سيستم‌هاي رباتيكی زیر دریا

[Mehdi.Aref 26780]

بيش از 70 درصد سطح زمين توسط آب پوشيده شده است. اقيانوس‌ها داراي حجم وسيعي از منابع معدني و حياتي هستند. حجم زياد انرژي و فضاي موجود اقيانوس‌ها نقش بسيار مهمي در فعاليت‌هاي آينده اقتصادي – اجتماعي بشر خواهد داشت. عليرغم اين وسعت و اهميت تاکنون تلاش کمي در بکارگيري پتانسيل‌هاي مثبت و مواجه با پتانسيل‌هاي منفي اين منبع عظيم خدادادي صورت پذيرفته است.

در دهه‌هاي گذشته استفاده از سيستم‌هاي رباتيکي در زير آب به دليل برتري آنها در مقايسه با غواصي در عمليات آبهاي عميق و محيط‌هاي خطرناک افزايش چشمگيري يافته است. از کاربردهاي اين سيستم‌ها مي‌توان ماهيگيري، مانيتورکردن آلودگي‌هاي زير آبي، پاک‌کردن زباله‌هاي دريايي، عمليات بازبيني، تعمير و نگهداري تجهيزات زيرآبي و ... را نام برد.

 

سيسم‌هاي رباتيکي مورد مطالعه در اين گروه را مي‌توان به سه دسته زير تقسيم کرد: 1- سيستم روباتيکي خودرويي Robotic Vehiche ، 2- Robotic Manipulators ، 3- Simulators دسته اول که معمولاً زيردريايي‌هاي بدون سرنشين هستند براي مقاصدي نظير بازرسي تاسيسات زيرآبي، فيلمبرداري و حمل تجهيزات به کار گرفته مي‌شوند. از اين دسته از رباتها مي‌توان انواع UUV ، AUV ، ROV و .... را نام برد. دسته دوم از سيستم‌هاي رباتيکي براي انجام عمليات مکانيکي خاص در منطقه عملياتي مانند نمونه‌برداري، نصب و ... بکار گرفته مي‌شوند. همانند کاربردهاي روي زمين و فضايي اين سيستم‌ها نيز به انواع Parallel Manipulators ، Serial Manipulators و Cooperating manipulators تقسيم مي‌شوند.

علاوه بر دو سيستم فوق سيمولاتورها از جمله سيستم‌هاي رباتيکي هستند که در مهندسي اقيانوس و درياها به کار گرفته مي‌شوند. سيمولاتور شناورهاي سطحي و زيرسطحي مانند سيمولاتور کشتي و سيمولاتور زيردريايي و همچنين سيمولاتورها رباتيکي امواج ( Moving platform ) را از اين دسته مي‌توان نام برد.

هزينه‌هاي بالاي بازبيني، تعمير و نگهداري تجهيزات و سکوها در زيرآب، عدم امکان انجام عمليات‌هاي زيرآبي در نقاط دور از دسترس بشر در زيرآب، ريسک بالاي عمليات زيرآبي در بسياري از مناطق دريايي، هزينه‌هاي بالاي آموزش ناوبران در مناطق عملياتي و ... مبين ضرورت بکارگيري سيستم‌هاي رباتيکي در زير آب است.

مباحث عمده در سيستم‌هاي رباتيکي زير آب عبارتند از:

 

• 1- تجزيه و تحليل ديناميک سيستم‌ها
  
• 2- هدايت و ناوبري سيستم‌هاي خودرويي
  
• 3- روش‌هاي اندازه‌گيري کنترل سيستم‌ها
  
• 4- هوش مصنوعي (…, Image processing Pattern recognition )
  
• 5- ارتباطات و مخابرات زيرآبي
  
• 6- قدرت و قواي محرکه سيستم‌ها
  
• 7- طراحي و بهينه‌سازي طراحي با توجه به محدوديت انرژي
  
• 8- مديريت انرژي
  

فعاليت‌هاي تحقيقاتي اين بخش در سه محور عمده زير پيشنهاد مي‌گردد

الف) وسايل زيردريايي بدون سرنشين ( Under water Robotic vehicles ) :

کاربرد وسيع اين نوع سيستم‌ها در امور بازرسي زيرآبي، اکتشاف و فيلمبرداري زيرآبي در سالهاي اخير موجب توسعه طيف وسيعي از اين نوع وسايل گشته است. ROV ها (Remotly operated vehicles) به عنوان پرسابقه‌ترين عضو اين خانواده وسايلي هستند که از طريق يک کابل به کشتي مادر متصل بوده و از داخل کشتي کنترل مي‌شوند. وجود کابل اتصال‌دهنده کشتي و ROV گرچه مشکلات انتقال سيگنال کنترل، انتقال انرژي و تخليه سريع on.line اطلاعات جمع‌آوري شده توسط ROV را حل مي کند ليکن خود مشکلاتي را نظير تاثير منفي کابل در کنترل وسيله و يا افزايش احتمال به تله افتادن وسيله را موجب مي‌گردد. به عنوان نوع پيشرفته‌تر اين وسايل مي‌توان از AUV ( Autonomous underwater vehicles ) نام برد. عدم وجود کابل رابط بين کشتي حمايت‌کننده و AUV موجب مي‌گردد تا AUV قدرت مانور بيشتري نسبت به ROV داشته باشد هرچند عدم وجود کابل رابط و خوداتکايي ( Autonomy ) اين وسايل پيچيدگي‌هاي علمي و فناوري زيادي از جمله مديريت بهينه انرژي Image Processing ، Pattrn recognition و مخابرات زيرآبي را سبب مي‌گردد. آخرين و پيشرفته‌ترين نسل اين گونه وسايل Robofish ها هستند که با حذف پروانه‌ها ( Propellers ) و جايگزيني آنها با نوعي نيروي پيش رانش ماهيچه‌اي امکان ردگيري و کشف وسيله را بسيار مشکل کرده و از راندمان انرژي بالاتري نيز برخوردارند. اين فناوري علاوه بر پيچيدگي‌هاي مذکور در خصوص AUV ها از پيچيدگي ويژه تغيير سيستم سنتي پيش رانش برخوردار هستند.

زمينه‌هاي اصلي تحقيقاتي در اين محور را مي‌توان به صورت زير برشمرد:

 

• 1- تحليل هيدروديناميک وسيله و سيستم پيش رانش
  
• 2- تحليل و طراحي سيستم‌هاي کنترل و هدايت وسيله
  
• 3- تحليل اثر کابل رابط ROV بر رفتار ديناميکي و کنترل اين وسايل
  
• 4- مباحث هوش مصنوعي از جمله Image Processing ، Pattrn recognition
  
• 5- مباحث ارتباطات زيرآبي
  
• 6- سيستم‌هاي جديد پيش رانش
  

ب) بازوهاي رباتيکي زيرآبي ( Underwater Robotic Manipulators ) :

هزينه گزاف و محدوديت‌هاي شديد انجام عمليات زيرآبي توسط انسان توجيه بسيار مناسبي براي توسعه فناوري بازوهاي رباتيکي زيرآبي ايجاد نموده است. اين سيستم‌ها در حال حاضر وظايفي نظير جوشکاري در زيرآب، نصب آندهاي قرباني شونده، شستشوي بدنه‌کشتي‌ها، لوله‌گذاري بستر درياها، همکاري در عمليات نجات زيرآبي و ... را به عهده مي‌گيرند و با پيشرفت روزافزون اين سيستم‌ها کاربرد آنها دائماً در حال افزايش است. بازوهاي رباتيکي زيرآبي نظير نوع صنعتي و زميني (Earth bounded maniulators) در دو شکل سري manipulators ) ( Serial و موازي ( Parallel manipulators ) استفاده مي‌شوند. آنچه فناوري بازوهاي رباتيکي دريايي را به طور مشخص از سيستم‌هاي مشابه زميني متمايز مي‌سازد دو مشخصه عدم وجود پايه ثابت براي بازو و نيز مشکلات ناشي از محيط سخت دريا مي‌باشد. عدم وجود پايه ثابت براي بازو موجب مي‌گردد تا کنترل سيستم به مراتب مشکل‌تر از نمونه‌هاي زميني شود. از سوي ديگر محيط سخت دريا پيچيدگي‌هاي فناوري در ساخت اين بازوها را سبب مي‌شود. زمينه‌هاي اصلي تحقيقاتي اين محور عبارتند از :

 

• 1- تحليل ديناميکي و کنترل رباتهاي شناور ( Free Floating manipulators )
  
• 2- تحليل ديناميکي و کنترل رباتهاي همکار با پايه ثابت
  
• 3- طراحي و ساخت رباتهاي دريايي (مناسب کار در محيط سخت دريا)
  
• 4- طراحي و ساخت رباتهاي موازي معلق به منظور انجام عمليات سنگين دريايي
  
• 5- تحليل ديناميکي و طراحي سيستم‌هاي کنترل رباتهاي شناور همکار
  (Cooprative free floating manipulators)
  

ج) سيمولاتورهاي دريايي :

امروزه سيمولاتورها در صنايع مختلف کاربردهاي وسيع آموزشي و طراحي پيدا کرده‌اند. کاهش هزينه و خطر آموزش و نيز قابليت برنامه‌ريزي و تکرارپذيري انجام مانورهاي مختلف و نيز امکان ثبت دقيق عملکرد هنرجو از جمله مزاياي سيمولاتورها در امر آموزش به شمار مي‌روند. از سوي ديگر سيمولاتورها ابزار مناسبي براي مشابه‌سازي رفتار سيستم به منظور طراحي و بهينه‌سازي هستند. استفاده آزمايشگاهي از سيمولاتورها به منظور بازسازي شرايط حرکت امواج در دريا از ديگر کاربردهاي سيمولاتورهاست. زمينه‌هاي اصلي تحقيقاتي در اين محور عبارتند از :

 

• - طراحي و ساخت سيستم‌هاي رباتيک موازي
  
• - مشابه‌سازي عددي حرکت امواج
  
• - تحليل ديناميکي شناورها در دريا و تعيين توابع تبديل
  
• - ابزار دقيق وسايل دريايي
  
• - هدايت و ناوبري
  
• - تحليل ديناميک و کنترل سيستم‌هاي رباتيکي
  
• - مباحث هوش مصنوعي نظير Vision ، توليد مصنوعي صوت
  
• - معماري سيستم‌هاي کامپيوتري همکار در زمان
  

2- ديناميک و ارتعاشات سازه‌هاي دريايي

الف) سيستم‌هاي چندعضوي مهار شده در دريا Tethered multi – body system :

امروزه تعداد قابل توجهي از اجسام صلب کوچک و بزرگ به صور مختلف از طريق خطوط مهار و لنگرهاي متنوع در دريا مهار شده‌اند. از جمله اين سيستم‌ها مي‌توان به انواع بويه‌هاي کوچک هواشناسي و اقيانوس‌شناسي، بويه‌هاي راهنما ( Marker ) ، سکوهاي کوچک دريايي، سکوهاي بزرگ نفتي و ... اشاره نمود. غالب اين سيستم‌ها اگر در نقاط عميق درياها مستقر باشند از طريق يک خط مهار ترکيبي با تعدادي بويه‌ غوطه‌ور در محل لنگر شده‌اند. بررسي اثرات ديناميکي حرکت خط مهار و مجموعه بويه‌هاي غوطه‌ور اهميت بسيار زيادي در طراحي خط مهار و سيستم لنگر دارد. اهم موضوع مورد علاقه جهت مطالعه در اين بخش عبارتند از

 

• - تحليل ديناميکي بويه‌هاي مهار شده با استفاده از بويه‌هاي غوطه‌ور
  
• - تحليل ديناميکي بويه‌ها و سيستم‌هاي با مهار چندگانه (TLP)
  
• - تحليل ديناميکي سيستم‌هاي شناورهاي مهار شده متصل به يکديگر
  
• - تجزيه و تحليل اثر ديناميک کابل و بويه بر موج‌نگاري
  
• - تحليل ديناميک ROV هاي بدون موتور
  

ب) مطالعه اثر متقابل ارتعاشات و نيروهاي هيدروديناميک Flow Induced Vibration :

عبور سيال از کنار اجسام غوطه‌ور نظير کابل‌ها و لوله‌ها موجب انتقال انرژي به آنها شده و متقابلاٌ ارتعاشات اين سيستم‌ها مي‌تواند موجب تاثير بر بار اعمالي به آنها گرددم. مجموعه متقابل تاثير اين دو بر يکديگر در پاره‌اي از موارد منجر به بروز ارتعاشات شديد و حتي در موارد شکست لوله‌هاي خطوط مهار مي‌گردد. امروزه اين زمينه بعنوان يکي از بحث‌هاي داغ مطرح بوده و در علوم دريايي مورد توجه بسيار قرار گرفته است. موارد مهم جالب توجه جهت مطالعه در اين خصوص به شرح زير مي‌باشند:

 

• - مطالعه اثر جريانهاي آب بر خطوط مهار
  
• - مطالعه اثر جريانهاي خارجي بر ديناميک خطوط لوله زير آبي
  
• - مطالعه اثر جريانهاي داخلي و خارجي بر خطوط لوله‌هاي زير آبي
  
• - مطالعه رفتار اثر متقابل تلاطم سيال و ديناميک سازه‌ها Liquid Slashing
  

برنامه‌هاي چهارساله تحقيقاتي گروه ديناميک و رباتيک

 

• 1- طراحي و ساخت دو ربات صفحه‌اي همکار
  
• 2- طراحي و ساخت يک ربات شناور (قابل نصب روي ROV )
  
• 3- تحليل ديناميکي رفتار يک بويه با خط مهار بلند (وجود حداقل 2 بويه غوطه‌ور)
  
• 4- تحليل ديناميک و طراحي کنتور ROV با توجه به وجود کابل
  
• 5- طراحي و ساخت سيمولاتور يک شناور زير سطحي
  

در راستاي اين برنامه دو موضوع

 

• - طراحي و ساخت يک سيمولاتور موج به سه درجه آزادي
  
• - طراحي و ساخت دو بازوهاي همکار صفحه‌اي
  

گرفته شده از:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام