مباني ساخت رباتهاي زيرآبي و معرفي كاربردهاي آن

[Robocup]

تعيين عمق‌ ربات‌هاي زيرآبي‌

با توجه به توسعه و گسترش صنايع دريايي، استفاده از فناوري‌هاي نوين براي پاسخگويي به نيازهاي موجود در جمع‌آوري اطلاعات زيست‌محيطي و تحقيقاتي بسيار ضروري خواهد بود.
استفاده از فناوري رباتيك در سالهاي اخير در علوم دريايي نيز مورد توجه قرار گرفته كه دسترسي به حجم زيادي از اطلاعات مورد نياز براي انجام تحقيقات مهندسي در زمينه‌هاي مرتبط با علوم دريايي را امكان‌پذير كرده است.
امروزه ربات‌هاي زير آبي يكي از مهمترين اجزاي علوم و صنايع دريايي هستند كه به وسيله نهادهاي تجاري، دولتي، نظامي و تحقيقاتي استفاده شده و انجام وظايف متعددي را به عهده گرفته‌اند.
در سالهاي اخير، استفاده از وسايل مهندسي كه از قابليت استفاده در اعماق آب‌ها برخوردار هستند و مي‌توانند انجام بسياري از تحقيقات در بستر درياها و اقيانوس‌ها را امكان‌پذير كنند، توانايي انسان‌ها در تحقيق و كار در اعماق درياها را بشدت تحت تاثير خود قرار داده‌اند و در بسياري از صنايع مختلف استفاده از تجهيزاتي كه بتوان آنها را بدون حضور مستقيم نيروي انساني و را از راه دور هدايت و كنترل كرد، مورد توجه قرار گرفته است، تا جايي‌كه در بسياري از زمينه‌ها انجام طرحهاي تحقيقاتي بدون حضور ربات‌هايي كه مي‌توانند عملياتي را به صورت برنامه‌ريزي شده انجام دهند و دستورات كاربر را به صورت دقيق اجرا كنند، امكان‌پذير نخواهد بود.
به نقل از جام جم ربات‌هاي زيردريايي نيز يكي از انواع فناوري‌هاي نوين هستند كه كاربر با استفاده از آن مي‌تواند اين وسيله را در اعماق آب‌ها كنترل كند و عمليات مورد نظر را بدون حضور مستقيم خود از طريق تجهيزات رباتيك انجام دهد.
بررسي‌هاي انجام شده در اين زمينه نشان مي‌دهد كه در سالهاي اخير ربات‌هاي زير آبي در اندازه‌ها و ابعاد متفاوت طراحي و ساخته شده‌اند كه به طيف وسيعي از امكانات و تجهيزات مجهز هستند و حتي در برخي موارد به توليد صنعتي نيز رسيده‌اند.

شگفتي حركت زيردريايي‌ها
به گفته مهندس محمدحسين گياهي، مجري اين طرح تحقيقاتي كه توانست رتبه دوم طرحهاي ابتكاري در گروه تخصصي مكانيك نهمين جشنواره جوان خوارزمي را از آن خود كند، معمولا عمق درياها را با فضا مقايسه مي‌كنند؛ چرا كه شگفتي در ژرفاي اقيانوس‌ها كمتر از شگفتي فضاي بالاي سر ما نخواهد بود. زيردريايي‌ها، ماشين‌هايي هستند كه به ما انسان‌ها در شناخت اعماق درياها كمك مي‌كنند و به همين علت آنها را به عنوان يكي از شگفت‌انگيزترين اختراعات انسان شناخته‌اند.
ساليان سال دريانوردان فقط مي‌توانستند روي عرشه كشتي‌ها كار كنند؛ اما با اختراع زيردريايي، انسان‌ها توانستند همچون موجودات دريايي براي مدت‌هاي طولاني زندگي در زير درياها را تجربه كنند.
دانشمندان براي ساخت و حركت زيردريايي‌ها از 2 قانون مهم ارشميدس و بويل استفاده كرده‌اند.
طبق قانون ارشميدس بر هر جسم غوطه‌ور در سيال معادل وزن سيال جابه‌جا شده، نيرو وارد مي‌شود.

همواره وزن جسم به طرف پايين و نيروي شناور سيال به طرف بالا خواهد بود. هرگاه اين دو نيرو با هم برابر باشند، جسم روي سيال شناور خواهد شد و اگر نيروي وزن بيشتر از نيروي شناوري سيال باشد، جسم كاملا در سيال فرو خواهد رفت.
اين در حالي است كه براساس قانون بويل
در دماي ثابت، حجم و فشار يك سيال با هم رابطه معكوس دارند؛

يعني هرگاه فشار وارد بر سيال دوبرابر شود، حجم سيال به نصف كاهش خواهد يافت. بر اين اساس، از 2 روش ديناميكي و استاتيكي براي تغيير عمق زيردريايي‌ها استفاده مي‌شود.
زيردريايي‌هاي ديناميكي از سرعت حركت زيردريايي به كمك باله‌ها براي رفتن به اعماق آب استفاده مي‌كنند، در حالي كه زيردريايي‌هاي استاتيكي با تغيير شناوري يعني كاهش و افزايش آب درون مخزنشان تغيير عمق مي‌دهند.
نيروي شناوري مثبت با افزايش آب درون ‌مخازن منفي شده و در نتيجه زيردريايي به زير آب مي‌رود. در اين سيستم، سرعت زيردريايي تاثيري در تغيير عمق آن ندارد. در زيردريايي‌هاي مدرن نظامي تركيبي از اين دو سيستم مورد استفاده قرار گرفته است و بر اين اساس شناوري زيردريايي‌هاي نظامي با تغيير آب موجود در مخازن اصلي تغيير مي‌كند.
وقتي زيردريايي روي سطح آب قرار دارد، مخازن پر از هواست و دريچه‌هاي اصلي كه روي زيردريايي هستند، در اين وضعيت بسته خواهند بود. در زيردريايي‌هاي روسي، منافذي كه در بخش تحتاني زيردريايي هستند با استفاده از يك دريچه بسته مي‌شوند، اما در زيردريايي‌هاي امريكايي اين منافذ هميشه باز هستند.
هنگام فرو رفتن زيردريايي در آب دريچه‌هاي بالايي باز شده و به هوا اجازه خروج مي‌دهند، در نتيجه زيردريايي سنگين شده و زير آب مي‌رود. براي بازگشت زيردريايي به سطح آب نيز از هواي فشرده براي بيرون راندن آب استفاده مي‌شود .دوستان در جلسات بعدي به نكات اساسي سيستمهاي اصلي رباتهاي زيرآبي خواهيم پرداخت....

[Robocup]

موارد از کاربردهای ربات‌های زیرآبی

کاربردهای فراوان دیگری نیز برای ربات‌های زیرآبی در غیر از محیط دریا و اقیانوس وجود دارد که در این بخش به برخی از رایج‌ترین آن‌ها اشاره خواهد شد. چنان‌که گفته شد در بسیاری موارد ربات‌های زیرآبی برای دستیابی به اعماقی که ورود به آن توسط غواص خطرناک و در برخی موارد غیرممکن است، استفاده می‌شوند. این ربات‌ها در محل‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که باید به صورت مرتب مورد بازدید قرار گیرند و این امر برای غواصان سخت٬ خسته‌کننده و خطرناک است. مناطقی که در معرض تابش اشعه‌های رادیواکتیو قرار دارند یا اماکنی که امکان دید در آن‌ها به طور کلی برای غواص وجود ندارد٬ تونل‌های خطرناک و طولانیِ‌ آبی در اطراف سدهای برزگ و عظیم٬ قرارگرفتن در جریان رودخانه‌های متلاطم و خروشان از جمله کاربردهای ربات‌های زیرآبی در خشکی است. از دیگر موارد کاربری ربات‌های زیرآبی در خشکی عبارت‌اند از:


• بازرسی از پایه‌های پل‌ها،
• بازدید از بدنه و دریچه‌های سد‌ها،
• بازدید از مخازن ذخیرهٔ آب و دیگر مواد صنعتی جهت بازرسی٬ نمونه برداری و پاکسازی،
• تهیه فیلم و عکس و نیز نمونه‌بردای و انتقال اشیاء و اجسام قدیمی غرق شده،
• بازدید و بررسی بستر رودخانه‌ها،
• تهیه فیلم و اسناد ویدئویی،
• بازرسی از درون خطوط لوله‌های با قطر زیاد،
• بازرسی از راکتور هسته‌ای.
باید به این نکته نیز توجه داشت که در بسیار موارد ربات‌های زیرآبی به طور کامل جانشین غواص نمی‌شوند بلکه به عنوان نیروی پشتیبان و جهت تسهیل انجام عملیات‌ها و یا جهت تهیهٔ فیلم و عکس٬ استفاده از بازوهای مکانیکی٬ تامین نور و روشنایی محل و نیز اطمینان از ایمنی و سلامت محیط کاری غواص، به کار می‌روند.
دسته بندی انواع ربات‌های زیرآبی
«ربات‌های زیرآبی» توسط مشخصه‌هایی نظیر اندازه، عمق قابل دستیابی، توان مصرفی و دیگر مشخصات الکتریکی و یا الکتروهیدرولیکی٬ شناسایی و دسته‌بندی می‌گردند. در ادامه به ویژگی‌های برخی از این گونه‌ها اشاره می‌گردد:
ربات‌های زیرآبی کوچک
این گروه شامل ربات‌های زیرآبی با هزینهٔ پایین و اغلب تماما الکتریکی است که در اعماق حدود ۳۰۰ متری می‌توانند فعالیت کنند. این ربات‌ها جهت اعمالی مانند بازرسی و مشاهدات زیرآبی به کار می‌روند. در ضمن با تلاش‌های جدید در توسعه و پیشرفت ربات‌های کوچک بهبودهای قابل ملاحظه‌ای در طراحی سیستم‌های الکتریکی و تولید و انتقال قدرت آن‌ها صورت پذیرفته‌است که باعث شده از لحاظ عملکرد، قابلیت‌های کاربردی و دست‌یابی به اعماق بیشتر در سطح مطلوب‌تری نسبت به نمونه‌های پیشین باشند. هزینهٔ تمام شده‌ی‌ این ربات‌ها در حدود ۱۰ هزار تا ۱۰۰ هزار دلار است. امروزه ربات‌های کم هزینه به شکل وسیعی در کاربردهای علمی و پژوهشی٬ بازسازی صنایع آبی، جستجو و امداد و نجات، بازرسی از سدها، آب‌راه‌ها، بنادر و کشتی‌ها، بازرسی از راکتور هسته‌ای و مشاهده و بازرسی از سازه‌های ساحلی به کار می‌روند. تا سال ۲۰۰۰‌، ۳۵ گونهٔ مختلف از این گونه ربات‌های زیرآبی طراحی و ساخته شده‌اند. در حال حاضر ۲۷ تولید کننده مختلف ۵۰۰ گونهٔ متفاوت از این نوع ربات‌ها را تولید می‌کنند. امروزه حدود ۲۲ درصد ربات‌های موجود را این دسته تشکیل می‌دهد.
ربات‌های زیرآبی الکتریکی با قابلیت بالا
این گروه جدید از ربات‌های زیرآبی کوچک و الکتریکی که در کمتر از ۵ سال پیش متولد شده‌اند، دارای هزینهٔ به نسبت بالایی – نزدیک ۵۰۰۰۰ دلار- می‌باشند. این ربات‌ها از تکنولوژی‌ جدید موتورهای الکتریکی٬ سیستم کنترلیِ قابل کاربری و هدایت توسط کاربر و سیستم انتقال داده‌های مجهز به فیبر نوری استفاده می‌کنند. ربات‌های زیرآبی الکتریکی می‌توانند درعمق ۲۰۰۰ متری دریا کار کنند. توانایی انجام کارهای سنگین هنوز برای ربات‌های الکتریکی ممکن نیست چرا که چین امری نیازمند سیستم راه‌بری و بازوهای مکانیکی و الکتروهیدرولیکی پیشرفته‌است. اما با این حال‌ این گروه از ربات‌های زیرآبی بسیاری از فعالیت‌های دریایی و زیرآبی را با هزینه‌ای پایین انجام می‌دهند. از این دسته ربات‌های زیرآبی‌ها به دلیل عملکرد مطلوب‌شان، به شکل وسیعی در حوزه‌های نظامی و دانشگاهی استفاده می‌گردند. این ربات‌ها در مقایسه با انواعی که در صنعت نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند از چندان پیچیدگی قابل ملاحظه‌ای برخوردار نیستند. در ادامه به نمونه‌هایی از ربات‌های زیرآبی با قابلیت‌ها و توانایی‌های بسیار بالاتر و پیچیده‌تر اشاره خواهد شد.
ربات‌های ژرف‌پیما با قابلیت دستیابی به اعماق فوق العاده زیاد
این دسته از ربات‌ها امکان رسیدن به اعماق فراتر از ۴۰۰۰ متر را دارند. این ربات‌ها جهت کوچک نگاه داشتن ابعاد (قطر) کابل ارتباطی اغلب از انرژی کمتری استفاده می‌کنند و بیش‌تر در عملیات‌ امداد و نجات و نیز تحقیق و جستجو در اعماق اقیانوس‌ها به کار می‌روند. در این‌گونه ماموریت‌ها، ربات به توان زیادی جهت مشاهده و بازرسی و حرکت در امتداد مسیر معینی نیاز ندارد. به کمک این‌گونه ربات‌های زیرآبی محققان این امکان را یافته‌اند تا برای مدت زیاد و دفعات مکرر امکان مشاهدهٔ اعماق و بستر اقیانوس‌ها را داشته باشند. در کاربردهای نظامی‌ هم‌ این ربات‌ها جهت بازدید از بستر دریا و نیز کشف و نجات اجسام و اجساد مغروق در بستر اقیانوس‌ها به کار می‌روند.
ربات‌های زیر آبی با ابعاد بزرگ و با قابلیت انجام کارهای سنگین
این دسته از ربات‌های زیرآبی‌ شامل ربات‌هایی با ویژگی‌های منحصر به فردی نظیر قابلیت انجام کارهای سنگین در اعماق حدود ۲۵۰۰ متری و با توانی بالا - بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ اسب بخار- و قابلیت حمل ۵۰۰۰ کیلوگرم بار هستند که آن‌ها را از دیگرِ گونه‌های ربات‌های زیرآبی‌ متمایز می‌کند. با توجه به نیاز روز افزون صنایع ساحلی و فراساحلی به نصب وسایل و تجهیزاتی با وزن و ابعاد بالا در اعماق دریا این گونه از ربات‌های زیرآبی بزرگ قدرت‌مند و با قابلیت حمل و انتقال بارهای سنگین به وفور در این صنایع به کار می‌روند. نسل جدیدی از این گروه ربات‌های زیرآبی برای استفاده در صنایع نفت و گاز که قابلیت کار در اعماقِ حدود ۳۰۰۰ متری را دارند، ساخته شده‌اند که در عین دارا بودن ابعاد به نسبت کوچک‌ به تکنولوژی‌های بسیار پیشرفته‌ای مجهزند. جهت بالا بردن امکان کنترل‌پذیری و کاهش اثرات اغتشاش کابل، دارای کابل‌های ارتباطی با ابعادی حداقل می‌باشند. آن‌چه این دسته از ربات‌های زیرآبی‌ را با انواع ژرف‌پیما متمایز می‌کند این است که در نوع ژرف‌پیما، ربات جهت کاهش ابعاد کابل وکاهش مصرف انرژی فقط امکان استفاده از توان کمی‌ را دارد اما گونه‌های جدید ربات‌های زیرآبی‌ از توان‌ بالاتری جهت انجام کارهای سنگین در اعماق بسیار زیاد استفاده می‌کنند. انجام عملیات جستجو و ردیابی در اعماق بیش از ۱۲۰۰۰ متر و انجام عملیات حمل و نصب قطعات در عمق ۶۰۰۰ متر طبیعتا به تکنولوژی نوین و پیشرفته‌ای نیاز دارد که هم چنان مد نظر طراحان و مهندسان تکنولوژی دریایی است و برخی توفیق‌ها در آن اخیرا به دست آمده‌است و تا کنون فقط نمونه‌های انگشت شماری از این گونه ربات‌ها در دنیا ساخته شده‌اند.
ربات‌های زیر آبی خودکار و بدون نیاز به کابل
در اغلب ربات‌های زیرآبی از کابل برای انتقال توان به راه‌اندازها و نیز انتقال فرامین استفاده می‌شود و نیز داده‌های حسگرها و دوربین‌ها نیز از طریق کابل به کاربر انتقال داده می‌شوند. اما کابل از طرفی باعث افت انرژی شده و برای عمق‌های زیاد و محدوده‌های عملکرد وسیع، میزان توان مصرفی را افزایش می‌دهد. از سوی دیگر برای انتقال توان بالا، افزایش قطر کابل سبب افزایش نیروهای هیدرودینامیکی وارده و افزایش اغتشاش وارده به سیستم می‌شود. لذا در بسیاری از کاربردها استفاده از ربات‌های زیرآبی دارای کابل، مشکلات و محدودیت‌های فراوانی دارد. تکنولوژی ساخت این‌گونه از ربات‌های زیرآبی‌ که کار برروی آن‌ها از اوایل دهه هشتاد آغاز شده‌است٬ هنوز دوران آغازین خود را می‌گذراند. این ربات‌ها مجهز به سیستم کنترل و هدایت مرکزی، سیستم ارتباطی پیشرفته و سیستم تولید توان هیدرولیکی به منظور تولید انرژی لازم جهت پروانه‌ها و دیگر ابزارها و بازوهای مکانیکی است. تاکنون در مجموع بیش از هفتاد گونهٔ مختلف از ربات‌های خودکار توسط دوازده کشور ساخته شده‌است. علاوه بر انواع ذکر شده برخی دیگر از ربات‌های زیرآبی متناسب با نوع کاربری طراحی و ساخته شده‌اند که به عنوان مثال می‌توان ربات‌هایی که توسط کشتی یا قایق پشتیبان به صورت یدک‌کش به‌کار می‌روند را نام برد که در بازرسی از خطوط لوله٬ نقشه‌برداری و مشاهدات علمی‌کاربردهای وسیعی دارند.
مبانی طراحی ربات‌های زیرآبی
امروزه به کمک روش‌های پیشرفته طراحی کامپیوتر٬ طراحی ربات‌های زیرآبی نیز پیشرفته‌تر و دقیق‌تر شده‌است. بدیهی است اکنون که طراحی و ساخت ربات‌های پیچیده و چند منظوره و دارای توان دستیابی به اعماق بسیار زیاد دریا و اقیانوس مورد نظر است، دستیابی به سطوح بالایی از دانش طراحی نیز لازم و ضروری خواهد بود. این ربات‌ها باید داری انعطاف‌پذیری مطلوبی باشند، چنان که قابلیت انجام فعالیت‌ها و ماموریت‌های متنوعی برای آن‌ها مهیا باشد. به منظور تامین اهداف مطلوب در طراحی ربات‌های زیرآبی باید دو نکته را مد نظر داشت: نوع عملکرد مورد نظر و مقدار عمقی که ربات در آن باید به کار بپردازد. علی رغم موارد بالا طراحی ربات زیرآبی باید به صورت مجموعه‌ای واحد و با در نظر گرفتن تمامی ملاحظات طراحی لازم و مرتبط صورت پذیرد که برخی از آن‌ها عبارت‌اند از:
• هزینه‌ی‌ تمام شده
• اندازه و ابعاد مطلوب با توجه به نیازمندی‌ها و قابلیت‌های مورد نظر
• تکنولوژی موجود و در دسترس
• توان و قدرت مورد نیاز
• ابعاد
• وزن
• فضای مورد نیاز در عرشه کشتی
• حداکثر عمق
• نوع شرایط دریایی که ربات در آن امکان کار دارد
• حداکثر بار مفید قابل حمل
• کاربرد
• چندمنظوره بودن
• ایمنی
• اطمینان‌پذیری
• ثبت مسیر حرکت (در صورت لزوم)
• قابلیت تعمیر و نگهداری
• اجزا و سیستم‌های واسط جهت هدایت و راهبری و قابلیت‌های دردسترس این سیستم
چنان که ذکر شد ربات‌های زیر آبی اجزا مختلف و متعددی دارند که عموماً شامل موارد کلی و اساسی زیر است:
• بدنهٔ ربات
• سیستم رانش و حسگرها
• واسط(های) کنترلی و نمایشی
• سیستم توزیع قدرت
• کابل‌های هدایتی و ارتباطی
• سیستم هدایت و کنترل
در نهایت طراح با در نظرگرفتن عوامل موثر در طراحی باید مدل بهینه‌ای برای طراحی ربات پیشنهاد کند. ربات‌هایی زیرآبی در نهایت به واسط‌هایی متصل هستند که منظور و هدف کاربر را محقق می‌سارند. بازوهای مکانیکی ماهر که قادر به انجام کار فیزیکی هستند٬ دوربین‌های تلویزیونی، نورافکن‌ها و دیگر لوازم ره‌گیری که امکان کارکرد، هدایت، مسیریابی، کنترل و ناوبری ربات را فراهم می‌سارند، از این جمله‌اند.
منابع
‎
• Exploration of the Seas: Voyage into the Unknown
• - Future Needs in Deep Submergence Science
• ROV.org - MTS Committee

پیوند به بیرون
‎
• marine cybernetics
• ROVeXchange
• ROV.org - MTS Committee
• NOAA
• Subsea۷ ROVs
• Oceaneering Internationa