آشنايي با سیستم‌های رباتیكی زیر دریا

بیش از 70 درصد سطح زمین توسط آب پوشیده شده است. اقیانوس‌ها دارای حجم وسیعی از منابع معدنی و حیاتی هستند. حجم زیاد انرژی و فضای موجود اقیانوس‌ها نقش بسیار مهمی در فعالیت‌های آینده اقتصادی – اجتماعی بشر خواهد داشت. علیرغم این وسعت و اهمیت تاکنون تلاش کمی در بکارگیری پتانسیل‌های مثبت و مواجه با پتانسیل‌های منفی این منبع عظیم خدادادی صورت پذیرفته است.

در دهه‌های گذشته استفاده از سیستم‌های رباتیکی در زیر آب به دلیل برتری آنها در مقایسه با غواصی در عملیات آبهای عمیق و محیط‌های خطرناک افزایش چشمگیری یافته است. از کاربردهای این سیستم‌ها می‌توان ماهیگیری، مانیتورکردن آلودگی‌های زیر آبی، پاک‌کردن زباله‌های دریایی، عملیات بازبینی، تعمیر و نگهداری تجهیزات زیرآبی و ... را نام برد.

سیسم‌های رباتیکی مورد مطالعه در این گروه را می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

•  سیستم روباتیکی خودرویی Simulators
•  Robotic Manipulators
• Robotic Vehiche

 دسته اول که معمولاً زیردریایی‌های بدون سرنشین هستند برای مقاصدی نظیر بازرسی تاسیسات زیرآبی، فیلمبرداری و حمل تجهیزات به کار گرفته می‌شوند. از این دسته از رباتها می‌توان انواع UUV ، AUV ، ROV و .... را نام برد. دسته دوم از سیستم‌های رباتیکی برای انجام عملیات مکانیکی خاص در منطقه عملیاتی مانند نمونه‌برداری، نصب و ... بکار گرفته می‌شوند. همانند کاربردهای روی زمین و فضایی این سیستم‌ها نیز به انواع Parallel Manipulators ، Serial Manipulators و Cooperating manipulators تقسیم می‌شوندعلاوه بر دو سیستم فوق سیمولاتورها از جمله سیستم‌های رباتیکی هستند که در مهندسی اقیانوس و دریاها به کار گرفته می‌شوند. سیمولاتور شناورهای سطحی و زیرسطحی مانند سیمولاتور کشتی و سیمولاتور زیردریایی و همچنین سیمولاتورها رباتیکی امواج ( Moving platform ) را از این دسته می‌توان نام برد.

هزینه‌های بالای بازبینی، تعمیر و نگهداری تجهیزات و سکوها در زیرآب، عدم امکان انجام عملیات‌های زیرآبی در نقاط دور از دسترس بشر در زیرآب، ریسک بالای عملیات زیرآبی در بسیاری از مناطق دریایی، هزینه‌های بالای آموزش ناوبران در مناطق عملیاتی و ... مبین ضرورت بکارگیری سیستم‌های رباتیکی در زیر آب است.

مباحث عمده در سیستم‌های رباتیکی زیر آب عبارتند از:

1.  تجزیه و تحلیل دینامیک سیستم‌ها
2.  هدایت و ناوبری سیستم‌های خودرویی
3.  روش‌های اندازه‌گیری کنترل سیستم‌ها
4.  هوش مصنوعی (…, Image processing Pattern recognition )
5.  ارتباطات و مخابرات زیرآبی
6.  قدرت و قوای محرکه سیستم‌ها
7.  طراحی و بهینه‌سازی طراحی با توجه به محدودیت انرژی
8.  مدیریت انرژی

فعالیت‌های تحقیقاتی این بخش در سه محور عمده زیر پیشنهاد می‌گردد

 وسایل زیردریایی بدون سرنشین ( Under water Robotic vehicles ) :

کاربرد وسیع این نوع سیستم‌ها در امور بازرسی زیرآبی، اکتشاف و فیلمبرداری زیرآبی در سالهای اخیر موجب توسعه طیف وسیعی از این نوع وسایل گشته است. ROV ها (Remotly operated vehicles) به عنوان پرسابقه‌ترین عضو این خانواده وسایلی هستند که از طریق یک کابل به کشتی مادر متصل بوده و از داخل کشتی کنترل می‌شوند. وجود کابل اتصال‌دهنده کشتی و ROV گرچه مشکلات انتقال سیگنال کنترل، انتقال انرژی و تخلیه سریع on.line اطلاعات جمع‌آوری شده توسط ROV را حل می کند لیکن خود مشکلاتی را نظیر تاثیر منفی کابل در کنترل وسیله و یا افزایش احتمال به تله افتادن وسیله را موجب می‌گردد. به عنوان نوع پیشرفته‌تر این وسایل می‌توان از AUV ( Autonomous underwater vehicles ) نام برد. عدم وجود کابل رابط بین کشتی حمایت‌کننده و AUV موجب می‌گردد تا AUV قدرت مانور بیشتری نسبت به ROV داشته باشد هرچند عدم وجود کابل رابط و خوداتکایی ( Autonomy ) این وسایل پیچیدگی‌های علمی و فناوری زیادی از جمله مدیریت بهینه انرژی Image Processing ، Pattrn recognition و مخابرات زیرآبی را سبب می‌گردد. آخرین و پیشرفته‌ترین نسل این گونه وسایل Robofish ها هستند که با حذف پروانه‌ها ( Propellers ) و جایگزینی آنها با نوعی نیروی پیش رانش ماهیچه‌ای امکان ردگیری و کشف وسیله را بسیار مشکل کرده و از راندمان انرژی بالاتری نیز برخوردارند. این فناوری علاوه بر پیچیدگی‌های مذکور در خصوص AUV ها از پیچیدگی ویژه تغییر سیستم سنتی پیش رانش برخوردار هستند.

 زمینه‌های اصلی تحقیقاتی در این محور را می‌توان به صورت زیر برشمرد:

1.  تحلیل هیدرودینامیک وسیله و سیستم پیش رانش
2.  تحلیل و طراحی سیستم‌های کنترل و هدایت وسیله
3.  تحلیل اثر کابل رابط ROV بر رفتار دینامیکی و کنترل این وسایل
4.  مباحث هوش مصنوعی از جمله Image Processing ، Pattrn recognition
5.  مباحث ارتباطات زیرآبی
6.  سیستم‌های جدید پیش رانش

 بازوهای رباتیکی زیرآبی ( Underwater Robotic Manipulators ) :

هزینه گزاف و محدودیت‌های شدید انجام عملیات زیرآبی توسط انسان توجیه بسیار مناسبی برای توسعه فناوری بازوهای رباتیکی زیرآبی ایجاد نموده است. این سیستم‌ها در حال حاضر وظایفی نظیر جوشکاری در زیرآب، نصب آندهای قربانی شونده، شستشوی بدنه‌کشتی‌ها، لوله‌گذاری بستر دریاها، همکاری در عملیات نجات زیرآبی و ... را به عهده می‌گیرند و با پیشرفت روزافزون این سیستم‌ها کاربرد آنها دائماً در حال افزایش است. بازوهای رباتیکی زیرآبی نظیر نوع صنعتی و زمینی (Earth bounded maniulators) در دو شکل سری manipulators ) ( Serial و موازی ( Parallel manipulators ) استفاده می‌شوند. آنچه فناوری بازوهای رباتیکی دریایی را به طور مشخص از سیستم‌های مشابه زمینی متمایز می‌سازد دو مشخصه عدم وجود پایه ثابت برای بازو و نیز مشکلات ناشی از محیط سخت دریا می‌باشد. عدم وجود پایه ثابت برای بازو موجب می‌گردد تا کنترل سیستم به مراتب مشکل‌تر از نمونه‌های زمینی شود. از سوی دیگر محیط سخت دریا پیچیدگی‌های فناوری در ساخت این بازوها را سبب می‌شود. زمینه‌های اصلی تحقیقاتی این محور عبارتند از :

1.  تحلیل دینامیکی و کنترل رباتهای شناور ( Free Floating manipulators )
2.  تحلیل دینامیکی و کنترل رباتهای همکار با پایه ثابت
3.  طراحی و ساخت رباتهای دریایی (مناسب کار در محیط سخت دریا)
4.  طراحی و ساخت رباتهای موازی معلق به منظور انجام عملیات سنگین دریایی
5.  تحلیل دینامیکی و طراحی سیستم‌های کنترل رباتهای شناور همکار (Cooprative free floating manipulators)

سیمولاتورهای دریایی :

امروزه سیمولاتورها در صنایع مختلف کاربردهای وسیع آموزشی و طراحی پیدا کرده‌اند. کاهش هزینه و خطر آموزش و نیز قابلیت برنامه‌ریزی و تکرارپذیری انجام مانورهای مختلف و نیز امکان ثبت دقیق عملکرد هنرجو از جمله مزایای سیمولاتورها در امر آموزش به شمار می‌روند. از سوی دیگر سیمولاتورها ابزار مناسبی برای مشابه‌سازی رفتار سیستم به منظور طراحی و بهینه‌سازی هستند. استفاده آزمایشگاهی از سیمولاتورها به منظور بازسازی شرایط حرکت امواج در دریا از دیگر کاربردهای سیمولاتورهاست. زمینه‌های اصلی تحقیقاتی در این محور عبارتند از :

•  طراحی و ساخت سیستم‌های رباتیک موازی
•  مشابه‌سازی عددی حرکت امواج
•  تحلیل دینامیکی شناورها در دریا و تعیین توابع تبدیل
•  ابزار دقیق وسایل دریایی
•  هدایت و ناوبری
•  تحلیل دینامیک و کنترل سیستم‌های رباتیکی
•  مباحث هوش مصنوعی نظیر Vision ، تولید مصنوعی صوت
•  معماری سیستم‌های کامپیوتری همکار در زمان 

دینامیک و ارتعاشات سازه‌های دریایی

 سیستم‌های چندعضوی مهار شده در دریا Tethered multi – body system :

امروزه تعداد قابل توجهی از اجسام صلب کوچک و بزرگ به صور مختلف از طریق خطوط مهار و لنگرهای متنوع در دریا مهار شده‌اند. از جمله این سیستم‌ها می‌توان به انواع بویه‌های کوچک هواشناسی و اقیانوس‌شناسی، بویه‌های راهنما ( Marker ) ، سکوهای کوچک دریایی، سکوهای بزرگ نفتی و ... اشاره نمود. غالب این سیستم‌ها اگر در نقاط عمیق دریاها مستقر باشند از طریق یک خط مهار ترکیبی با تعدادی بویه‌ غوطه‌ور در محل لنگر شده‌اند. بررسی اثرات دینامیکی حرکت خط مهار و مجموعه بویه‌های غوطه‌ور اهمیت بسیار زیادی در طراحی خط مهار و سیستم لنگر دارد. اهم موضوع مورد علاقه جهت مطالعه در این بخش عبارتند از

•  تحلیل دینامیکی بویه‌های مهار شده با استفاده از بویه‌های غوطه‌ور
•  تحلیل دینامیکی بویه‌ها و سیستم‌های با مهار چندگانه (TLP)
•  تحلیل دینامیکی سیستم‌های شناورهای مهار شده متصل به یکدیگر
•  تجزیه و تحلیل اثر دینامیک کابل و بویه بر موج‌نگاری
•  تحلیل دینامیک ROV های بدون موتور

 مطالعه اثر متقابل ارتعاشات و نیروهای هیدرودینامیک Flow Induced Vibration :

عبور سیال از کنار اجسام غوطه‌ور نظیر کابل‌ها و لوله‌ها موجب انتقال انرژی به آنها شده و متقابلاٌ ارتعاشات این سیستم‌ها می‌تواند موجب تاثیر بر بار اعمالی به آنها گرددم. مجموعه متقابل تاثیر این دو بر یکدیگر در پاره‌ای از موارد منجر به بروز ارتعاشات شدید و حتی در موارد شکست لوله‌های خطوط مهار می‌گردد. امروزه این زمینه بعنوان یکی از بحث‌های داغ مطرح بوده و در علوم دریایی مورد توجه بسیار قرار گرفته است. موارد مهم جالب توجه جهت مطالعه در این خصوص به شرح زیر می‌باشند:

•  مطالعه اثر جریانهای آب بر خطوط مهار
•  مطالعه اثر جریانهای خارجی بر دینامیک خطوط لوله زیر آبی
•  مطالعه اثر جریانهای داخلی و خارجی بر خطوط لوله‌های زیر آبی
•  مطالعه رفتار اثر متقابل تلاطم سیال و دینامیک سازه‌ها Liquid Slashing

 برنامه‌های چهارساله تحقیقاتی گروه دینامیک و رباتیک

1.  طراحی و ساخت دو ربات صفحه‌ای همکار
2.  طراحی و ساخت یک ربات شناور (قابل نصب روی ROV )
3.  تحلیل دینامیکی رفتار یک بویه با خط مهار بلند (وجود حداقل 2 بویه غوطه‌ور)
4.  تحلیل دینامیک و طراحی کنتور ROV با توجه به وجود کابل
5.  طراحی و ساخت سیمولاتور یک شناور زیر سطحی

 در راستای این برنامه دو موضوع

• طراحی و ساخت یک سیمولاتور موج به سه درجه آزادی
•  طراحی و ساخت دو بازوهای همکار صفحه‌ای

 در گروه تعریف و شروع شده است. موضوع اول در قالب یک طرح پژوهشی و موضوع دوم در قالب چند پروژه کارشناسی ارشد دنبال می‌شوند

منبع:مقالات علوم دريايي
گردآوري:گرده دانش سايت تبيان زنجان