پلتفرم استوارت

تعریف مکانیزم استوارت

آنچه امروزه به عنوان مکانیزم استوارت تعمیم یافته شناخته می‌شود، شامل دو جسم صلب است که با شش بازو با مفاصل کروی در دو طرف یا کروی در یک طرف و مفصل دو محوره در طرف دیگر، به یکدیگر متصل هستند.
به‌طور عمومی یک مکانیزم استوارت تعمیم یافته شامل دو جسم صلب است که با شش قید هندسی به یکدیگر متصل شده‌اند. یکی از این اجسام صلب پایه خوانده می‌شود و ثابت است و جسم صلب دیگر سکوی متحرک خوانده شده و از روی مقادیر شش قید قابل جانمایی است.
لذا مکانیزم استوارت تعمیم یافته را می‌توان در چهار کلاس زیر دسته‌بندی کرد:
۳D3A: سه قید طولی و سه قید زاویه‌ای
۴D2A: چهار قید طولی و دو قید زاویه‌ای
۵D1A: پنج قید طولی و یک قید زاویه‌ای
۶D: شش قید طولی
قابل ذکر است که نمی‌توان بیش از سه قید زاویه‌ای در نظر گرفت زیرا هر جسم صلب حداکثر می‌تواند سه قید زاویه‌ای داشته باشد تا جهتش تعیین گردد. تعداد ۱۱۲۰ نوع مکانیزم گو-استوارت از کلاس ۳D3A، ۱۲۶۰ نوع از کلاس ۴D2A، ۱۰۰۸ نوع از کلاس ۵D1A و ۴۶۲ نوع از کلاس ۶D می‌توان طراحی نمود. در کل ۳۸۵۰ نوع مختلف مکانیزم استوارت وجود دارد.

تاریخچه

سکوی اولیهٔ طراحی شده توسط آقای استوارت شامل یک سکوی مثلثی شکل بوده‌است که به وسیلهٔ مفاصل کروی روی سه بازو نگه‌داری می‌شد. این سه بازو دارای قابلیت تنظیم طول و ارتفاع زاویه‌ای بوده که به وسیلهٔ مفصل‌های دو محوره (مفصل یونیورسال) به زمین متصل می‌شدند. پس از آن، گو پیشنهاد نمود از شش عملگر خطی به صورت موازی استفاده شود و سکو را به یک مکانیزم کاملاً موازی تبدیل نمود. بعدها Hunt پیشنهاد استفاده از مکانیزم‌های موازی تحریک شده مثل شبیه‌ساز پرواز استوارت را به عنوان ربات‌های کنترل شونده داد.
اگرچه گو (Gough) اولین کسی بود که یک نمونهٔ کارآمد ربات موازی را طراحی کرد، اما هگزاپدها پیش از آن نیز مشهور بودند. سیستم‌هایی از این نوع تحت نام (MAST:Multi Simulation Shake Table) با پایه‌های عمود، در کاربردهای تست ارتعاشات و زلزله به کار گرفته می‌شدند.
اما استفاده از این نوع مکانیزم‌ها تنها وقتی اولین شبیه‌ساز پرواز ساخته شد، فراگیر شد. در سال ۱۹۶۰، با توسعهٔ صنعت هوافضا و افزایش هزینهٔ آموزش خلبان‌ها و نیز نیاز به تست قطعات قبل از پرواز، محققان بر آن شدند تا مکانیزمی با چندین درجه آزادی برای شبیه‌سازی بارها و دینامیک‌های سنگین (مثل کل کابین خلبان یک هواپیما) طراحی کنند.
در سال ۱۹۶۵، استوارت پیشنهاد کرد شبیه‌ساز باید با مکانیزمی که در شکل ۴ نشان داده شده‌است، نصب گردد. اگرچه مقالهٔ استوارت در توسعهٔ شبیه‌سازهای پرواز مفید بود ولی بعدها مهندسی از مؤسسهٔ فرانکلین (Franklin Institute) به نام کلاس کاپل (Klaus Cappel) مأموریتی برای بهبود MASTهای موجود دریافت کرد و به یک ساختار شش پایه‌ای شبیه گو رسید. این دستگاه در سال ۱۹۶۷به عنوان اختراع ثبت شد. بعدها حقوق این اختراع توسط CAE که یک کمپانی پیشرو در شبیه‌سازی پرواز بود نقض شد اما در نهایت وکلای مؤسسهٔ فرانکلین موفق بودند.

شبیه سازها

از مهم‌ترین و موفق‌ترین کاربردهای مکانیزم استوارت می‌توان به کاربرد آن در انواع مختلف شبیه سازها اشاره کرد. در واقع استوارت نیز اولین پیشنهاد خود را به منظور به‌کارگیری در فرایند شبیه سازی پرواز ارائه داد. پس از اولین پیشنهاد وی، شرکت‌های مختلفی از سکوی استوارت در انواع مختلف شبیه ساز از جمله شبیه سازهای پرواز، خودرو و انواع شناورها استفاده کردند.
در شبیه سازی پرواز، کل کابین خلبان به صورت واقعی بر روی مکانیزم استوارت قرار داده می‌شود و شتاب‌ها و بارهایی که در یک پرواز واقعی بر خلبان وارد می‌شود، در این فرایند شبیه سازی از طرف مکانیزم به کابین و در نتیجه به خلبان وارد می‌شود. انتقال حس پرواز واقعی به خلبان و شبیه سازی شرایط پرواز واقعی برای وی موجب تسهیل فرایند آموزش و تقویت مهارت‌های خلبان می‌شود. همچنین با به‌کارگیری تکنیک‌های نرم‌افزاری و گرافیکی می‌توان محیط واقعی را از جنبه‌های بصری و صوتی نیز برای خلبان شبیه سازی کرد. از جمله شرکت‌هایی که از مکانیزم استوارت برای شبیه سازی پرواز استفاده کرده‌اند می‌توان به شرکت کانادایی CAE، شرکت آمریکایی Frasca و شرکت هواپیمایی لوفت هانزا اشاره کرد.

مکانیزم‌های نشانه روی

از مکانیزم استوارت می‌توان برای موقعیت دهی و تنظیم جهت‌گیری محموله‌ای که بر روی آن قرار دارد استفاده نمود. این محموله می‌تواند یک آنتن باشد که برای دریافت سیگنال‌های صادره از یک ماهواره نزدیک زمین می‌بایست آن را تعقیب کند یا یک دوربین که برای مشاهده یک هدف متحرک بایستی حرکت همواری داشته باشد. در انواع رادارها نیز برای اسکن کامل فضای اطراف می‌توان از این مکانیزم بهره‌برداری کرد.

ربات‌های کمک جراح

استفاده از سامانه‌ای رباتیکی به منظور استفاده در فرایندهای پزشکی و جراحی مدت‌هاست که مورد توجه تیم‌های تحقیقاتی مختلفی در سراسر جهان قرار دارد. این ربات‌ها می‌توانند به عنوان جراح یا کمک جراح در اعمال جراحی پیچیده مورد استفاده قرار گیرند. مکانیزم استوارت به عنوان واسط نگهدارنده و هدایت‌کننده ابزار جراحی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می‌توان به قرار دادن آن بر روی یک مکانیزم سریال، محدوده حرکتی آن را افزایش داد.

سیستم‌های ماشینکاری چند محوره

از جمله کاربردهایی مکانیزم استوارت، می‌توان به به‌کارگیری آن به عنوان نگهدارنده ابزار یا قطعه در فرایندهای ماشینکاری دقیق اشاره نمود. در این کاربردها، ابزار ماشینکاری با استفاده از یک مکانیزم استوارت به قطعه کار نزدیک شده و با جهت‌گیری کنترل شده‌ای که توسط مکانیزم اعمال می‌شود، فرایند ماشینکاری دقیق صورت گرفته و ایجاد منحنی‌های پیچیده بر روی قطعه کار امکان‌پذیر می‌شود.