مقدمه

مکاترونیک یک رشته نسبتا نوظهور، آینده دار و مهم تر از همه، بین رشته‌ای است که به ادغام فناوری‌های مختلف برای ایجاد سیستم‌های پیچیده و هوشمند می‌پردازد. این رشته شامل زمینه‌های زیر است:

1.مهندسی مکانیک: طراحی و تحلیل اجزای مکانیکی، از جمله سیستم‌های حرکتی و سازه‌ها. همانند موتورها و بازوهای محرک

2. مهندسی الکترونیک: کار با مدارهای الکترونیکی، حسگرها و عملگرها برای کنترل و پردازش اطلاعات. مانند مدارهای کنترلر

3. مهندسی نرم‌افزار (کامپیوتر): برنامه‌نویسی و توسعه نرم‌افزارهای کنترلی و هوش مصنوعی برای مدیریت و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها. برای مثال نوشتن الگوریتم های متفاوت

4. کنترل و اتوماسیون: استفاده از الگوریتم‌ها و سیستم‌های کنترلی برای نظارت و بهینه‌سازی فرآیندها.

در این مقاله ابتدا در مورد کاربردهای این رشته و سپس در مورد نقش هر رشته زمینه در مکاترونیک می خوانیم. پس از آن یکی از مهم ترین سیستم ها در علم مکاترونیک را بررسی می کنیم و تاثیر هر رشته در آن را متوجه می شویم. در آخر نیز به معرفی برخی از نرم افزار های علم مکاترونیک می پردازیم.

 کاربردهای مکاترونیک

مکاترونیک در بسیاری از صنایع و زمینه‌ها کاربرد دارد، اما کاربردهای مکاترونیک با توجه به اینکه زمینه کدام رشته پررنگتر باشد، متفاوت است. برای مثال یکی از کاربرد های این رشته در علم رباتیک است که در زمینه های خدمت رسانی، مصارف خانگی و مصارف صنعتی به کاربران خود کمک می کنند.

از دیگر کاربردهای مکاترونیک و پیوند های آن با صنعت می توان اشاره کرد به:

- سیستم‌های حمل و نقل: اتومبیل‌های خودران و سیستم‌های حمل و نقل هوشمند.

- تولید خودکار: خطوط تولید هوشمند(SM) با استفاده از IOT (اینترنت اشیا) و سیستم‌های کنترل کیفیتQC

- سیستم‌های پزشکی: دستگاه‌های پزشکی پیشرفته مانند جراحی رباتیک.

مطرح شد که پررنگتر شدن هر زمینه در مهندسی مکاترونیک، می تواند باعث علی الخصوص تر شدن کاربرد این رشته شود. حال استفاده از مهندسی الکترونیک در کاربردهای مهندسی مکاترونیک به چه شکل است؟ 

1. ربات‌های صنعتی: با استفاده از حسگرها و مدارهای الکترونیکی برای کنترل حرکات و عملکردهای ربات‌ها در خط تولید و برنامه نویسی میکروپروسسورها و میکرو کنترلر ها و طراحی و تولید مدارهای متناسب با آنها، نقش برجسته مکاترونیک معین و رویکرد الکترونیک با صنعت رباتیک پیوندی ناگسستنی تشکیل می دهد.

2. سیستم‌های اتوماسیون خانگی: طراحی و پیاده‌سازی کنترل‌کننده‌های هوشمند برای مدیریت روشنایی، دما و امنیت و طراحی نحوه قرارگیری سنسورها و انواع آنها و ارتباط آنها با کنترلر توسط متخصصین مکاترونیکی که آشنایی کاملی بر الکترونیک دارند صورت می گیرد.

3. دستگاه‌های پزشکی: ساخت دستگاه‌های تشخیصی و درمانی مانند اسکنرهای MRI که به حسگرها و سیستم‌های کنترل الکترونیکی وابسته‌اند. مثال MRI از پیچیده ترین دستگاه های پزشکی میباشد که از بخش های حرکتی-مکانیکی و الکترومغناطیسی تشکیل شده که علم مکاترونیک بخش قابل توجهی از آن را شامل می شود.

4. وسایل نقلیه خودران: به کارگیری حسگرها، دوربین‌ها و سیستم‌های پردازش داده برای جمع‌آوری اطلاعات و هدایت خودرو.

5. تکنولوژی های هوشمند نظامی :توسعه ادوات الکترونیکی هوشمند مانند پهپادها که به حسگرها و سیستم‌های کنترلی پیشرفته نیاز دارند و علاوه بر مبحث مکانیکی پرواز و حرکت، نیازمند ارتباطات الکترونیکی و کنترل از راه دور هستند.

برای استفاده از مهندسی مکانیک در کاربردهای مکاترونیک نیز می توان به مکانیک رباتهای صنعتی، سیستم های محرکه و مکانیزم های حرکتی، کنترل سیستم های خودکار (Fuzzy Logic,PID) و ساخت اجزای مکانیکی دستگاه های پزشکی مانند تخت متحرک سی تی اسکن اشاره کرد.

سیستم‌های کنترل

پیشتر درمورد کنترل صحبت شد که از مهم ترین کاربردهای رشته های زمینه مکاترونیک است. سیستم‌های کنترل به ‌منظور حفظ خروجی‌های یک سیستم در سطح مطلوب طراحی می‌شوند. این خروجی‌ها می‌توانند شامل دما، فشار، سرعت و موقعیت باشند. علم الکترونیک، مکانیک و مهندسی نرم افزار مبحث کنترل را بوجود آورده و هریک از آنها کنترل را به نحو خود توسعه می دهند.

کنترل PID: کنترل‌کننده‌های PID (Proportional, Integral, Derivative) برای تنظیم دقیق پارامترها مانند موقعیت، سرعت و گشتاور در ربات‌ها و ماشین‌آلات صنعتی استفاده می‌شوند. این کنترل‌کننده‌ها می‌توانند به صورت خودکار تغییرات را تنظیم کنند تا عملکرد سیستم بهینه شود.

کنترل پیشرفته: استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته مانند کنترل‌کننده‌های فازی و کنترل مدل پیش‌بینی (MPC) برای سیستم‌های پیچیده‌تر که نیاز به تصمیم‌گیری در زمان واقعی دارند.

مهندسین الکترونیک مسئول طراحی و توسعه سنسورها (برای جمع‌آوری داده) و عملگرها (برای اعمال کنترل) هستند. این ابزارها اطلاعات دقیق و آنی از وضعیت سیستم را فراهم می‌کنند. آنها همچنین مدارهای کنترلی، شامل میکروکنترلرها و سیستم‌های دیجیتالی را طراحی می‌کنند که الگوریتم‌های کنترلی را پیاده‌سازی ‌کنند. در کنترل پیشرفته، تبادل اطلاعات بین اجزای مختلف سیستم ضروری است. الکترونیک به طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های ارتباطی برای انتقال داده‌ها کمک می‌کند.

مهندسان مکانیک به تحلیل و مدل‌سازی دینامیک سیستم‌های فیزیکی می‌پردازند. این شامل شبیه‌سازی رفتار مکانیکی و نیروهای اعمالی در سیستم است. آنها مسئول طراحی مکانیزم‌ها و سازه‌هایی هستند که در سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شوند، مانند ربات‌ها و سیستم‌های خودکار. در سیستم‌هایی که نیاز به کنترل دقیق حرکت دارند، مهندسان مکانیک الگوریتم‌های کنترلی را برای کنترل حرکت و موقعیت اعمال می‌کنند.

البته که در هر کدام ازین کاربردها آشنایی مهندسین و متخصصین با رشته های مرتبط بسیار تعیین کننده است، تا جایی که برنامه نویسی هر رشته می تواند هم توسط مهندس آن رشته و هم توسط مهندس نرم افزار مسلط به رشته مربوطه انجام شود.

نرم‌افزارهای مرتبط با رشته مکاترونیک

نرم‌افزارهای مرتبط با رشته مکاترونیک به طور گسترده‌ای برای طراحی، شبیه‌سازی، کنترل و تحلیل سیستم‌های مکاترونیکی استفاده می‌شوند. برخی از زبان های برنامه نویسی و نرم افزار های مرتبط با مکاترونیک در زیر آمده است:

-MATLAB تحلیل داده‌ها، مدل‌سازی ریاضی و طراحی الگوریتم‌ها

-Simulink شبیه‌سازی سیستم‌های دینامیکی و طراحی سیستم‌های کنترل

LabVIEW- طراحی و کنترل سیستم‌های اندازه‌گیری و تست. این نرم‌افزار به طور گسترده در کنترل صنعتی و سیستم‌های آزمایشگاهی استفاده می‌شود.

SolidWorks- نرم‌افزار CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) که برای طراحی مکانیکی و مدلسازی سه‌بعدی اجزا و سیستم‌ها کاربرد دارد. این نرم‌افزار می‌تواند با نرم‌افزارهای شبیه‌سازی دیگر یکپارچه شود.

AutoCAD- یکی دیگر از نرم‌افزارهای CAD که برای طراحی دو بعدی و سه بعدی سیستم‌های مکانیکی و الکترونیکی استفاده می‌شود.

COMSOL Multiphysics- نرم‌افزاری برای شبیه‌سازی فیزیکی که می‌تواند برای تحلیل‌های چند فیزیک مانند الکتروترمومکانیک و دینامیک سیالات استفاده شود.

 - PSpice -LTSpiceنرم‌افزارهای شبیه‌سازی مدارهای الکترونیکی برای تحلیل و طراحی مدارهای الکترونیکی

Solid Edge- نرم‌افزار CAD که برای طراحی سه‌بعدی و تحلیل‌های مکانیکی استفاده می‌شود.

ANSYS- نرم‌افزاری برای تحلیل المان محدود (FEA) که برای بررسی استحکام و رفتار مکانیکی اجزا استفاده می‌شود.

CODESYS- یک نرم‌افزار برای برنامه‌نویسی و کنترل سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، به ویژه در کنترل PLC.

Arduino IDE- محیط برنامه‌نویسی برای میکروکنترلرهای Arduino

-Python به عنوان زبان برنامه‌نویسی برای توسعه الگوریتم‌ها و OpenCV برای پردازش تصویر در پروژه‌های بینایی ماشین.