معني لغوي:

مکاترونيک تركيبى از دو بخش «مكا» مخفف مکانيک و «ترونيك» مخفف الکــترونيک است.

تعريف

مكاترونيك بسياري تكنيكها را كنار هم جمع مي‌كند: مهندسي مكانيك ، مهندسي الكترونيك ، مهندسي برق، مهندسي كامپيوتر و مهندسي كنترل. چنين چيزي مي‌تواند به عنوان كاربردي از كامپيوتر بر پايه تكنيك‌هاي كنترل رقمي(ديجيتال)، همراه واسطه‌هاي الكتريكي و الكترونيكي براي حل مسايل مكانيكي باشد مكاترونيك فرصت يك نگاه تازه به مسايل را فراهم مي‌كند و مهندسان مكانيك نه‌تنها مسايل را با اصول مكانيكي مي‌بينند، بلكه آن را بر پايه بسياري فناوري‌هاي ديگر مشاهده مي‌كنند. الكترونيك و ... به عنوان يك تكنيك مجرد براي سخت افزارهاي مكانيكي نبايد فرض شود. يك رهيافت مكاترونيكي نياز به طراحي مناسب دارد، بايد يك فكر تازه در مورد نيازها و اقلام ضروري در اين تكنيك صورت گيرد. كاربردهاي زيادي از مكاترونيك در توليدات به كاررفته در خانه وجود دارد. كنترل كننده‌هاي بر پايه ريزپردازنده‌ها در ماشين‌هاي لباسشويي خانگي، ماشين‌هاي ظرفشويي، اجاق‌هاي ميكروويو( موج كوتاه) دوربين‌ها، ساعت ها و سيستم‌هاي ضبط ويديويي، سيستم‌هاي گرمايش مركزي، چرخ هاي خياطي و ... وجود دارد. اين سيستم‌ها در خودروها، در فعاليت ماشينهاي بالابر، ترمزها و كنترل موتور، نمايشگر سرعت موتور، انتقال و ... يافت مي‌شود كاربرد وسيعتر مكاترونيك يك سيستم انعطاف پذير مهندسي توليد است كه شامل ماشين هاي كنترل شده"ربات ها، انتقال خودكار مواد و كنترل‌هاي نظارتي است .

تاريخچه مکاترونيک

واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه 60 توسط يك شرکت ژاپني به نام ياسكاوا الكتريك مورد استفاده قرار گرفت آن هم براي كنترل الكترونيكي موتورهاي الكتريكي ساخت اين شركت. اين واژه با آميخته شدن قطعات مكانيكي و حجم وسيعي از قطعات الكترونيكي نظير سنسورها، كنترل کنندها و وسايل الكترونيكي نوري به واژه اي فراگير تبديل شد.
بزودي ژاپني ها به عنوان بزرگترين توليد كننده روباتهاي صنعتي از انواع سيستمهاي مكاترونيك پيشرفته در كاربردهاي توليد صنعتي استفاده نمودند. همچنين ژاپن بزرگترين حجم توليد انواع اجزاء مكاترونيك نظير موتورهاي با عملكرد بالا و سنسورهاي تصويري CCD را در اختيار داشته و جزء اولين توسعه دهندگان و توليد كنندگان ميكروكنترلرها و پردازشگرهاي ديجيتال براي كاربردهاي مكاترونيك مي باشد.
واژه مكاترونيك در اروپا نيز بصورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذيرش اين موضوع بعنوان يك فيلد مطالعاتي جداگانه بكندي پيشرفت، اما رشد روز افزون كاربردهاي اين شاخه علمي، گواهي پذيرش جهاني اين موضوع بود.
تا اوايل دهه 1980 مكاترونيك تنها به مكانيزمهاي الكتريكي اطلاق ميشد. در اواسط دهه 1980 اين موضوع به علم مهندسي در مرز مشترك الكترونيك و مكانيك گفته مي شد. اما امروزه اين واژه، محدوده عظيمي از تكنولوژيهاي مرتبط با مكانيك، الكترونيك و نرم افزارهاي كامپيوتري يا تكنولوژي اطلاعات را در بر مي گيرد. به عبارت بهتر مکاترونيک شاخه اي از علوم مهندسي است که در ارتباط با ترکيب علوم مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر بحث مي کند. اجزاء يک سيستم مکاترونيکي شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، ميکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهاي کنترلي بلادرنگ (Real-Time) مي باشد.
معرفي چند واژه در مکاترونيک:

سنسورها

سنسورها اغلب براي درک اطلاعات تماسي، تنشي، مجاورتي، بينايي و صوتي به‌کار مي‌روند.

عملکرد سنسورها بدين‌گونه است که با توجه به تغييرات فاکتوري که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژي ناچيزي را در پاسخ ايجاد مي‌کنند، که با پردازش اين سيگنال‌هاي الکتريکي مي‌توان اطلاعات دريافتي را تفسير کرده و براي تصميم‌گيري‌هاي بعدي از آن‌ها استفاده نمود.
سنسورها را مي‌توان از ديدگاه‌هاي مختلف به دسته‌هاي متفاوتي تقسيم کرد که در ذيل مي‌آيد:
سنسور محيطي: اين سنسورها اطلاعات را از محيط خارج و وضعيت اشياي اطراف ربات، دريافت مي‌نمايند.
سنسور بازخورد: اين سنسور اطلاعات وضعيت ربات، از جمله موقعيت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نيروي وارد بر درايورها را دريافت مي‌نمايند.
سنسور فعال: اين سنسورها هم گيرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدين ترتيب است که سيگنالي توسط سنسور ارسال و سپس دريافت مي‌شود.
سنسور غيرفعال: اين سنسورها فقط گيرنده دارند و سيگنال ارسال شده از سوي منبعي خارجي را آشکار مي‌کنند، به‌ ‌همين دليل ارزان‌تر، ساده‌تر و داراي کارايي کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصله‌اي که با هدف مورد نظر بايد داشته باشند به دو قسمت تقسيم مي‌شوند:
1. سنسور تماسي: اين نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهايي يافت مي‌شوند و به دو بخش قابل تفکيک‌اند.
سنسورهاي تشخيص تماس
سنسورهاي نيرو-فشار
2. سنسورهاي مجاورتي: اين گروه مشابه سنسورهاي تماسي هستند، اما در اين مورد براي حس کردن لازم نيست حتما با شي در تماس باشد. عموما اين سنسورها از نظر ساخت از نوع پيشين دشوارترند ولي سرعت و دقت بالاتري را در اختيار سيستم قرار مي‌دهند.

حسگرهاي مورد استفاده در رباتيك:

در يك دسته بندي كلي حسگرهاي مورد استفاده در رباتها را مي توان در يک دسته خلاصه كرد:
– حسگرهاي تماسي ( Contact )
مهمترين كاربردهاي اين حسگرها به اين شرح مي باشد:
– آشكارسازي تماس دو جسم
– اندازه گيري نيروها و گشتاورهايي كه حين حركت ربات بين اجزاي مختلف آن ايجاد مي شود .

در شكل يك ميكرو سوئيچ يا حسگر تماسي نشان داده شده است. در صورت برخورد تيغه فلزي به مانع و فشرده شدن كليد زير تيغه همانند قطع و وصل شدن يك كليد ولتا? خروجي سوئيچ تغيير مي كند.
– حسگرهاي هم جواري (Proximity )
آشكارسازي اشيا نزديك به روبات مهمترين كاربرد اين حسگرها مي باشد.
انواع مختلفي از حسگرهاي هم جواري در بازار موجود است از جمله مي توان به موارد زير اشاره نمود:
– القايي
– اثرهال
– خازني
– اولتراسونيك
– نوري

– حسگرهاي دوربرد ( Far away)
كاربرد اصلي اين حسگرها به شرح زير مي باشد:
– فاصله سنج (ليزو و اولتراسونيك)
– بينايي (دوربينCCD)

در شكل يك زوج گيرنده و فرستنده اولتراسونيك (ماورا صوت) نشان داده شده است. اساس كار  اين حسگرها بر مبناي پديده داپلر مي باشد.
- حسگر نوري (گيرنده-فرستنده)
يكي از پركاربردترين حسگرهاي مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهاي نوري هستند. حسگر نوري گيرنده- فرستنده از يك ديود نوراني (فرستنده) و يك ترانزيستور نوري (گيرنده) تشكيل شده است.
خروجي اين حسگر در صورتيكه مقابل سطح سفيد قرار بگيرد 5 ولت و در صورتي كه در مقابل يك سطح تيره قرار گيرد صفر ولت مي باشد. البته اين وضعيت مي تواند در مدلهاي مختلف حسگر برعكس باشد. در هر حال اين حسگر در مواجهه با دو سطح نوري مختلف ولتاژ متفاوتي توليد مي كند.

در زير يك نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوري گيرنده فرستنده نشان داده شده است. مقادير مقاوتهاي نشان داده شده در مدلهاي متفاوت متغيير است و با مطالعه ديتا شيت آنها مي توان مقدار بهينه مقاومت را بدست آورد.

ميکرو کنترلر (Microcontroller)

کلمه ميکروکنترلر از دو کلمه ميکرو و کنترلر تشکيل شده است که ميکرو يک واحد يوناني است و برابر با 10 به توان منفي 6 متر است. يعني يک مليونيوم متر کنترلر نيز به معناي کنترل کننده است.

ميکرو کنترلر به دو صورت مي تواند عمل کند
بر مبناي ورودي هايي که به آن داده مي شود خروجي خود را تنظيم مي کند.
يا اينکه ورودي تعريف نشود و تنها بر اساس برنامه عمل کند و خروجي فقط بر اساس برنامه باشد.
به آي سي هايي که قابل برنامه ريزي مي باشد و عملکرد آنها از قبل تعيين شده ميکروکنترلرگويند ميکرو کنترلر ها داراي ورودي - خروجي و قدرت پردازش مي باشد که از بخش هاي مختلفي چون
Cpu (واحد پردازش)
Alu (واحد محاسبات)
I /O (ورودي ها و خروجي ها)
Ram حافظه اصلي ميکرو
Rom حافظه اي که برنامه روي آن ذخيره مي گردد
Timer براي کنترل زمان ها
مي باشد. علاوه برآن ميکروکنترلرها داراي خانواده هاي مختلفي چون PIC - AVR – 8051 ها مي شوند . از قابليت هاي فوق العاده ميکرو کنترلر ها و مزيت آنها قابليت برنامه ريزي آنها مي باشد و داراي کامپايلرهاي خاصي مي باشند که با زبان هاي Assembly basic, c مي توان براي آنها برنامه نوشت سپس برنامه نوشته شده را توسط دستگاهي به نام programmer که در اين دستگاه اي سي قرار مي گيرد و توسط يک کابل که قابليت اتصال به يکي از پورت هاي کامپيوتر را دارد برنامه نوشته شده روي آي سي انتقال پيدا مي کند و در Rom (حافظه) آن ذخيره مي شود اين آي سي ها حکم يک کامپيوتر در ابعاد کوچک و قدرت کمتر را دارند و بيشتربراي کنترل استفاده مي شود و طبق الگوريتم برنامه آن عمل مي شود اين آي سي ها براي کنترل ربات ها تا استفاده در کارخانه صنعتي کاربرد دارند. براي شروع کار با يک ميکروکنترلر که در رباتيک کاربردهاي فراواني از آن را خواهيد ديد در ابتدا لازم است يک زبان برنامه نويسي مانند C , Basic را بياموزيد

محصولات مكاترونيكى

فناورى مكاترونيك در بسيارى از زمينه ها كاربرد روزافزونى پيدا كرده است كه در اينجا به بعضى از آنها اشاره مى كنيم. در صنايع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با كنترل الكترونيكى به جاى كنترل كننده سنتى آن يعنى كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنين سيستم ترمزهاى ضدقفل، سيستم تهويه هواى اتوماتيك، فرمان هاى با كمك الكتريكى _ هيدروليكى، خودروهاى الكتريكى _ تركيبى و… از ديگر كاربردهاى فناورى مكاترونيك در صنايع خودروسازى هستند.
در زمينه محصولات صنعتى با مصارف خانگى، مى توان به ماشين هاى لباسشويى و يا خشك كن جديد اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژى، صرفه جويى در مصرف آب و همچنين افزايش كيفيت، بهبود فراوانى يافته است.
در محصولات صنعتى با كاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسكنرهاى ليزرى، دستگاه هاى كپى ديجيتال و يا ديسك درايوهاى جديد اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونيكى هستند.
در زمينه صنايع دفاعى مى توان به سيستم هاى هدايت موشك و يا سلاح هاى هوشمند اشاره كرد. همچنين از ديگر محصولات مكاترونيكى، دوربين هاى خودتنظيم، ماشين هاى ابزار كامپيوترى و روبوت هاى صنعتى هستند كه تاثير فراوانى در كاهش هزينه و زمان توليد و بهبود كيفيت محصولات توليدى گذاشته اند.

سابقه مکاترونيک در ايران

در سنوات اخير به منظور گسترش و پيشبرد و ارتقاي علمي - تخصصي و ايجاد شبکه ارتباطي ميان صاحب نظران، محققان و کارشناسان و بهبود بخشيدن به امور آموزشي و پژوهشي در زمينه‌هاي مرتبط با علم مکاترونيک، انجمن مکاترونيک در ايران تشکيل گرديده‌است . امروزه زمينه تخصصي مکاترونيک در همه جاي جهان شناخته شده‏است . تعداد مجلات علمي و کنفرانس‌هاي مختص رشته مکاترونيک نيز به صورتي فراگير در حال گسترش است . در حــوزه صنعت نـيز شرکـت‌هاي بين المـللي با بهره گيري از اين تخصص اقدام به توليد و عرضه محصولاتي کرده‌اند که طيف آن از دوربين‌هاي پيشرفته ، روبات‌هاي انسان گون،دستگاه‌هاي پزشکي و خودروهاي هوشمند گرفته تا محصولات بديع نظامي و هوا فضايي است. رشته مکاترونيک در ايران و بسياري از کشورهاي جهان با نام روباتيک در هم آميخته‌است در واقع روباتها يکي از جلوه‌هاي کلاسيک محصولاتي هستند که بر پايه علم مکاترونيک طراحي و ساخته مي‌شوند. با اين توصيف، علم مکاترونيک در ايران نيز سابقه‌اي 15 تا 20ساله داشته . و با توجه به کاربرد روزافزون محصولات پيچيده و مرکب در صنايع کشور، ضرورت ايجاد ساختارهاي جديد براي توسعه دانش مکاترونيک و تربيت نيروهاي متخصص روز آمد اهميت ويژه‌اي پيدا کرده‌است. با توجه به ماهيت ميان رشته‌اي دانش مکاترونيک و حجم وسيعي از توليدات عملي کشور که عملا ارتباط مستقيمي با تخصص مکاترونيک دارند، تأسيس دوره‌هاي آموزشي مکاترونيک در هنرستان‏هاي فني، آموزشکده‏ها و دانشگاه‏ها، به عنوان محملي براي تشويق و تسهيل تعاملات عملي و فناوري ضروري به نظر مي‌رسيد. با توجه به توليد دستگاههاي هوشمند، نياز به اين رشته نمود بسياري پيدا کرد. امروزه از لوازم خانگي، خودروها تا صنايعي مثل پالايشگاه، نيروگاه، پتروشيمي و سيمان نيز از کاربردهاي اين علم استفاده مي‌کنند. اين رشته به سه گرايش رباتيک، اتوماسيون خطوط توليد و رابط انسان ماشين تقسيم مي‌گردد. در حقيقت توسط اين علم مي‌توان سيستم‌هاي مکانيکي را به صورت هوشمند درآورد. سيستم‌هاي ترمز ABS در اتومبيل، دستگاههاي CNC و کليه سيستم‌هاي اتوماسيون را مي‌توان از نمونه‌هاي بارز اين علم دانست.
منابع:
http://fa.wikipedia.org
http://dbase.irandoc.ac.ir
http://daysystem.ir
http://www.study1000.com
http://college.um.ac.ir
/خ