سیستم های رباتیکی زیر دریا

سيسم هاي رباتيكي مورد مطالعه در اين گروه را مي توان به سه دسته زير تقسيم كرد: 1- سيستم روباتيكي خودرويي Robotic Vehiche ، 2- Robotic Manipulators ، 3- Simulators دسته اول كه معمولاً زيردريايي هاي بدون سرنشين هستند براي مقاصدي نظير بازرسي تاسيسات زيرآبي، فيلمبرداري و حمل تجهيزات به كار گرفته مي شوند. از اين دسته از رباتها مي توان انواع UUV ، AUV ، ROV و .... را نام برد. دسته دوم از سيستم هاي رباتيكي براي انجام عمليات مكانيكي خاص در منطقه عملياتي مانند نمونه برداري، نصب و ... بكار گرفته مي شوند. همانند كاربردهاي روي زمين و فضايي اين سيستم ها نيز به انواع Parallel Manipulators ، Serial Manipulators و Cooperating manipulators تقسيم مي شوند.

علاوه بر دو سيستم فوق سيمولاتورها از جمله سيستم هاي رباتيكي هستند كه در مهندسي اقيانوس و درياها به كار گرفته مي شوند. سيمولاتور شناورهاي سطحي و زيرسطحي مانند سيمولاتور كشتي و سيمولاتور زيردريايي و همچنين سيمولاتورها رباتيكي امواج ( Moving platform ) را از اين دسته مي توان نام برد.

هزينه هاي بالاي بازبيني، تعمير و نگهداري تجهيزات و سكوها در زيرآب، عدم امكان انجام عمليات هاي زيرآبي در نقاط دور از دسترس بشر در زيرآب، ريسك بالاي عمليات زيرآبي در بسياري از مناطق دريايي، هزينه هاي بالاي آموزش ناوبران در مناطق عملياتي و ... مبين ضرورت بكارگيري سيستم هاي رباتيكي در زير آب است.

مباحث عمده در سيستم هاي رباتيكي زير آب عبارتند از:

*
1- تجزيه و تحليل ديناميك سيستم ها
*
2- هدايت و ناوبري سيستم هاي خودرويي
*
3- روش هاي اندازه گيري كنترل سيستم ها
*
4- هوش مصنوعي (…, Image processing Pattern recognition )
*
5- ارتباطات و مخابرات زيرآبي
*
6- قدرت و قواي محركه سيستم ها
*
7- طراحي و بهينه سازي طراحي با توجه به محدوديت انرژي
*
8- مديريت انرژي

فعاليت هاي تحقيقاتي اين بخش در سه محور عمده زير پيشنهاد مي گردد

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

كاربرد وسيع اين نوع سيستم ها در امور بازرسي زيرآبي، اكتشاف و فيلمبرداري زيرآبي در سالهاي اخير موجب توسعه طيف وسيعي از اين نوع وسايل گشته است. ROV ها (Remotly operated vehicles) به عنوان پرسابقه ترين عضو اين خانواده وسايلي هستند كه از طريق يك كابل به كشتي مادر متصل بوده و از داخل كشتي كنترل مي شوند. وجود كابل اتصال دهنده كشتي و ROV گرچه مشكلات انتقال سيگنال كنترل، انتقال انرژي و تخليه سريع on.line اطلاعات جمع آوري شده توسط ROV را حل مي كند ليكن خود مشكلاتي را نظير تاثير منفي كابل در كنترل وسيله و يا افزايش احتمال به تله افتادن وسيله را موجب مي گردد. به عنوان نوع پيشرفته تر اين وسايل مي توان از AUV ( Autonomous underwater vehicles ) نام برد. عدم وجود كابل رابط بين كشتي حمايت كننده و AUV موجب مي گردد تا AUV قدرت مانور بيشتري نسبت به ROV داشته باشد هرچند عدم وجود كابل رابط و خوداتكايي ( Autonomy ) اين وسايل پيچيدگي هاي علمي و فناوري زيادي از جمله مديريت بهينه انرژي Image Processing ، Pattrn recognition و مخابرات زيرآبي را سبب مي گردد. آخرين و پيشرفته ترين نسل اين گونه وسايل Robofish ها هستند كه با حذف پروانه ها ( Propellers ) و جايگزيني آنها با نوعي نيروي پيش رانش ماهيچه اي امكان ردگيري و كشف وسيله را بسيار مشكل كرده و از راندمان انرژي بالاتري نيز برخوردارند. اين فناوري علاوه بر پيچيدگي هاي مذكور در خصوص AUV ها از پيچيدگي ويژه تغيير سيستم سنتي پيش رانش برخوردار هستند.

زمينه هاي اصلي تحقيقاتي در اين محور را مي توان به صورت زير برشمرد:

*
1- تحليل هيدروديناميك وسيله و سيستم پيش رانش
*
2- تحليل و طراحي سيستم هاي كنترل و هدايت وسيله
*
3- تحليل اثر كابل رابط ROV بر رفتار ديناميكي و كنترل اين وسايل
*
4- مباحث هوش مصنوعي از جمله Image Processing ، Pattrn recognition
*
5- مباحث ارتباطات زيرآبي
*
6- سيستم هاي جديد پيش رانش

ب) بازوهاي رباتيكي زيرآبي ( Underwater Robotic Manipulators ) :

هزينه گزاف و محدوديت هاي شديد انجام عمليات زيرآبي توسط انسان توجيه بسيار مناسبي براي توسعه فناوري بازوهاي رباتيكي زيرآبي ايجاد نموده است. اين سيستم ها در حال حاضر وظايفي نظير جوشكاري در زيرآب، نصب آندهاي قرباني شونده، شستشوي بدنه كشتي ها، لوله گذاري بستر درياها، همكاري در عمليات نجات زيرآبي و ... را به عهده مي گيرند و با پيشرفت روزافزون اين سيستم ها كاربرد آنها دائماً در حال افزايش است. بازوهاي رباتيكي زيرآبي نظير نوع صنعتي و زميني (Earth bounded maniulators) در دو شكل سري manipulators ) ( Serial و موازي ( Parallel manipulators ) استفاده مي شوند. آنچه فناوري بازوهاي رباتيكي دريايي را به طور مشخص از سيستم هاي مشابه زميني متمايز مي سازد دو مشخصه عدم وجود پايه ثابت براي بازو و نيز مشكلات ناشي از محيط سخت دريا مي باشد. عدم وجود پايه ثابت براي بازو موجب مي گردد تا كنترل سيستم به مراتب مشكل تر از نمونه هاي زميني شود. از سوي ديگر محيط سخت دريا پيچيدگي هاي فناوري در ساخت اين بازوها را سبب مي شود. زمينه هاي اصلي تحقيقاتي اين محور عبارتند از :

*
1- تحليل ديناميكي و كنترل رباتهاي شناور ( Free Floating manipulators )
*
2- تحليل ديناميكي و كنترل رباتهاي همكار با پايه ثابت
*
3- طراحي و ساخت رباتهاي دريايي (مناسب كار در محيط سخت دريا)
*
4- طراحي و ساخت رباتهاي موازي معلق به منظور انجام عمليات سنگين دريايي
*
5- تحليل ديناميكي و طراحي سيستم هاي كنترل رباتهاي شناور همكار
(Cooprative free floating manipulators)

ج) سيمولاتورهاي دريايي :

امروزه سيمولاتورها در صنايع مختلف كاربردهاي وسيع آموزشي و طراحي پيدا كرده اند. كاهش هزينه و خطر آموزش و نيز قابليت برنامه ريزي و تكرارپذيري انجام مانورهاي مختلف و نيز امكان ثبت دقيق عملكرد هنرجو از جمله مزاياي سيمولاتورها در امر آموزش به شمار مي روند. از سوي ديگر سيمولاتورها ابزار مناسبي براي مشابه سازي رفتار سيستم به منظور طراحي و بهينه سازي هستند. استفاده آزمايشگاهي از سيمولاتورها به منظور بازسازي شرايط حركت امواج در دريا از ديگر كاربردهاي سيمولاتورهاست. زمينه هاي اصلي تحقيقاتي در اين محور عبارتند از :

*
- طراحي و ساخت سيستم هاي رباتيك موازي
*
- مشابه سازي عددي حركت امواج
*
- تحليل ديناميكي شناورها در دريا و تعيين توابع تبديل
*
- ابزار دقيق وسايل دريايي
*
- هدايت و ناوبري
*
- تحليل ديناميك و كنترل سيستم هاي رباتيكي
*
- مباحث هوش مصنوعي نظير Vision ، توليد مصنوعي صوت
*
- معماري سيستم هاي كامپيوتري همكار در زمان

2- ديناميك و ارتعاشات سازه هاي دريايي

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

امروزه تعداد قابل توجهي از اجسام صلب كوچك و بزرگ به صور مختلف از طريق خطوط مهار و لنگرهاي متنوع در دريا مهار شده اند. از جمله اين سيستم ها مي توان به انواع بويه هاي كوچك هواشناسي و اقيانوس شناسي، بويه هاي راهنما ( Marker ) ، سكوهاي كوچك دريايي، سكوهاي بزرگ نفتي و ... اشاره نمود. غالب اين سيستم ها اگر در نقاط عميق درياها مستقر باشند از طريق يك خط مهار تركيبي با تعدادي بويه غوطه ور در محل لنگر شده اند. بررسي اثرات ديناميكي حركت خط مهار و مجموعه بويه هاي غوطه ور اهميت بسيار زيادي در طراحي خط مهار و سيستم لنگر دارد. اهم موضوع مورد علاقه جهت مطالعه در اين بخش عبارتند از

*
- تحليل ديناميكي بويه هاي مهار شده با استفاده از بويه هاي غوطه ور
*
- تحليل ديناميكي بويه ها و سيستم هاي با مهار چندگانه (TLP)
*
- تحليل ديناميكي سيستم هاي شناورهاي مهار شده متصل به يكديگر
*
- تجزيه و تحليل اثر ديناميك كابل و بويه بر موج نگاري
*
- تحليل ديناميك ROV هاي بدون موتور

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

عبور سيال از كنار اجسام غوطه ور نظير كابل ها و لوله ها موجب انتقال انرژي به آنها شده و متقابلاٌ ارتعاشات اين سيستم ها مي تواند موجب تاثير بر بار اعمالي به آنها گرددم. مجموعه متقابل تاثير اين دو بر يكديگر در پاره اي از موارد منجر به بروز ارتعاشات شديد و حتي در موارد شكست لوله هاي خطوط مهار مي گردد. امروزه اين زمينه بعنوان يكي از بحث هاي 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 مي باشند:

*
- مطالعه اثر جريانهاي آب بر خطوط مهار
*
- مطالعه اثر جريانهاي خارجي بر ديناميك خطوط لوله زير آبي
*
- مطالعه اثر جريانهاي داخلي و خارجي بر خطوط لوله هاي زير آبي
*
- مطالعه رفتار اثر متقابل تلاطم سيال و ديناميك سازه ها Liquid Slashing

برنامه هاي چهارساله تحقيقاتي گروه ديناميك و رباتيك

*
1- طراحي و ساخت دو ربات صفحه اي همكار
*
2- طراحي و ساخت يك ربات شناور (قابل نصب روي ROV )
*
3- تحليل ديناميكي رفتار يك بويه با خط مهار بلند (وجود حداقل 2 بويه غوطه ور)
*
4- تحليل ديناميك و طراحي كنتور ROV با توجه به وجود كابل
*
5- طراحي و ساخت سيمولاتور يك شناور زير سطحي

در راستاي اين برنامه دو موضوع

*
- طراحي و ساخت يك سيمولاتور موج به سه درجه آزادي
*
- طراحي و ساخت دو بازوهاي همكار صفحه اي

در گروه تعريف و شروع شده است. موضوع اول در قالب يك طرح پژوهشي و موضوع دوم در قالب چند پروژه كارشناسي ارشد دنبال مي شوند.