روبات آفتاب گردان - جلسه دوم
اهداف: آشنایی با نحوه حرکت گل آفتاب گردان، آشنایی با مفهوم درجات آزادی
وسایل مورد نیاز: چوب بستنی، کاتر،پیچ
آَشنایی با نحوه حرکت گل آفتاب گردان
در ابتدا می‌خواهیم شما را با نحوه حركت گل آفتابگردان آشنا كنیم. گل آفتابگردان از صبح تا شب برای بهبود سرعت رشد خود و سایر دلایل، خود را به سمت خورشید می‌چرخاند.
این حركت به سوی نور خورشید، با جا به جا كردن آفتاب گردان یا چرخاندن گلدان آن نیز از بین نمی رود و ادامه پیدا می كند، لذا حركت گل آفتابگردان باید گونه ای باشد كه به تواند به سمت هر نقطه‌ای از آسمان حركت نماید، زیرا همان گونه كه اشاره شد با چرخاندن گلدان آن، باز هم به سمت نور خورشید حركت می‌كند.
آیا می توانید وسایلی را نام ببرید كه حركت آن ها مشابه حركت گل آفتابگردان باشد؟
به عنوان نمونه می توان به ضد هوایی اشاره نمود. ضد هوایی باید قادر باشد تا به سمت تمام نقاط آسمان هدف گیری نماید.
از دیگر مثال های این نوع حرکت می توان به ماهواره‌ی هدف یاب اشاره نمود. این آنتن ها می توانند موقعیت خود را به سمت هر نقطه از آسمان تغییر دهند.
آیا می توانید این نوع حركت را تحلیل كنید و بگویید چگونه می توان چنین حركتی ایجاد نمود؟
یک آفتاب گردان در حقیقت، اگر به زبان ساده توضیح دهیم، پیكانی است كه می تواند در كل فضای نیم کره بالای خود جهت گیری نماید:
برای ایجاد چنین حركتی راه های زیادی وجود دارد. ساده ترین راه این است كه پیكان مورد نظر به تواند حركات 1 و 2 را مطابق شكل زیر انجام دهد:
مسیر دو حركت 1 و 2 بر هم عمود می باشند با تركیب این دو حركت می توانیم حركت دلخواه مان را ایجاد نماییم. شما نیز می توانید به وسیله یک خودکار با حركت دادن سر آن در جهت های 1 و 2 هر نقطه دلخواهی از سقف را نشانه گیری نمایید. توجه کنید که حركت مورب نیز در حقیقت تركیب دو حركت افقی و عمودی می باشد. آنتن هدف یاب نیز به این روش كار می كند:
یكی دیگر از روش های موجود برای ایجاد حركت مورد نظر، تركیب حركت شماره 1 با یک حركت دورانی می باشد. به صورت زیر:
برای درک بهتر این حرکت، به طول و عرض جغرافیایی فکر كنید. حركت دورانی را می توان با حرکت یک پیکان حركت در راستای طول جغرافیایی و حركت شماره 1 را نیز می توان با حرکت آن پیکان در جهت عرض جغرافیایی تشبیه نمود. لذا با تركیب این دو حركت می توان پیکان مورد نظر را به سمت هر طول یا عرض جغرافیای ای هدف گیری نمود، لذا تركیب دو حركت فوق، حركت مطلوب ما را تولید می نماید.
البته لازم به ذکر است که برای دست‌یابی به حركت مورد نظر، حتماً لازم نیست كه حركت دورانی 360 درجه و حركت 1، 180 درجه‌ای باشد، بلكه با تركیب حركت دورانی 180 درجه‌ای با حركت 1 یا با تركیب حركت 1(90 درجه‌ای) با دوران 360 درجه می توان حركت مورد نظر را بدست آورد. در این باره فكر كنند و سعی کنید روش های دیگری برای ایجاد حركت مورد نظر ارائه دهید.
مفهوم درجات آزادی
پس از توضیحات مقدماتی، هدف ما آموختن مفهوم درجات آزادی به شما می باشد. ابتدا چند مثال از درجات آزادی برای شما بیان می کنیم:
حركت سیلندر درون پیستون یک درجه آزادی است، حركت تخته پاک كن بر روی تخته دو درجه آزادی است...
درجه آزادی با زبان ساده به صورت زیر تعریف می شود:
در یک مكانیزم، ما یک ورودی می دهیم و یک خروجی می گیریم، مثلاً در مثال سیلندر، پیستون، با وارد كردن نیرو به پیستون، پیستون درون سیلندر به پایین می رود. به این مكانیزم، مكانیزم یک درجه آزادی می گوییم.
حال اگر برای بدست آوردن خروجی مورد نظر، دو ورودی نیاز باشد، مكانیزم دو درجه آزادی می شود و هر چه تعداد ورودی ها بالاتر رود، درجه آزادی بالاتر می رود.
اگر ورودی دادیم تا مكانیزم حركت كند، اما نكرد، مكانیزم ما صفر درجه آزادی دارد.
حال سعی کنید بوسیله چند عدد چوب بستنی، یک مكانیزم دو درجه آزادی، یک درجه آزادی، و صفر درجه آزادی بسازند.
برای نمونه، به مكانیزم های زیر دقت کنید: نقاط نشان داده شده نمایانگر پین می باشند.
یک روش دیگر برای تشخیص درجات آزادی وجود دارد. برای مثال در شكل زیر جسم 1 هم می تواند بچرخد، هم به راست و چپ برود.
حال اگر جلوی یکی از این حركات را بگیریم (مثلا انتقال ) به صورت زیر:
جسم 1 باز هم می تواند دوران كند و اگر جلوی این حركت باقی مانده را نیز بگیریم، جسم ثابت می شود لذا درجه آزادی آن 2 می باشد.
به طور كلی این نوع مكانیزم ها كاربردهای مختلف و زیادی دارند در روبات ها، ساخت اجزای مصنوعی بدن و در صنایع مختلف نمونه های زیادی از مكانیزم ها را می توانیم بیابیم.
مثلاً در صنعت هواپیما سازی، درب های هواپیما كه باز و بسته می شوند یا باز و بسته شدن چرخ های آن، در صنایع خوردو، دستگاه های پرس و... و در واقع هر ماشینی از مكانیزم هایی تشكیل شده است كه برای ساخت آن ها، طراحی نیاز است.
در اشكال زیر چند نمونه مكانیزم ساده و پیچیده را مشاهده می كنید:
تکلیف: به عنوان تكلیف برای جلسه آینده چند مكانیزم مورد استفاده در زندگی روزه مره را تعیین نموده و درجه آزادی آن ها را مشخص کنید. به عنوان تکلیف بعدی، درجه آزادی مکانیزم های فوق را حساب کنید.
منابع مطالعه: کتاب طراحی مکانیزم ها برای ماشین سازان ترجمه مهندس اکبر خورشیدیان مراجعه نمایید.
مطالب مرتبط:
روبات آفتاب گردان - جلسه چهارم
بخش پژوهش های دانش آموزی - تنظیم: فاطمه گودرزی
