محاسبه و انتخاب موتور و چرخ مناسب برای ربات

وقتی میخواهیم یک ربات حرکتی اعم از ربات های تعقیب خط، حل ماز، آتش نشان، فوتبالیست و … طراحی کنیم، اولین ابهامی که در تهیه وسایل مورد نیاز برای دانشجویان مطرح می شود، این است که از چه موتوری استفاده کنید ؟

بدنبال این ابهام سوال دیگری نیز پیش می آید، چه چرخی برای ربات در نظر بگریم؟

برای انتخاب موتور مناسب باید موارد متعددی را در نظر بگیریم . ما به چند عامل مهم که کمک می کند با یک محاسبه سریع موتور مناسبی را انتخاب کنیم اشاره می نماییم:

1- سرعت مورد نظر برای ربات:

سرعتی که در نهایت انتظار دارید ربات شما به آن برسد، تعیین کننده قطر چرخ و سرعت گردش موتور است. زیرا حاصلضرب سرعت گردش موتور- که برحسب RPM (دور بر دقیقه) بیان می شود- در محیط چرخ، سرعت ربات را بر حسب سانتی متر بر دقیقه مشخص می کند.

2- وزن ربات:

عامل دیگری که در انتخاب موتور و چرخ ها باید در نظر گرفته شود، وزن ربات نهایی است. چرا که هر چه وزن ربات بیشتر باشد، اصطکاک چرخ ها با سطح نیز بیشتر شده و همچنین گشتاور بیشتری برای به حرکت درآورد ربات مورد نیاز خواهد بود.

3- ولتاژ :

ولتاژ کاری ربات عامل مهم دیگری است که قبل از انتخاب موتور باید در مورد آن تصمیم گرفته شود. برای مثال در صورتی که ربات از باتری های 6 ولتی استفاده کرده اید، باید موتوری که تهیه می کنید نیز 6 ولت باشد.

نحوه محاسبه:

برای محاسبه دور موتور از رابطه زیر استفاده می کنیم:

که در آن :

V سرعت لازم برای ربات بر حسب متر بر ثانیه

D قطر چرخ بر حسب سانتیمتر

n سرعت موتور بر حسب دور بر دقیقه (RPM )

به عنوان مثال اگر برای ربات مسیر یاب سرعتی حدود 0.2 متر برثانیه (در هر ثانیه 20 سانتی متر را طی کند) نیاز داشته باشیم،  اگر از چرخ هایی با قطر 3.5 سانتیمتر استفاده کنیم سرعت لازم  موتور مطابق فرمول بالا به این شکل بدست می آید:

اما گاهی موتوری که داریم دارای سرعتی بیشتر یا کمتر از این مقدار است. اگر موتور سرعتی بیش از مقدار لازم داشت با استفاده از روش هایی (مثلا کاهش ولتاژ یا PWM) می توان سرعت آن را کم کرد اما هنگامی که سرعت لازم بیشتر از سرعت موتور باشد می توان از چرخ های بزرگتری استفاده کرد اما اگر چنین کاری انجام دادیم باید چک کنیم تا ببینیم که گشتاور مورد نیاز از گشتاوری که موتور تولید می کند بیشتر نباشد. برای این کار از روابطی استفاده میکنیم که در ادامه خواهد آمد.

برای درک بهتر گشتاور یک میله بلند و تقریبا سبک را فرض کنید. اگر میله را طوری بلند کنید که دست شما تقریبا وسط میله باشد شما به راحتی می توانید میله را در راستای افق نگه دارید اما اگر میله را از یک طرف نگهدارید می بیند که برای اینکه آن را در راستای افق نگه دارید دچار مشکل می شوید. اما سوال اینجاست که وزن میله که تغییر نکرده است پس چه چیزی باعث می شود که انجام این کار برای ما سخت شود؟ آنچه که اتفاق افتاده این است که با دور شدن مرکز ثقل میله از دست ما فشار بیشتری به ما وارد میشود به همین دلیل علاوه بر نیرو(وزن)  فاصله نیرو (وزن میله) تا تکیه گاه (دست ما )  نیز اهمیت دارد بنابر این برای راحتی کار از حاصلضرب این دو(نیرو و فاصله) به عنوان ویژگی مد نظر استفاده می کنیم که آن را گشتاور می نامند.

بنابراین موتوری که استفاده می کنیم باید گشتاور مناسبی تولید کند. گشتاور لازم برای ربات از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن :

m  جرم ربات بر حسب کیلوگرم.

D قطر چرخ بر حسب سانتی متر

k  ضریب اصطکاک بین چرخ و زمین که معمولا 0.5 تا 0.7 است.

P تعداد موتور های حرکت دهنده ربات

T گشتاور مورد نیاز بر حسب کیلوگرم سانتیمتر

در مثال بالا  اگر جرم ربات 1 کیلو گرم باشد و از دو موتور استفاده کنیم گشتاور مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می شود:

پس گشتاور مورد نیاز 0.62 کیلوگرم سانتیمتر است.

باید دقت کنید که همیشه تلفات ناشی از اصطکاک را داریم بنابر این بهتر است حدود گشتاور را 20 در صد بیشتر بگیرید یعنی :

T’=T×(1+0.2)=0.62×1.2=0.76