ربات هایی که در مناطق لرزه ای فعالیت می کنند با چالش های منحصر به فرد به دلیل حرکات زمین غیر قابل پیش بینی و شدید در طول زلزله مواجه هستند.ساختارهایی که می توانند در برابر این شرایط مقاومت کنند برای اطمینان از ایمنی و عملکرد سیستم های رباتیک در چنین محیط هایی حیاتی است.این مقاله استراتژی های طراحی ساختاری قوی را بررسی می کند که برای ربات ها در مناطق لرزه ای کار می کنند، و اصول مهندسی عمران، علوم و mechatronic ها را برای ارائه راهنمایی های عملی برای طراحان و مهندسان به کار می رسانند.

درک خطرات Seismic برای ربات ها

فعالیت Seismic باعث ایجاد لرزش زمین می شود که در دامنه، فرکانس و مدت زمان متغیر است. پارامترهای کلیدی شامل شتاب زمین اوج (PGA)، سرعت زمین (PGV)، و محتوای طیفی از حرکت است که روبات های مستقر در مناطق مستعد زلزله - مانند واحدهای جستجو و نجات، بازرسی ساختاری، یا دستکاری کنندگان صنعتی تلفن همراه - باید با محدودیت های طراحی ارتعاشی که نمی توانند از آن استفاده کنند (اگر از خرابی ساختاری یا خرابی های اولیه باشد).

بر خلاف ساختمان ها، ربات ها اغلب نسبت های مرکزی به پا دارند، مناطق پایه محدود و مفصل های پیچیده بیان شده است.این ویژگی ها آنها را به ویژه در برابر صخره ها آسیب پذیر می کند و لحظات ناشی از امواج لرزه ای را به آن ها می فرستد.به علاوه، ربات هایی که بر روی زمین های ناهموار یا مایع کار می کنند ممکن است با حل و فصل یا از دست دادن کشش مواجه شوند.

اصول اصلی طراحی رباتیک Seismic-Resistant Robotic Design

چندین استراتژی طراحی ساختاری در کاهش ریسک های لرزه ای موثر بوده است، این استراتژی ها از مهندسی زلزله برای ساختمان ها و پل ها قرض می گیرند اما با محدودیت های منحصر به فرد سیستم های رباتیک، از جمله محدودیت های وزن، الزامات تحرک و نیاز به دقت سازگار هستند.

پایگاه Isolation و مشترکان انعطاف پذیر

پایه عایق ها ابرساختار ربات را از حرکت زمینی جدا می کنند، با استفاده از یاتاقان های elastomeric، صفحات کشویی یا واحدهای Spring-damper برای تغییر فرکانس های طبیعی از فرکانس های غالب زمین لرزه ها، مفاصل انعطاف پذیر در رابط بین شاسی و چرخ ها یا آهنگ ها می توانند یک هدف مشابه را ارائه دهند.با اجازه دادن به حرکت نسبی کنترل شده، این عوامل باید سرعت انتقال یافته در برابر ساختار و تعادل ساختاری را کاهش دهند.

کاهش انرژی و دامپینگ

اضافه کردن عناصر مرطوب کننده – پدهای الکتروکارستیک، مرطوب کننده های مایع یا مرطوب کننده های اصطکاک – با ساختار ربات انرژی حرکتی را از ارتعاشات لرزه ای پراکنده می کند، به عنوان مثال جلوگیری از نوسانات بزرگ، تزریق لاستیک های با آسیب بالا در کادر اصلی یا مرطوب کننده های توده ای تنظیم شده (TMD) به طور استراتژیک در مکان هایی که مستعد لرزش هستند قرار می گیرد، می تواند سطح فشرده سازی را کاهش دهد و یا ربات ها را در سطوح پیاده روی کند.

قابلیت های دوگانه و مواد بازگشتی

دو تحرک - توانایی تحت تاثیر قرار دادن تغییر شکل های پلاستیکی بزرگ بدون شکستگی - یک ویژگی کلیدی برای انعطاف پذیری لرزه ای است.ساختارهای رباتیک ساخته شده از فلزات با سرعت بالا مانند آلیاژهای آلومینیوم یا فولادهای تخصصی می توانند انرژی را از طریق عملکرد قبل از شکست جذب کنند: کامپوزیت با تقویت کربن می تواند برای ارائه قدرت بالا در تنش در حالی که حفظ کانال های تحرک در ماتریس جدید مانند اتصالات لوله کش (F) باید اطمینان حاصل شود که ما نمی کنیم.

عدم تقارن ساختاری و پیچیدگی

طرح های متقارن و جمع آوری، پاسخ های تند و تمرکز استرس را در طول لرزش زمین کاهش می دهد. ربات های نامتقارن تمایل به حرکت بعدی-سرورها را دارند، که می تواند یک طرف از ساختار را اضافه کند و مرکز توده کم و هماهنگ با مرکز هندسی از رد پای پایه به حداقل رساندن لحظات بازگشت.

مدل سازی پیشرفته محاسباتی و شبیه سازی

تجزیه و تحلیل عناصر Finite (FEA) و شبیه سازی های چند بدن برای پیش بینی اینکه چگونه یک ربات تحت بارهای لرزه ای رفتار می کند ضروری است.مدل ها باید شامل سوابق حرکت زمینی واقع گرایانه (به عنوان مثال، از PEER زمین لرزه] و تجزیه و تحلیل زمان طبیعی آنها را ارزیابی کنند.

برای ربات های موبایل، شبیه سازی همچنین باید شرایط تغییر تماس را در نظر بگیرد – چرخ ها یا پاها ممکن است در هنگام لرزش تماس با زمین را از دست بدهند و به دست آورند، که منجر به پریدن یا اسلاید می شود. Co-simulation با مدل های سیستم کنترل می تواند تعاملات بین دینامیک ساختاری و اصلاحات حرکتی در زمان واقعی را آشکار کند.

نظارت بر زمان واقعی و کنترل تطبیقی

سیستم های کنترل فعال می توانند توانایی ربات را برای زنده ماندن در زلزله افزایش دهند. Onboard accelerometers و ژیروسکوپها شروع حرکت قوی زمینی را تشخیص می دهند و اقدامات حفاظتی از پیش برنامه ریزی شده را افزایش می دهند: کم کردن مرکز جاذبه، قفل کردن مفاصل یا استقرار الگوریتم های اتصالی انبوه، الگوریتم های پیشرفته از سرعت اندازه گیری شده برای پیش بینی پاسخ ربات و تنظیم واکنش های امن یا تنظیم زمان برای هماهنگ کردن دستگاه های نیمه فعال استفاده می کنند.

بازخورد از سیستم نظارت بر سلامت ساختاری نیز می تواند پس از وقفه برای ارزیابی آسیب ها استفاده شود.رابین و سنسورهای جابجایی در اعضای بحرانی داده هایی را برای بررسی های سریع یکپارچگی سریع فراهم می کند، و ربات را قادر می سازد تا تنها در صورتی که در محدوده امن باقی بماند، به ادغام با شبکه های لرزه ای خارجی (به عنوان مثال، ShakeAlert) اجازه می دهد تا ربات ها قبل از لرزش قوی، هشدار های اولیه دریافت کنند، زمان محافظ را در نظر بگیرند.

پروتکل های تعمیر و نگهداری و تست

انعطاف پذیری Seismic یک ویژگی طراحی یک بار نیست؛ باید در طول چرخه عمر ربات حفظ شود. بازرسی های بصری منظم برای ترک ها، خوردگی یا اتصالات شل پس از هر رویداد لرزه ای قابل توجه اجباری هستند. تست ارتعاشی با استفاده از لرزش های قابل حمل می تواند تایید کند که عناصر مرطوب کننده و ایزوبول ها هنوز در مشخصاتی انجام می دهند.

تست جدول لرزش کامل – جایی که ربات تحت تاثیر قرار گرفته یا حرکات زمینی مصنوعی – استاندارد طلایی برای اعتبار سنجی است. امکانات مانند Network for Earthquake Engineering شبیه سازی (NEES) استفاده شده است و سپس مدل های رباتیک بزرگ را آزمایش می کند.

مطالعات موردی: ربات ها در عمل در طول زلزله

چندین برنامه کاربردی در دنیای واقعی بر اهمیت طراحی لرزه ای تأکید می کنند، به عنوان مثال، روبات های ردیابی شده پس از زلزله 2011 ⁇ نیاز به شاسی تقویت شده برای حرکت در روبیبل بدون فروپاشی تحت وزن زباله های زلزله، نمونه دیگر استفاده از هواپیماهای بدون شبیه سازی شده برای بازرسی سریع از پل ها و ساختمان ها پس از حوادث لرزه؛ این هواپیماهای بدون نیاز به دوربین های لرزش زده دارند تا تصاویر روشن را در طول تحقیقات کم نظیر "زمین های بدن در ثبات و "پایگان" مانند "زمین های بدن در ثبات در بدن "پایگاه های پایین "، ".

ربات های صنعتی که در گیاهان نیمه هادی ساخته شده اند – که اغلب در مناطق فعال از نظر لرزه ای مانند ژاپن یا کالیفرنیا قرار دارند – بر روی پایه ایزوبولاتورها نصب شده اند و به طور خاص سلاح های بیان شده ای را طراحی کرده اند که می توانند شتاب افقی را تا 1.0 گرم بدون از دست دادن تراز، مقاومت کنند، این تاسیسات امکان ترکیب عملیات با انعطاف پذیری بالا را نشان می دهند.

نتیجه گیری

طراحی ربات ها برای مناطق لرزه ای نیازمند رویکردی جامع است که ترکیبی از استراتژی های ساختاری انعطاف پذیر، مرطوب کننده و انعطاف پذیر است. پیاده سازی این اقدامات ایمنی، دوام و قابلیت اطمینان عملیاتی سیستم های رباتیک در مناطق پیشرفته زلزله، و نظارت واقعی است که در نهایت حمایت از نقش های حیاتی خود در جستجو و نجات، بازرسی زیرساخت ها، اتوماسیون صنعتی و اکتشاف علمی با استفاده از اصول مهندسی زلزله، ابزارهای پیشرفته، و نظارت واقعی، تنها زمانی است که آنها می توانند به کار خود ادامه دهند.