چگونه ربات مسیریاب بسازیم

ربات مسیریاب همان چیزی است که احتمالا همه نوجوان های اهل دنیای ربات ها دوست دارند یکی از آنها برای خودشان بسازند. می دانیم که بعضی از شما بارها و بارها به این مورد فکر کرده اید و به نتیجه ای نرسیده اید و شاید هم به دنبال راه حل آن نرفته اید. برای ساختن یک ربات باید آشنایی مقدماتی با ۳ رشته مکانیک، برنامه نویسی و الکترونیک داشته باشیم که هر کدام از آن ها به نوبه خود بسیار پر اهمیت است.

به اختصار اگر بخواهیم بگوییم مکانیک در ساخت بدنه ربات بسیار کار آمد است. برنامه نویسی همان طور که از نامش نیز مشخص است برای قسمت برنامه های ربات مهم است و بخش الکترونیک برای برق رسانی و ساخت مدار ربات بسیار اهمیت دارد. در این مطلب و مطالب درباره هر سه علم با هم صحبت می کنیم و پس از آن ساخت ربات را به صورت ساده و مقدماتی آموزش می دهیم.

همان گونه که می دانید در تمام دنیا ربات سازی توسط یک تیم انجام می شود نه یک فرد. پس به طور حتم قرار نیست یک نفر تمام این رشته ها را به تنهایی بلد باشد. کافی است هر یک از اعضای گروه فقط یک رشته را به طور کامل بلد باشند تا تیم بتواند یک ربات ایجاد کند و در نهایت یک ربات مسیریاب بسازید.

بخش یک: مکانیک

این جا سعی بر آن است که روی یک ربات ساده که مسیریاب است کار شود. در مکانیک یک ربات مسیریاب چند بخش وجود دارد. مکانیک این ربات جزو ساده ترین مکانیک ها محسوب می شود. این مکانیک شامل بخش های زیر است:

۱. شاسی (یا بدنه) که تمام اجزا روی آن قرار خواهند گرفت.

۲. موتورها

۳. چرخ ها

۴. برد سنسور

در این مطلب فقط شاسی یا بدنه را برای شما توضیح می دهیم و در مطالب بعدی بقیه موارد را خواهید آموخت.

اجزا ربات ها از جمله ربات مسیریاب

شاسی یا بدنه: این بخش در ساده ترین حالت می تواند یک طلق پلاستیکی یا چوب (تخته سه‌لایی) باشد که نسبتا سبک بوده و استحکام خوبی دارد. برد الکترونیکی شما روی آن پیچ می شود، موتورها و چرخ ها به آن وصل می شود و برد سنسور در جای خود قرار می گیرد. این قسمت بدنه اصلی بوده که تمام قسمت ها به آن وصل می شود و کار را برای ما انجام می دهد.

برد سنسور: این برد جلوی ربات نصب می شود و باید فاصله استاندارد از سطح زمین را داشته باشد تا بهترین بازده از لحاظ وضعیت خط زیر ربات مسیریاب را به ما ارائه دهد. این قسمت در حرکت از راه دور مورد استفاده قرار می گیرد که اگر ربات شما دارای کنترل از راه دور است سنسورهای آن که در برد سنسور قرار دارند کار را برای شما به راحتی انجام دهند و ربات را به حرکت در آورند.

نکاتی مهم در ساختن ربات مسیر یاب موفق

برای ساختن یک ربات موفق مسیر یاب چند نکته حائز اهمیت است که حتما باید در روند ساخت مورد توجه قرار بگیرند.
۱. قطر چرخ ها
۲. عرض چرخ ها
۳. اصطکاک چرخ با زمین

حال که با این سه نکته مهم آشنا شدید باید هر کدام را جداگانه نیز بشناسید.

۱. قطر چرخ ها: بهتر است اندازه چرخ ها طوری تعیین شود که با موتورها هماهنگی کاملی داشته باشد. چون هرچه قطر چرخ ها بیش تر باشد با یک دور چرخش، موتور ربات به مقدار بیش تری حرکت می کند و هر چه چرخ ها کوچک تر باشد حرکت ربات مسیر یاب کمتر است. پس اندازه چرخ ها با سرعت ربات نسبت مستقیم دارد.

۲. عرض چرخ ها بهتر است بین ۱ تا ۲ سانتی متر باشد چون هر چقدر عرض چرخ ها بیش تر باشد هم وزن چرخ بیشتر می شود و هم سطح اصطکاک بیش تری با زمین پیدا می کند.

۳. برای این که لاستیک ها سر نخورند بهتر است چرخی را انتخاب کنید که اصطکاک بسیار بالایی با زمین داشته باشد.

نکته: ساده ترین روش برای بالا بردن اصطکاک چرخ با زمین استفاده از چسب برق از جهت چسبنده روی چرخ است که چرخ کاملاً روی زمین بچسبد و اصطکاک زیادی داشته باشد.

چرخ هرزگرد: این نوع چرخ چرخی است که فقط وظیفه حفظ تعادل ربات را بر عهده دارد و باید کم ترین اصطکاک را با زمین داشته باشد تا در زمانی که ربات مسیر یاب به سمت راست یا چپ گردش داشت گشتاور کاملی داشته باشد. یکی از نمونه های چرخ هرزگرد ساچمه یا بلبرینگ است.

الکترونیک مدار ربات

الکترونیک مدار ربات مسیر یاب یکی از بخش های مهم در ساخت هر ربات است. در واقع، علاوه بر قطعات فیزیکی، یک سری قطعات یا تجهیزات دیگر نیز وجود دارد که باید گفت یکی از مهم ترین آن ها الکترونیک است. این مدارهای الکترونیکی خود به تنهایی برای حرکت ربات مناسب هستند.

نکات مهم در الکترونیک مدار ربات مسیر یاب

سعی کنید از فیبرهای سوراخ دار برای برد اصلی استفاده نکنید به این دلیل که سیم های زیادی استفاده می شود و چنانچه یک سیم قطع شود ربات شما به درستی کار نمی کند.

به این نکته توجه داشته باشید که مدار الکترونیکی شما حتما در مقابل نویز مقاوم باشد چون مدار درایور موتور و DC موتورها نویز شدیدی در مدار ایجاد می کنند.

چنانچه در طراحی و ساختار مدار و IC تجربه ندارید بهتر است از بردهای آماده یا بردهای آموزشی استفاده کنید و یا این که از کسی که قبلا این کار را انجام داده است کمک بگیرید.

الکترونیک مدار ربات مسیر یاب از بخش های زیر تشکیل شده است که هر کدام را جداگانه نیز توضیح می دهیم.

۱. مدار تغذیه ۲. مدار درایور موتور ۳. بخش خروجی ها ۴. میکروکنترلر ۵. مقایسه‌گرهای آنالوگ ۶. مدار برد سنسور

ابتدا شما را با مدار تغذیه آشنا می کنیم. این بخش از مدار وظیفه تبدیل ولتاژ ورودی مدار به برق ۵ ولت را برعهده دارد. برق مدار شما باید ۵ ولت باشد. به این دلیل که میکروکنترلر شما و اکثر المان های برد با برق ۵ ولت کار می کنند.

برای این تبدیل ولتاژ بهتر است از رگولاتور ۷۸۰۵ استفاده و برای گرفتن نویز مدار یک خازن با ظرفیت بالا (با این بخش موازی کنیم LED 2000) و یک خازن با ظرفیت بسیار پایین با مدار موازی کنیم، بهتر است یک uf به کار ببریم تا وضیعت روشن یا خاموش بودن مدار کاملا مشخص باشد. در این مدار فقط خازن با ظرفیت پایین با مدار موازی شده که بهتر است یک خازن با ظرفیت بالا بعد از رگولاتور با مدار موازی شود.

مدار درایور موتور ربات مسیریاب

مدار درایور موتور ربات مسیریاب موضوعی است که در این مطلب به آن می پردازیم. برای آشنایی با مدارها باید بدانید مدار درایور موتور یک ربات مسیریاب چگونه بسته می شود و چگونه کار می کند. یکی از مهم ترین بخش های یک ربات مسیریاب بخش درایور موتور است. وظیفه این بخش تأمین ولتاژ و جریان مورد نیاز موتور است و میکروکنترلر آن را کنترل می کند. به عبارتی، این قطعه مسئول برق رسانی و تثبیت و کنترل برق در ربات است. میکروکنترلر مستقیما نمی تواند برق موتورها را تأمین کند. برای راه اندازی موتورها از 2 روش استفاده می شود.

رله ها قطعات الکترومکانیکی هستند که با وصل کردن برق رله اتصال دو سیم رله متصل می شود و برق به موتورهای روبات وصل می شود. به این وسیله برق در کل قسمت های ربات جریان پیدا می کند.

اما استفاده از رله معایبی دارد.

۱. سرعت قطع و وصل شدن رله کم است و نمی توان از آن به صورت PWM استفاده کرد.

۲. موتورها را نمی توانیم به صورت 2 جهت کنترل کنیم یعنی هم چپ به راست و هم راست به چپ.

تنها نکته مثبت رله، مدار ساده و قدرت بالا در جریان دادن و ولتاژ آن است. این کار به کاربر کمک می کند بتواند مدار را خود تشکیل داده و آن را کنترل کند.

ترانزیستورها یا IC های مدار درایور موتور ربات

با ترانزیستورها یا IC های درایور موتور می توان موتورها را کنترل کرد. بهترین گزینه برای کنترل این موتورها آی سی L293 و آی سی l298 است که می تواند موتورها را به صورت دوطرفه کنترل کند.

چرا باید از موتورها به صورت دوطرفه استفاده کنیم؟

چنانچه بخواهیم ربات ما مستقیما به جلو حرکت کند کافی است 2 موتور را روشن کنیم. چنانچه بخواهیم ربات به سمت راست بچرخد می توانیم موتور سمت راست را خاموش کنیم و موتور سمت چپ روشن باشد تا ربات به سمت راست گردش داشته باشد. چنانچه بخواهیم ربات به سمت چپ بچرخد می توانیم موتور چپ را خاموش کنیم و موتور سمت راست روشن باشد تا ربات به سمت چپ گردش داشته باشد.

چرا موتورها باید به صورت دوجهته کنترل شوند؟

دلیل آن کاملا واضح است. چنانچه بخواهیم ربات مسیریاب را با سرعت بالایی کنترل کنیم باید در پیچ های 90 درجه یا بیش تر از معکوس استفاده کنیم. یعنی مثلا می خواهیم ربات به سمت راست بچرخد به جای خاموش کردن موتور سمت راست آن را به صورت معکوس روشن می کنیم یعنی موتور سمت راست به سمت عقب می چرخد و موتور سمت چپ به سمت جلو. پس ما گردش با سرعت بالاتر و حول محور مرکز ربات را خواهیم داشت و همین مسئله در گردش به سمت چپ صدق می کند.

دانستن این نکته نیز خالی از لطف نیست که شاید در آینده از این مدارها در ربات هایی با انرژی خورشیدی نیز استفاده شود.

تاریخچه مسابقات رباتیک درجهان (ربوکاپ)

ربات های مسیریاب از جالب ترین ترین ربات هایی هستند که دوست داریم خودمان آنها را بسازیم. در مطلب قبل به مقدمه ای از دنیای روبات ها پرداختیم و گفتیم اگر کسی بخواهد یک ربات بسازد باید با مراحل و دانشی که برای ساخت آن نیاز دارد آشنا شود.

موتور

اولین قسمت از بخش های مهم ربات های مسیریاب موتور آن است. شاید بیراه نباشد اگر بگوییم موتور بعد از بدنه بخش اصلی برای راه اندازی یک ربات محسوب می شود. موتورهای ربات یکی از مهم ترین اجزای ربات محسوب می شوند. از سه نوع موتور می توان برای ربات استفاده کرد. موتورهایی که باید در این ربات ها استفاده شوند از نوع DC Motor هستند و مستقیماً نمی توان آن ها را به چرخ وصل کرد مگر اینکه توسط گیرباکس از سرعت آن ها کم شود و به قدرت آن ها اضافه شود.

موتورهایی که می توان در ربات های مسیریاب از آنها استفاده کرد

۱. موتورهای اسباب بازی ها و گیرباکس: در ساده ترین حالت شما می توانید گیرباکس اسباب بازی ها را باز کرده و از آن ها استفاده کنید. فقط اگر از این روش استفاده می کنید دقت کنید گیرباکس ها کاملاً روان باشند و موتورها نیز جریان کشی بالایی نداشته باشد. اگر موتورها جریان کشی بالایی دارند بهتر است از یک موتور دیگر استفاده کنید زیرا در این صورت ممکن است کارایی خوبی نداشته باشند. به عبارتی، در حرکت ربات اختلال ایجاد می کنند.

۲. گویی و پولی: روش دیگری که می توان برای موتور ربات های مسیریاب از آن استفاده کرد گویی و پولی ها است که از تسمه برای وصل کردن و تبدیل دور استفاده می شود. این روش هم خالی از مشکل نیست. این روش توصیه نمی شود چون ممکن است در حین استفاده از آن تسمه از چرخ ها جدا شود و یا اینکه تسمه پاره شود.

۳. موتورهای گیرباکس دار: در این موتورها موتور و گیرباکس داخل یک مجموعه قرار دارند و در دورهای مختلف با توان های مختلف عرضه شده اند. بهترین گزینه، استفاده از این نوع موتورها است چون یک مجموعه مطمئن است، بی صدا و حجم کمی را اشغال می کند و معمولا جریان کشی مناسبی دارد. تنها مشکل آن ها قیمت بالایشان است.

نکته ۱: دقت کنید موتورهای معمولی را مستقیماً به چرخ وصل نکنید زیرا آن ها دارای سرعت بالا (۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ دور در دقیقه) هستند ولی قدرت لازم برای حرکت را ندارند.

نکته ۲: شما در ربات های مسیریاب به ۲ موتور نیاز دارید. یکی برای چرخ های سمت راست و دیگری برای چرخ های سمت چپ. بهتر است موتورها و چرخ ها عقب ربات نصب شوند و چرخ هرزگرد و برد سنسور جلوی ربات نصب شوند.