسية :
* حساسات التقارب الكهرضوئي :
o الحاجز الضوئي مرسل \ مستقبل .
o حساسات الحاجز الضوئي .
o حاجز الضوء المنعكس .
* الحساسات التحريضية .
* الحساسات السعوية .
* حساسات تقاربية عاملة بالهواء المضغوط :
*
o الحاجز الهوائي .
o فوهة الارتداد .
o فوهة الضغط الخلفي .
4- حساسات الوضعية :
* حساسات قياس السرعة و الزاوية .
* حساسات قياس تغيرات الطول .
5- حساسات بصرية :
* الخلايا الكهروضوئية .
* حقول الديودات الضوئية .
* خطوط الدايود الضوئي و الكاميرا الخطية .
* الكاميرا التلفزيونية .
الحساسات التلامسية :
1- مفتاح تحديد نهاية شوط التلامس : طريقة العمل : عند ضغط الكباسة فإن العنصر الوصل سيصل بين الملمسين و تنغلق الدارة الكهربائية . و توجد تشكيلة واسعة لمختلف أنواع التأثير فيها . مثلاً مفاتيح يمكن تشغيلها يدوياُ أو بإشارة يمكن أن تنبعث من جزء في آلة .
2- مفتاح تحديد نهاية الشوط الهوائي :
طريقة العمل : يضغط النابض على كرية مقابل كرسي الصمام و بالتالي يمنع مرور تيار الهواء المضغوط عبر الممر(1) P لتقوية الخط (2)A . و عند تحريض كباسة الصمام فإن الكرية تنطلق مبتعدة عن كرسي الصمام محدثة وصلة بين (1) P و (2 ) A و تنطلق إشارة هوائية من المدخل (2)A .
الحساسات التقاربية أو البادئات :
تنتمي المبدآت إلى مجموعة الحساسات اللاتلامسية . و تستخدم في توضيع اللاقط مباشرة في المنطقة التي يوجد فيها الجسم المطلوب مناولته(1-25 سم ) . و هي تساعد عمليات البحث , فحص المشغولات و مراقبة و إظهار المشغولات . إن التقنيات الأكثر أهمية و التي يعتمد عليها هي المبادئ المستعرضة في بحث الحساسات .
* الأشعة تحت الحمراء
* الأمواج فوق الصوتية .
* الليزرات .
و بهذه الأساليب يتحسس الأجسام بواسطة قياس الإشارات المرسلة . من الفرق بين زمن إرسال الإشارة و زمن استقبال الصدى , يمكن أن يحدد المسافة التي يبعد فيها الجسم يمكن أن تتحسسها من عدة جوانب .
1. الحساسات التقاربية العاملة بالهواء المضغوط :
إن الحساسات التقاربية الهوائية تعتمد في عملها على مبدأ إطلاق الهواء المضغوط عبر نفاثة هواء على الجسم المراد تحسسه , مما يؤدي إلى توليد الإشارة .
1. حساس التقارب الكهرضوئي :
إن العناصر الكهرضوئية هي أنصاف نوا قل تبدي رد فعل بشكل تحسس للإشارات أو أنها تصدر الضوء . و الضوء إما أن يكون من المجال المرئي أو من المجال الغير مرئي من الأشعة تحت الحمراء. هذه الخواص للعناصر الكهرضوئية قادت إلى تطوير أشكال عديدة جداً من الحساسات. يوجد في حساس التقارب الضوئي عنصر مرسل و عنصر مستقبل . إن مبدأ الحاجز الضوئي العامل على الأشعة تحت الحمراء هو كما يلي: عند مرور التيار الكهربائي من خلال العنصر المرسل فإنه يبعث الأشعة تحت الحمراء . و العناصر من هذا النوع معروفة بالديودات المرسلة للضوء . (LED) هو العنصر المستقبل , فهو مفتاح إلكتروني (ترانزستور) و الذي يتأثر بالأشعة تحت الحمراء . إنه يغلق عند تعرضه للأشعة تحت الحمراء و يفتح الدارة عند عدم تعرضه لها . و الترانزستور الذي يتميع بهذه المواصفات يدعى بالترانزستور الضوئي .
يوجد تصاميم عديدة للحاجز الضوئي , و تختلف حسب الفراغ المكاني للعنصر المرسل و المستقبل :
1) الحاجز الضوئي مرسل \ مستقبل :
في هذا التصميم يكون المرسل و المستقبل في علب منفصلة .
2) حساس الحاجز الضوئي : و في هذا النوع من الحساسات يكون المرسل و المستقبل مركبين بصورة إفرادية على القاعدة . فإذا لم يوجد جسم بينهما فإن الضوء يسقط من المرسل على المستقبل . 3) حاجز الضوء المنعكس :
في هذا التصميم يكون المرسل و المستقبل في علبة واحدة معاً و على نفس الطرف يتعرض المستقبل إلى الضوء المنبعث من المرسل و ذلك عندما ينعكس هذا الضوء عن سطح جسم ما
1. الحساسات التحريضية :
مبدأ عملها يعتمد على مبدأ الاضطراب في قيمة فيزيائية , وهذا الاضطراب هو عبارة عن حقل كهرومغناطيسي متناوب على سطح فعال في الحساس . و هذا الحقل المتناوب يحقق باستخدام مولد اهتزازات . عند دخول الأجسام المعدنية الناقلة إلى الحقل الفعال للحساس , فإن القدرة تتحرك من الحقل الذي يصبح واضحاً من انخفاض ذروة الاهتزاز . فعندما تصبح ذروة الاهتزاز منخفضة بمقدار محدد , فإن مرحلة إغلاق الدارة تبدأ , و هذا يؤدي إلى توليد إشارة . إن الميزة الرئيسية لهذا الحساس عن الأجزاء الميكانيكية للحساسات هي في أن الإشارة تتولد أما من 0 إلى 1 أو بالعكس بسرعة كبيرة (خلال عدة ميكروثانية). و تؤمن الحساسات التحريضية عدد مرات تشغيل كبير. و عدد مرات تشغيل التغيير يزيد عن 20 مليون مرة \ ثانية . و تتميز الحساسات التحريضية عن الميكانيكية في أنها لا تهترئ وهذا يزيد من عمرها.كما أنها لا تتأثر بالمؤثرات الخارجية كالأوساخ و الاهتزازات. و تنتج الحساسات التحريضية لتعمل على تيار مستمر حوالي 10-30 V أو على تيار متناوب حوالي 250- 20 V . و في الشكل التالي يتوضح لنا كيف أن هذا الحساس يتألف من عدة طبقات و هي بالترتيب طبقة المادة الممغنطة ومن ثم طبقة من المطاط و يعلوها جسم ناقل للتيار الكهربائي , فعند تطبيق قوة على هذا الجسم سيؤدي إلى إنضغاط المادة المطاطية و بالتالي اقتراب هذا الجسم من المادة الممغنطة و بالتالي السيالة التحريضية ستتغير مما يولد إشارة بالرمز 1 , أما في حال كون الجسم من مجال تأثير الحقل المغناطيسي (أو أن السيالة المغناطيسية لم تتغير ) فالحساس يعطي إشارة بالرمز 0 .
4- الحساسات السعوية :
هي حساسات تتعلق بقياس السعة فهي في مبدأ عملها مشابهة جداً للحساس التحريضي.و هي تبدي رد فعل مختلف تمامً عند اختلاف المواد .لهذا فإن التشغيل الخاطئ قد يحدث بسهولة عند حدوث تغير في الظروف المحيطة بالحساس , مثلاً وجود رطوبة أو تلوث . و لضمان تشغيل خال من المشاكل فإن التعليمات للمنتجين يجب أن تدرس بحرص و خاصة أن القيمة التي تؤثر على المجال الكهربائي هي ثابت العازلية للمواد الداخلة إلى المجال . و كلما صغر ثابت العازلية , فإن المادة الأكثر كثافة يجب أن تخل إلى السطح الفعال للحساس لكي يمكن أن يتحسس بها الحساس. المواد ذات العازلية الكبيرة هي مثل الماء و الاسمنت . أما المواد ذات ثابت العازلية القليل نسبياً مثل المطاط و الورق .ففي الشكل التالي نلاحظ أن السعة تتغير بتغير الحمل المطبق . فالسعة للمكثف ذو الصفائح المتوازية تتناسب مع مقدار مساحة صفيحة العازل المطابقة للبوس المكثف و تتناسب عكساً مع تناقص المساحة المطابقة.
و هذه بعض الأمثلة التطبيقية على الحساسات التحريضية و السعوية :
حساسات القوة : و تقسم إلى ثلاث مجموعات : 1- حساسات قوة الإمساك . 2- حساسات القوة لفحص القوى و العزوم المؤثرة على الذراع ووصلات التأثير . 3- حساسات القوة لفحص القوى و العزوم المؤثرة على الأجسام المطلوب مناولتها و أجهزة تناولها .
حساسات التوضع و السرعة و التسارع : للتحكم في فترات الروبوتات الصناعية على طول المحاور المختلفة , تلزم الحساسات التي تقيس زاوية الوصلة و سرعتها و تسارعها . هذه القيم المقاسة تحدد باستخدام المقاومات المتغيرة , مقاييس الدوران و محولات الإزاحة المتزايدة و التي تربط مع المؤازرات على وصلات الروبوت الصناعي . و طالما ن المقاومات المتغيرة و مقاييس عدد الدورات تعطي هذه الإشارات يجب أن تحول إلى الشكل العددي بواسطة محولاتA/D قبل أن تعالج بواسطة قسم المعالجة. و إذا لم يكن هناك قياس مباشر للسرعة أو الإزاحة فإن المعطيات يمكن أن نحصل عليها بأسلوب آخر و هو فرق الزمن بين إشارات قياس الإزاحات . و على أية حال هذه المعطيات تلزم لحسابات الإزاحة الثلاثية الأبعاد الدقيقة . أ- حساسات قياس تغيرات الطول : عند قياس الإزاحة يتم الربط بين عملتي قياس الإحداثيات المطلقة و النسبية . - عملية قياس الإزاحة النسبية : إن المسافة بين مكانين يمكن قياسها بواسطة خريطة و زوج من البوصلات عن طريق قياس مسافة محددة بواسطة البوصلتين وفقاً لمقاييس الخريطة (مثلاً 1 كم) و تحديد كيف عادة مطابقة هذا الجزء على الواقع من المكان A إلى المكان B . - محول الإزاحة للمسافات الطويلة : في الشكل التالي يتوضح لدينا مبدأ عمل مولد الإزاحات المطلقة-الرقمي . أن التدريج الخطي (المشفر-الكرمز) مشابه لمسطرة شفافة و معتمة .في المثال هنا كل عمود شاقولي مصنوع من أربع حساسات ذات الحاجز الضوئي . - فإذا رمزنا إلى الحقل المضيء بإشارة منطقية من المستوى 1 و الحقل المظلم ب0 , فإن الرمز في مثالنا يعطي إشارة خرج 0111 .
يوضح الشكل التالي مولد إزاحة نسبية رقمي . فإذا ربطنا هذه الشقوق للمرمز على طرف الجزء المنزلق للآلة , ليست كل وضعيات الآلة يمكن أن تعطى و بدقة من خلال قيمة واحدة مرمزة . إن نبضات الضوء الناتجة عندما يتحرك المرمز يمكن عدها . و بالنتيجة يمكن إيجاد التغير في الإزاحة من نقطة بداية محددة .
الحساسات البصرية:
و هي إحدى المجالات الهامة في أبحاث الروبوت . و أجهزة الرؤية الكومبيوترية تعتبر تقنية هامة في المصانع الأوتوماتيكية الحديثة . و تعتبر كاميرات الفيديو أهم أجهزة الرؤيا للروبوت مع وجود كمبيوتر مبرمج لتحليل معلومات الصورة . تثبت الكاميرا فوق الروبوت و عليه مجال الرؤيا لها و الذي هو فراغ عمل الروبوت . تمكنه هذه الكاميرات من تحديد هوية المشغولات و أجزاء التجميع .