ظرفیت معیاری برای اندازه گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. ظرفیت زیاد بدین معنی است که خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. واحد اندازه گیری ظرفیت فاراد است. 1 فاراد واحد بزرگی است و مشخص کننده ظرفیت بالا می‌‌باشد. باید گفت که ظرفیت خازن ها یک کمیت فیزیکی هست و به ساختمان خازن وابسته است و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد

بنابراین استفاده از واحدهای کوچک‌تر نیز در خازنها مرسوم است. میکروفاراد µF، نانوفاراد nF و پیکوفاراد pF واحدهای کوچک‌تر فاراد هستند.

µ means 10-6 (millionth), so 1000000µF = 1F

n means 10-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF

p means 10-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF

خازن المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی) در خود ذخیره کند. انواع خازن در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود:

الف – صفحات هادی ب – عایق بین هادیها (دی الکتریک) ساختمان خازن هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولاً صفحات هادی خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتاً زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگ‌تر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال ، ضریب دی الکتریک هوا 1 و ضریب دی الکتریک اکسید آلومینیوم 7 می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسید آلومینیوم 7 برابر خاصیت عایقی هوا است. انواع خازن الف- خازنهای ثابت • سرامیکی • خازنهای ورقه‌ای • خازنهای میکا • خازنهای الکترولیتی o آلومینیومی o تانتالیوم

ب- خازنهای متغیر • واریابل • تریمر انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها 1. مسطح 2. کروی 3. استوانه‌ای انواع خازن بر اساس دی الکتریک آنها 1. خازن کاغذی 2. خازن الکترونیکی 3. خازن سرامیکی 4. خازن متغییر

خازن کروی

خازن مسطح (خازن تخت) دو صفحه فلزی موازی که بین آنها عایقی به نام دی الکتریک قرار دارد، مانند (هوا ، شیشه). با اتصال صفحات خازن به یک مولد می‌توان خازن را باردار کرد. اختلاف پتانسیل بین دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مولد خواهد بود. ظرفیت خازن (C) نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلاف پتانسیل دو سر باتری را ظرفیت خازن گویند؛ که مقداری ثابت است.

C = kε0 A/d

C = ظرفیت خازن بر حسب فاراد

Q = بار ذخیره شده برحسب کولن

V = اختلاف پتانسیل دو سر مولد برحسب ولت

ε0 = قابلیت گذر دهی خلا است که برابر است با: 8.85 × 12-10 _ C2/N.m2

k (بدون یکا) = ثابت دی الکتریک است که برای هر ماده‌ای فرق دارد. تقریباً برای هوا و خلأ 1=K است و برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن 1

A = سطح خازن بر حسب m2

d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب m

چند نکته • آزمایش نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد. • بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم دارد. یعنی: q a v • ظرفیت خازن با فاصله بین دو صفحه نسبت عکس دارد. یعنی: C a 1/d • ظرفیت خازن با مساحت هر یک از صفحات و جنس دی الکتریک (K )نسبت مستقیم دارد. یعنی: C a A و C a K شارژ یا پر کردن یک خازن وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یک باتری وصل کنیم؛ الکترونها در مدار جاری می‌شوند. بدین ترتیب یکی از صفحات بار (+) و صفحه دیگر بار (-) پیدا می‌کند. آن صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می‌کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی از بار الکتریکی پر می‌شود. یعنی با توجه به اینکه کلید همچنان بسته است؛ ولی جریانی از مدار عبور نمی‌کند و در واقع جریان به صفر می‌رسد. یعنی به محض اینکه یک خازن خالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاه عقربه گالوانومتر دوباره روی صفر بر می‌گردد. یعنی دیگر جریانی از مدار عبور نمی‌کند. در این حالت می‌گوییم خازن پرشده است. دشارژ یا تخلیه یک خازن ابتدا خازنی را که پر است در نظر می‌گیریم. دو سر خازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می‌کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی در مدار برقرار می‌شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخلیه شده است. اگر خازن کاملاً پر شود دیگر جریانی برقرار نمی‌شود و اگر خازن کاملاً تخلیه شود باز هم جریانی برقرار نمی‌شود.

تأثیر ماده دی‌الکتریک در فضای بین دو صفحه موازی یک خازن وقتی که خازنی را به مولدی وصل می‌کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می‌آید. این میدان الکتریکی بر توزیع بارهای الکتریکی اتمی عایقی که در درون صفحات قرار دارد اثر می‌گذارد و باعث می‌شود که دو قطبیهای موجود در عایق طوری شکل گیری کنند؛ که در یک سمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمّع کنند. توزیع بارهایی که در لبه‌های عایق قرار دارند؛ بر بارهای روی صفحات خازن اثر می‌گذارد. یعنی بارهای منفی روی لبه‌های عایق؛ بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند؛ و همینطور بارهای مثبت روی لبه‌های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند. بنابراین با افزایش ثابت دی الکتریک (K) می‌توان بارهای بیشتری را روی خازن جمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی الکتریک در بین صفحات یک خازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد. میدان الکتریکی درون خازن تخت در فضای بین صفحات خازن بار دار میدان الکتریکی یکنواختی برقرار می‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه منفی خازن است. اندازه میدان همواره یک عدد ثابت می‌باشد.

E=V/d

E: میدان الکتریکی

V: اختلاف پتانسیل دو سر خازن

d: فاصله بین دو صفحه خازن

میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات خازن نسبت عکس دارد. به هم بستن خازنها خازنها در مدار به دو صورت بسته می‌شوند: 1. موازی 2. متوالی (سری) بستن خازنها به روش موازی در بستن به روش موازی بین خازنها دو نقطه اشتراک وجود دارد. در این نوع روش:

• اختلاف پتانسیل برای همة خازنها یکی است. • بار ذخیره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهای ذخیره شده در هریک از خازنها. ظرفیت معادل در حالت موازی مولد V = V1 = V2 = V3

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

CV = C1V1 + C2V2 + C3V3

ظرفیت کل : C = C1 + C2 + C3

اندیسها مربوط به خازنهای 1 ؛ 2 و 3 می‌باشد. هرگاه چند خازن باهم موازی باشند، ظرفیت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفیت خازنها.

بستن خازنها بصورت متوالی در بستن به روش متوالی بین خازنها یک نقطه اشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده ؛ از مولد بار دریافت می‌کند. صفحات مقابل نیز از طریق القاء بار الکتریکی دریافت می‌کنند. بنابراین اندازه بار الکتریکی روی همه خازنها در این حالت باهم برابر است. در بستن خازنها به طریق متوالی:

• بارهای روی صفحات هر خازن یکی است. • اختلاف پتانسیل دو سر مدار برابر است با مجموع اختلاف پتانسیل دو سر هر یک از خازنها. ظرفیت معادل در حالت متوالی:

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

اختلاف پتانسیل کل V = V1 = V2 = V3

q/C = q1/C1 + q2/C2 + q3/C3

C-1 = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

ظرفیت کل در حالت متوالی ، وارون ظرفیت معادل ، برابر است با مجموع وارون هریک از خازنها.

انرژی ذخیره شده در خازن پر شدن یک خازن باعث بوجود آمدن بار ذخیره در روی آن می‌شود و این هم باعث می‌شود که انرژی روی صفحات ذخیره گردد. کل کاری که در فرآیند پر شدن خازن انجام می‌شود از طریق محاسبه بدست می‌آید. کاربرد خازن با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود؛ برای ایجاد میدانهای الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازنها می‌توانند میدانهای الکتریکی را در حجمهای کوچک نگه دارند؛ به علاوه می‌توان از آنها برای ذخیره کردن انرژی استفاده کرد. خازن در اشکال مختلف ساخته می‌شود.

خازن وسیله‌ای الکتریکی است که در مدارهای الکتریکی اثر خازنی ایجاد می‌کند. اثر خازنی خاصیتی است که سب می‌شود مقداری انرژی الکتریکی در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره شود و بعد از مدتی آزاد گردد. به تعبیر دیگر ، خازنها المانهایی هستند که می‌توانند مقداری الکتریسیته را به صورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند. همانگونه که یک مخزن آب برای ذخیره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. خازنها به اشکال گوناگون ساخته می‌شوند و متداولترین آنها خازنهای مسطح هستند.

این نوع خازنها از دو صفحه هادی که بین آنها عایق یا دی الکتریک قرار دارد. صفحات هادی نسبتا بزرگ هستند و در فاصله‌ای بسیار نزدیک به هم قرار می‌گیرند. دی الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می‌شود، معرفی می‌گردد. این ضریب را ضریب دی الکتریک می‌نامند. خازنها به دو دسته کلی ثابت و متغیر تقسیم بندی می‌شوند. خازنها انواع مختلفی دارند و از لحاظ شکل و اندازه با یک دیگر متفاوت‌اند. بعضی از خازنها از روغن پر شده و بسیار حجیم‌اند. برخی دیگر بسیار کوچک و به اندازه یک دانه عدس می‌باشند. خازنها بر حسب ثابت یا متغیر بودن ظرفیت به دو گروه تقسیم می‌شوند: خازنهای ثابت و خازنهای متغیر.

خازنهای ثابت

این خازنها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازنهای ثابت را بر اساس نوع ماده دی الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. از جمله این خازنها می‌توان انواع سرامیکی ، میکا ، ورقه‌ای ( کاغذی و پلاستیکی ) ،الکترولیتی ، روغنی ، گازی و نوع خاص فیلم (Film) را نام برد. اگر ماده دی الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند. خازنهای روغنی و گازی در صنعت برق بیشتر در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می‌روند. بقیه خازنهای ثابت دارای ویژگیهای خاصی هستند.

خازنهای متغیر

به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن را تغیییر داد: "فاصله صفحات" ، "سطح صفحات" و "نوع دی الکتریک". اساس کار خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازنهای متغیر عموما ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. نوعی که به وسیله دسته متحرک (محور) عمل تغییر ظرفیت انجام می‌شود "واریابل" نامند و در نوع دیگر این عمل به وسیله پیچ گوشتی صورت می‌گیرد که به آن "تریمر" گویند. محدوده ظرفیت خازنهای واریابل 10 تا 400 پیکو فاراد و در خازنهای تریمر از 5 تا 30 پیکو فاراد است. از این خازنها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی استفاده می‌شود.

خازنهای سرامیکی

خازن سرامیکی (Ceramic capacitor) معمولترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن دی الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است. ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است، از این رو امکان ساخت خازنهای با ظرفیت زیاد در اندازه کوچک را در مقایسه با سایر خازنها بوجود آورده ، در نتیجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود. ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولا بین 5 پیکو فاراد تا 1/0 میکرو فاراد است. این نوع خازن به صورت دیسکی (عدسی) و استوانه‌ای تولید می‌شود و فرکانس کار خازنهای سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است. عیب بزرگ این خازنها وابسته بودن ظرفیت آنها به دمای محیط است، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می‌کند. از این خازن در مدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می‌شود.

خازنهای ورقه‌ای

در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف پذیری آنها ، برای دی الکتریک استفاده می‌شود. این گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته می‌شوند:

خازنهای کاغذی

دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل شده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برای جلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر قرار می‌دهند. خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آنها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها آن است که در ولتاژها و جریانهای زیاد می‌توان از آنها استفاده کرد.

خازنهای پلاستیکی

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک برای دی الکتریک استفاده می‌شود. ورقه‌های پلاستیکی همراه با ورقه‌های نازک فلزی (آلومینیومی) به صورت لوله ، در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می‌شوند. امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می‌روند. این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از انواع دی الکتریکهایی که در این خازنها به کار می‌رود پلی استایرن (Polystyrene) است، از این رو به این خازنها "پلی استر" گفته می‌شود که از جمله رایج‌ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم فرکانس کار خازنهای پلاستیکی حدود یک مگا هرتز است.

خازنهای میکا

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک میکا در بین صفحات خازن (ورقه‌های فلزی – آلومینیوم) استفاده می‌شود و در پایان ، مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازنهای میکا تقریبا بین 01/0 تا 1 میکرو فاراد است. از ویژگیهای اصلی و مهم این خازنها می‌توان داشتن ولتاژ کار بالا ، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد.

خازنهای الکترولیتی

این نوع خازنها معمولاً در رنج میکرو فاراد هستند. خازنهای الکترولیتی همان خازنهای ثابت هستند، اما اندازه و ظرفیتشان از خازنهای ثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازنها، شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این نام این است که دی ‌الکتریک این خازنها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که در عمل ، حالت یک کاتالیزور را دارا می‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند. برخلاف خازنهای عدسی ، این خازنها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پایه منفی ، علامت – نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی بدنه درج شده است .خازنهای الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می‌شوند.

خازن آلومینیومی

این خازن همانند خازنهای ورقه‌ای از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده است. یکی از این ورقه‌ها که لایه اکسید روی آن ایجاد می‌شود "آند" نامیده می‌شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد. ساختمان داخلی آن بدین صورت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل که در بین آنها قرار دارند هم زمان پیچیده شده و سیمهای اتصال نیز به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل می‌شوند. پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیمهای خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود.

خازن تانتالیوم

در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می‌شود زیاد بودن ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم (حدودا 3 برابر) سبب می‌شود خازنهای تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی درحجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند. محاسن خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی بدین قرار است:

ابعاد کوچکتر جریان نشتی کمتر عمر کارکرد طولانی از جمله معایب این نوع خازن در مقایسه با خازنهای آلومینیومی عبارتند از:

خازنهای تانتالیوم گرانتر هستند. نسبت به افزایش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن ، همچنین معکوس شدن پلاریته حساس ترند. قابلیت تحمل جریانهای شارژ و دشارژ زیاد را ندارند. خازنهای تانتالیوم دارای محدودیت ظرفیت هستند (حد اکثر تا 330 میکرو فاراد ساخته می شوند).

آیا او دوست داشتنی نیست؟ یا شاید وحشتناک و غیرعادی؟ Cynthia Breazeal از دانشگاه MIT به خاطر ساخت روبات‌هایی که انسان‌ها، واکنش‌های عاطفی نسبت به آن‌ها نشان داده‌اند، شهرت دارد. Leonardo جدیدترین دستاورد او در سال 2002 با کمک متخصصان ساخت غول‌های سینمایی در استودیوی Stan Winston تولید شد. فعالیت این گروه شامل ساخت ترمیناتور، بیگانگان در فیلم داستانی Aliens و دایناسورهای فیلم پارک ژوراسیک است.

لئوناردو می‌تواند اشیا را با دست بگیرد، حالت چهره خود را تغییر دهد، و سر و دست خود را تکان دهد؛ مانند آنچه انسان ها در تأیید حرف با تکان دادن سر نشان می‌دهند. او حتی قادر به انجام کارهای ساده ای نظیر روشن و خاموش کردن چراغ، با روش آزمون و خطا است.

ربات BigDog یک از اعضای خانواده‌ی ربات‌های بوستون داینامیکز است. این یک ربات چهارپا است که می‌توان راه برود، بدود، روی نواحی ناهموار حرکت کند و یا بارهای سنگین را جابه‌جا نماید. ربات BigDog توان حرکت خود را از یک موتور بنزینی دریافت می‌کند. این موتور محرک‌ها و عمل‌گرهای هیدرولیکی موجود بر روی این ربات را کنترل می‌نماید. پاهای او هم‌چون پاهای حیوانات طراحی شده است. این پاها دارای عناصری هستند که می‌توانند ضربات ناگهانی را جذب کرده و مانع واژگونی ربات در اثر این ضربات شوند. ابعاد این ربات که به اندازه‌ی یک سگ بزرگ و یا یک قاطر کوچک است، حدود یک متر طول، هفتاد سانتی متر بلندی و هفتاد و پنج کیلوگرم وزن است.

 ربات BigDog مجهز به یک پردازش‌گر مستقر بر روی ربات می‌باشد که حرکت ربات، کنترل پاها و به‌کارگیری انواع گسترده‌ای از حس‌گرها را بر عهده دارد. هدایت‌گر ربات BigDog تلاش می‌کند تا پویایی رفتارهای ربات را به گونه‌ای مدیریت نماید که ربات بتواند در وضعیتی متعادل، به حرکت، جابه‌جایی و رفتارهای پر انرژی خود همراه با تغییر شرایط کاری ادامه دهد. حس‌گرهای متعدد و متنوعی در طراحی این ربات به کار رفته‌اند. حس‌گرهایی که اطلاعاتی از موقعیت مفاصل، نیروی وارد شونده بر مفاصل، نجوه‌ی تماس با زمین، باری که از سوی زمین به ربات وارد می‌آید، ژیروسکوپ لیزری و بینایی استریو را برای سیستم پردازش‌گر ربات فراهم می‌سازند. حس‌گرهای دیگری نیز در این ربات به کار رفته‌اند که وضعیت درونی آن‌را گزارش کرده‌اند. مسائلی مانند فشار هیدرولیک، فشار روغن، دمای موتور، دور موتور، توان باطری‌ها و سایر مسائل از این دست به وسیله‌ی این حس‌گرها گزارش می‌گردند.

این ربات، با این توصیفات می‌تواند با سرعت 5.3 کیلومتر در ساعت حرکتی یورتمه وار داشته باشد، با شیبی حدود 35 درجه بجهد و باری در حدود 55 کیلوگرم را حمل نماید.

این ربات به جهت توان حمل بار قابل توجه و همین‌طور امکان حرکت در نواحی بسیار ناهموار و مقاومتی که در مقابل فشارها و ضربه‌های ناگهانی بیرونی از خود نشان می‌دهد، قابلیت استفاده در کاربردهای نظامی و یا مصارف امداد و نجات را دارا می‌باشد. ویدئوی زیر صحنه‌هایی از حرکت و توان‌مندی‌های این ربات را به تصویر کشیده است.

http://www.bdi.com/dist/BigDog_Feb-26-2006.wmv

ربات ها از منظر طراحی مکانیکی ماشین هایی هستند که از اجزا و قطعات مختلفی تشکیل شده اند. این اجزا با یکدیگر در ارتباط هستند. ارتباط اجزاء از طریق اتصالات صورت می گیرد. بر اساس نقش اجزاء و جایگاه آنها در کارکرد کلی ماشین، اتصالات انواع مختلفی دارد.

یکی از تقسیم بندی های مرسوم اتصالات عبارت است از:

1.      اتصالات دائم

2.      اتصالات موقت

اتصال دائم

اتصال دائم به اتصالی گفته می شود که برای جدا سازی آنها وسیله اتصال و قسمتی از قطعات متصل شده یا تمامی آنها آسیب ببیند. به همین دلیل به اتصالات دائم اتصالات جدا نشدنی هم می گویند. اتصالات دائم زمانی به کار گرفته می شود که نیازی به جداسازی قطعات متصل شده وجود نداشته باشد. یعنی زمانی که مطمئن هستیم قطعات متصل شده تا آخر عمر ماشین نیازی به جدا شدن ندارند از این نوع اتصال استفاده می کنیم. معمولا قطعاتی که عمرشان به اندازه عمر خود ماشین است و در طول عمر ماشین نیازی به تعمیر و یا تعویض ندارند با استفاده از اتصال دائم به یکدیگر متصل می گردند. برخی از روش های ایجاد این اتصال عبارتند از:

محققین آمریکایی طرح کلی یک سیستم نسبتا ساده را ارایه داده اند که میتواند بدون استفاده از سیم، نیروی لازم برای شارژ را به دستگاههایی چون کامپیوترهای لپ تاپ و پخش MP3 برساند. محققین گفته اند که این روش از مفاهیم قدیمی فیزیک بهره برده است و تا فاصله چند متری هم قابل استفاده است.

 

۱ - انرژی الکتریکی از یک منبع به سیم پیچ که بعنوان فرستنده عمل می کند ارسال می شود.
2 - رزونانس در سیم پیچ در فرکانس 6.4MHz باعث انتشار امواج الکترومغناطیسی در فضا می گردد.
3 - سیم پیچ دیگری با همان فرکانس رزونانس در فاصله دورتر امواج را دریافت می کند.
4 - امواج الکترومغناطیسی در سیم پیچ به جریان الکتریکی تبدیل می شود و باطری کامپیوتر را شارژ می کند.
5 - انرژی که توسط کامپیوتر جذب نشود دوباره به منبع بازگردانده می شود.

هرچند این تیم هنوز یک سیستم نمونه برای آزمایش طرح خود نساخته اند، اما با توجه به مدلهای کامپیوتری و محاسبات ریاضی به نظر میرسد که این روش قابل اجراست.

پروفسور مارین سولیاچیچ (Marin Soljacic) از انستیتوی تکنولوژی ماساچوستس (MIT) و یکی از محققین این طرح گفته است :

"در حال حاضر دستگاههای خودکار بسیاری مانند تلفنهای همراه و لپ تاپها وجود دارند که در چند سال اخیر پدیدار شده اند. ما به این فکر افتادیم که این وسایل اگر به شارز نیاز نداشته باشند بسیار کارآمدتر خواهند بود."

"و از آنجایی که ما فیزیکدان هستیم، از خودمان پرسیدیم چه پدیده فیزیکی میتواند برای این انتقال بیسیم انرژی مورد استفاده قرار بگیرد؟"

رزونانس
پاسخی که این تیم به آن دست یافت "رزونانس" است. این پدیده ایست که هنگام رسیدن انرژی در فرکانس خاص به یک شیئ ، موجب ارتعاش آن میشود.

هنگامی که ما دو شئ مرتعش در یک فرکانس یکسان داشته باشیم، آنها تمایل شدیدی برای به هم رسیدن یا جفت شدن نشان میدهند. این موضوع در موسیقی نیز کاربرد دارد، هنگامی که یک نوا روی یک ساز اجرا میشود و سپس ساز دیگری هم به نواختن همان آوا بپردازد، طنین صدا به وضوح شنیده خواهد شد."

در این مورد، به جای استفاده از ساز، سیستم طراحی شده توسط گروه، از رزونانس موجهای الکترو مغناطیسی استفاده میکند. پرتوهای الکترومغناطیس شامل امواج رادیویی، اشعه مادون قرمز و اشعه X هستند. البته سیستمهایی که از تابش الکترومغناطیس استفاده میکنند، مانند آنتنهای رادیو، برای انتقال موثر انرژی مناسب نیستند زیرا آنها انرژی را متفرق کرده و مقدار فراوانی از آن را در فضا هدر میدهند. برای غلبه بر این مشکل، گروه به جستجو در گروه خاصی از اشیا "غیر تابشی" با رزونانس طولانی پرداختند.

هنگامی که انرژی به این اشیا میرسد، به جای پخش شدن در فضا، در محدوده آنها میماند. این "دنبالک" های انرژی که میتوانند به طول چند متر هم برسند، بر روی سطح به جنبش میپردازند.

به گفته پروفسور سولیاچیچ : "اگر ما شی مرتعش دیگری را با همین فرکانس به اندازه کافی به این دنبالکها نزدیک کنیم، چنین به نظر میرسد که انرژی میتواند از یک شی به شی دیگر نقب بزند."

به این ترتیب، اگر یک آنتن مسی ساده که برای حفظ طولانی مدت انرژی طراحی شده باشد میتواند انرژی را به لپ تاپی که آنتنش در همان فرکانس مرتعش شده است منتقل کند. در این حالت این کامپیوتر واقعا بیسیم خواهد بود.

گفته میشود که سیستم پیشنهادی این تیم میتواند انرژی را در فاصله ای بیش از سه تا پنج متر هم منتقل کند : "میشود گفت که این سیستم میتواند در یک اتاق کار کند اما میتوان آنرا مطابق با شرایط یک کارخانه هم تنظیم کرد. از طرفی میتوان این سیستم را در مقیاس کوچک و برای جهان میکروسکوپی و نانوسکوپی هم تنظیم نمود."

فناوری گذشته
این تیم MIT اولین گروهی نیست که به بررسی روشهای انتقال بیسیم انرژی پرداخته است. فیزیکدان و مهندس قرن نوزدهم به نام نیکولا تسلا (Nikola Tesla) آزمایشهایی با انتقال انرژی بیسیم در مسافتهای طولانی انجام داد، اما جاه طلبانه ترین کوشش او – آنتن هوایی 29 متری به نام برج واردن کلیف (Wardenclyffe Tower) در نیویورک - به خاطر پایان یافتن منابع مالی او، با شکست مواجه شد. اشخاص دیگری هم بر روی دستگاهها و روشهای هدایتی بسیار دقیق انرژی چون لیزر کار کرده اند.

با این حال این روشها همه به پهنه نقل و انتقال بدون مانع و غیر منقطع نیاز دارند و طبیعتا برای شارژ دستگاههای داخل خانه که در قسمتهای مختلف قرار دارند، مناسب نیستند.

یک کمپانی بریتانیایی به نام Splashpower نیز بالشتکهایی برای شارژ بدون سیم تولید کرده است که میتوان گوشی همراه یا پخش MP3 را مستقیما روی آن قرار داد و شارژ نمود. این بالشتکها از القاى الکترومغناطیسى استفاده میکند.

منابع تغذیه

یکی از بخشهای مهم و حیاتی در کلیه سیستمهای الکتریکی منابع تغذیه هستند. هرچه مدارات الکترونیکی پیچیده تر باشند به منابع تغذیه دقیقاری نیاز داریم بعلاوه با افزایش توان مصرفی روبات حجم منبع تغدیه نیز افزایش می­باید که این مسأله ممکن است مشکلاتی از جمله افزایش وزن و حجم اشغال شده را در پی داشته باشد. از این رو انتخاب یک منبع تغذیه متناسب با نیاز از اهمیت بسزایی برخوردار است.

در نظر بسیاری از مصرف کنندگان اکثر منابع تغذیه شبیه هم می باشند که البته این مساله درست نیز می باشد چون که طبیعت بازار بر این است که اکثر تولیدکنندگان تمام هم و غم خود را بر روی عملکرد منبع تغذیه ( تولید ولتاژ خروجی ) می گذارند نه بر روی طراحی.بنابر این هنگامی که می خواهید منبع تغذیه ای بخرید به نکات زیر توجه کنید :در منبع تغذیه ای که تهیه می کنید به مسایل حرارتی آن توجه کنید. اگر منبع تغذیه ای که تهیه می کنید در هنگام کار کردن از لحاظ حرارتی دمای قابل قبولی نداشته باشد در این صورت برای خنک کردن منبع نیاز به فن خواهید داشت و باید به نوبه خود هزینه ای برای تهیه فن، سیم کشیهای مورد نیاز و مدارات خاص آن صرف کنید.امروزه مواد جدیدی به بازار آمده که حرارت را بهتر انتقال می دهند و در کنار استفاده از قطعات با کیفیت بهتر و همچنین رعایت نکات طراحی باعث بهبود قابل توجه در مسایل حرارتی می شود.بعضی منابع ساخته شده از دمای 0 درجه سلسیوس تا دمای 50 درجه سلسیوس و با حداکثر توان خروجی به صورت هوا خنک( Natural air convection cooling ) کار می کنند.

نکته بسیار مهم دیگری که درهنگام خرید منبع تغذیه باید به آن توجه کنید پایداری حرارتی منبع تغذیه می باشد. این بدان معناست که منبع تغذیه در بازه دمایی که کار میکند باید ولتاژ خروجی را تا میزان خطایی که قابل قبول است و جزء استانداردهای منبع تغذیه می باشد ثابت نگه دارد. این مسأله به خاطر آن است که سیستمی که شما طراحی می کنید امکان دارد در مکانهای متفاوتی در کشور نصب گردد که بازه دمایی زیادی را در بر می گیرد و همچنین چون سیستم برای کارکرد در تمامی فصول سال می باشد در نتیجه باز هم از این نظر منبع تغذیه شما باید قابلیت کار کردن در بازه دمایی زیادی را داشته باشد. همچنین امکان دارد سیستمی که شما طراحی می کنید در کنار دیگر دستگاههای دیگر نصب شود که آنها هم به نوبه خود به دلیل توان مصرفی که دارند باعث می شود که تا حدودی دمای سیستم افزایش یابد که در این صورت باز هم منبع تغذیه باید بتواند ولتاژ مورد نیاز دستگاههای شما را تا خطای قابل قبولی ثابت نگه دارد.مثالی که برای این مساله می توان آورد سیستمهای مخابراتی می باشد که هم باید در مکانهای شهری در دسترس نصب شوند و هم در مکانهای دورافتاده. بنابراین دستگاهها باید بتوانند در بازه دمایی زیادی کار کنند. حتی ممکن است در مکانهای با آب و هوای خشک دمای داخل اتاق یا مکانی که سیستم در آن نصب می شود تا 70 درجه سلسیوس نیز برسد. بنابراین امروزه مهندسی کنترل دما در طراحی منابع تغذیه سوییچینگ یک مساله حیاتی می باشد.پایداری حرارتی در منابع تغذیه با یک عدد مشخص می شود که اصطلاحا به آن Output temperature coefficient می گویند.برای رنج کارکرد دمایی با پایداری حرارتی بسیار خوب، این میزان خطا کمتر از 0.02 ± درصد به ازای هر درجه سلسیوس تغییرات دمای سیستم می باشد.

نکته دیگری که در هنگام خرید منبع تغذیه باید به آن توجه کنید ثابت ماندن ولتاژهای خروجی ( به میزان قابل قبول ) در رنج کارکرد ولتاژ ورودی منبع تغذیه می باشد. بازه ولتاژی که منبع تغذیه، در ورودی با آن کار می کند باعث می شود که سیستم با حداکثر توان خروجی در اکثر شبکه های موجود در کشور با ولتاژهای مختلف کار کند. مثلا اگر ولتاژ ورودی منبع تغذیه برق شهر ( در مورد منابعی که ورودی آنها ولتاژ AC است ) یا باتری ( در مورد منابعی که ورودی آنها ولتاژ DC است ) باشد به دلیل آن که ولتاژ ورودی دارای خطا می باشد و ثابت نیست در این صورت منبع تغذیه باید قابلیت ثابت نگه داشتن ولتاژهای خروجی را ( تا میزان خطای قابل قبول ) داشته باشد. ثابت ماندن ولتاژهای خروجی منبع تغذیه با تغییرات ولتاژ ورودی را اصطلاحا Line regulation می گویند.برای منابع تغذیه دارای Line regulation خوب در خروجی، این میزان خطا کمتر از 0.5 ± درصد به ازای رنج کارکرد ولتاژ ورودی منبع تغذیه می باشد.

نکته دیگری که در هنگام خرید منبع تغذیه باید به آن توجه کنید ثابت ماندن ولتاژهای خروجی منبع تغذیه ( به میزان قابل قبول ) در برابر تغییرات بار خروجی می باشد. زیرا امکان دارد سیستمی که شما طراحی می کنید همواره مقدار جریان ثابتی از خروجی نکشد. ثابت ماندن ولتاژهای خروجی منبع تغذیه با تغییرات جریان خروجی را اصطلاحا Load regulation می­گویند. برای منابع تغذیه دارای Load regulation خوب در خروجی، این میزان خطا کمتر از 0.5 ± درصد به ازای رنج کارکرد جریان خروجی منبع تغذیه ( از % 10  تا % 100  جریان خروجی منبع تغذیه ) می باشد.

نکته مهم دیگری که در هنگام خرید منبع تغذیه باید به آن توجه کنید مسایل حفاظتی منبع تغذیه می باشد. مثلا باید به وجود یا عدم وجود حفاظتهای زیر در یک منبع تغذیه توجه کنید :
■ حفاظت در برابر اتصال کوتاه شدن خروجی ( Output Short Circuit Protection )
■ حفاظت در برابر افزایش ولتاژخروجی منبع از حدی معین( Output Over Voltage Protection )
■ حفاظت در برابر کاهش ولتاژخروجی منبع از حدی معین ( Output Under Voltage Protection )
■ حفاظت در برابر افزایش ولتاژ ورودی منبع از حدی معین ( Input Over Voltage Protection)
■ حفاظت در برابر کشیدن توان اضافه تر از توان کلی اسمی دستگاه (Total Output Over Power Protection )

■ حفاظت در برابر کشیدن توان اضافه تر از توان اسمی هر یک از خروجیها (Output Over Power Protection)  
■ حفاظت در برابر اتصال معکوس ولتاژ ورودی در منابعی که به ورودی آنها ولتاژ DC وصل میشود
  ( Reverse Input Voltage Protection )

همین طور یکی از مسایل بسیار مهمی که باید در هنگام خرید منبع تغذیه به آن توجه کنید مقدار عایق بودن ولتاژ ورودی از ولتاژهای خروجی و همچنین مقدار عایق بودن بدنه دستگاه ( که معمولا آن را به Earth وصل می کنند ) از ولتاژهای ورودی و خروجی دستگاه می باشد. این که ببینید در سیستم خود به چه میزان ولتاژ عایقی نیاز دارید و این که منبعی که تهیه می کنید این میزان عایقی را دارا می باشد یا نه. زیرا در هر صورت باید این احتمال را بدهید که اگر در ورودی منبع تغذیه ولتاژ ناگهانی زیادی بر اثر وجود خطا در سیستم انتقال برق بیافتد در این صورت منبع تغذیه باید توانایی این که خود و سیستم شما را در برابر این ولتاژ ناگهانی محافظت کند، داشته باشد. در این حالت سیستمهای حفاظتی منبع تغذیه وارد عمل می شوند و اجازه عبور این ولتاژ ناگهانی را به خود منبع تغذیه و نهایتا سیستم شما نمی دهند و یا این که در بدترین حالت اگر خود منبع بسوزد ولی باز هم نباید برای سیستم شما اتفاقی بیفتد و سیستم شما باید سالم باقی بماند. در این حالت میزان عایقی ولتاژ ورودی از ولتاژهای خروجی و همچنین میزان عایقی بدنه از ولتاژهای خروجی و یا ورودی مهم می باشد.حال با در نظر گرفتن موارد بالا تازه متوجه می شوید که همه منابع موجود در بازار شبیه هم نیستند.بعضی منابع تغذیه دارای ویژگیهای مثبت زیر نیز می باشد:

1 ) منابع طراحی شده، در هنگام روشن شدن به آرامی روشن می شوند ( Soft Start ) تا جریان اولیه هجومی ( Input Inrush Current Limiting ) را محدود کنند.

2 )  قابلیت نصب آسان :برای نصب نیاز به هیچ گونه ابزار خاص یا آموزش ویژه ای ندارند که این موضوع زمانی که بخواهید منابع را در مکانهای مختلف و توسط افراد متفاوت در دستگاههای خود نصب کنید  یک مزیت مهم می باشد.فقط کافیست که ولتاژ ورودی منبع را وصل کنید و ولتاژهای خروجی آن را هم به سیستم خود وصل کنید.همچنین نحوه قرارگیری پیچها برای نصب دستگاه به گونه ای است که بتوان به راحتی برای مقاصد تعمیر یا کارهای دیگر، دستگاه را باز کرد.

3 ) وجود LED در ولتاژهای ورودی و خروجی منبع تغذیه اجازه تشخیص زودهنگام خطا در ورودی و خروجیها را می دهد.

4 ) حداقل فضا و حجم اندازه و حجم یک سیستم یک مساله مهم می باشد. این مساله نه تنها باعث کاهش هزینه ها و مدارات به کار رفته در سیستم می شود بلکه باعث می شود فضا را نیز کوچکتر کنیم و همچنین باعث می شود سیستم خود را از مکانهای سربسته بزرگ به فضاهای باز کوچکتر ببریم ( مثلا در سیستمهای مخابراتی ).

ی دانیم که رباتیک یک حوزه بین رشته ای است که از بهم پیوستن علوم مختلف مانند: الکترونیک، کامپیوتر و مکانیک شکل گرفته است بنابراین آشنایی با هر یک از این حوزه ها برای شناسایی دقیق حوزه رباتیک ضروری به نظر می رسد. یکی از علومی که دانش رباتیک از آن نشات گرفته مهندسی مکانیک است. مهندسی مکانیک به شکل ساده وظیفه طراحی و ساخت اسکلت اصلی ربات را بر عهده دارد. اسکلت ربات شامل بخش هایی است که ایستایی و امکان حرکت را برای ربات فراهم می کند. دیگر اجزاء ربات از قبیل حسگرها، مدارهای تغذیه ای، مدارهای کنترلی و سایر اجزاء بر روی بخش های مکانیکی ربات نصب شده و بخش های مکانیکی ربات متناسب با نیاز، امکانات حرکتی مختلفی را برای انجام وظیفه و یا وظایف مشخص شده ربات فراهم می آورند.   

برای آشنایی با بخش های مکانیکی ربات لازم است با برخی از اصطلاحات آشنا شویم. ماشین یکی از ابتدایی ترین مفاهیمی است که برای آشنایی با مکانیک ربات ضرورت دارد. برای درک دقیق از مفهوم ماشین لازم است بدانیم که یک ماشین چیست و از چه بخش هایی تشکیل شده است و دیگر اینکه آن بخش ها چگونه ماشین را شکل می دهند. به همین منظور از آشنایی با ریزترین بخش های شکل دهنده ماشین شروع می کنیم. به ریزترین بخش های شکل دهنده ماشین "اجزاء ماشین" می گویند.

اجزاء ماشین به قطعاتی از ماشین گفته می شود که هر کدام بنا به وظیفه خود دارای شکلی معین و مشخص می باشد. شکل اجزاء در کنار جنس آن می تواند کارکردی را که از آن انتظار می رود تامین نماید. اجزاء مکانیکی به خودی خود کارکردی نداشته و زمانی که در کنار دیگر اجزاء قرار میگیرند می توانند عملکرد خود را نشان دهند. تعداد معینی از اجزاء بسته به نوع کارکرد مورد انتظار باید در کنار هم قرار گیرند تا بتوانند کاری انجام دهند.

از به هم پیوستن تعدادی از اجزای ماشین که نحوه ارتباط آنها با یکدیگر منجر به ایجاد حرکتی معین شود مکانیسم گفته می شود. مکانیسم ها کوچکترین بخش از یک ماشین هستند که مستقلا می توانند کارکردی معنا دار و معین داشته باشند. بدیهی است که مکانیسم ها وابسته به کارکرد و فیزیک بکار گرفته شده می توانند از تعداد اجزاء مختلفی شکل بگیرند. یک مکانیزم می تواند تعداد 2 جزء و یا بیشتر از دو جزء داشته باشد. عملکرد مکانیزم ها ممکن است ملموس نبوده و قابل فهم نباشد. بنابراین حاصل عمل مکانیزم ها مستقیما به کار گرفته نمی شود.

مجموعه ای از یک یا چند مکانیزم که با ارتباط با یکدیگر و در کنار هم می توانند کاری معین و عملکردی ویژه را ایجاد نمایند یک سیستم نامیده می شود. سیستم ها عملکردی ملموس، قابل فهم و کاربردی دارند.

ماشین از بهم پیوستن سیستم ها به وجود می آید. ماشین وسیله ای برای تبدیل یا انتقال کار و انرژی است. به عبارت دیگر وقتی سیستم و یا سیستم هایی به صورت منفرد و یا در کنار یکدیگر بتوانند با تبدیل و یا انتقال انرژی عمل مشخصی را که ملموس و مورد نظر است انجام دهد، به ماشین تبدیل شده اند. یعنی وقتی سیستم یا سیستم ها کارکرد نهایی و مقصود را تامین می کنند ماشین شکل گرفته است.

 برای روشن شدن تعاریف فوق یک مثال ساده می زنیم. کولر آبی یک ماشین است که حاصل عمل آن خنک کردن هوا است. واضح است که خنک کردن، کارکرد نهایی مورد انتظار از کولر است. حالا به درون کولر می رویم تا به صورت ریزتر بخش های آن را مرور کنیم. اگر بخواهیم بخش های کلی موجود در کولر را معرفی کنیم باید از دو بخش عمده نام ببریم. یکی از این بخش ها بخش تولید کننده باد و دیگری بخش خنک کننده هوای داخل کولر است. یعنی کولر با انجام دو کار اصلی که عبارتند از ایجاد هوای خنک و دمیدن هوا به وظیفه خود عمل می کند. هر کدام از این دو بخش سیستم های کولر هستند که می توانند به تنهایی کاری مشخص و قابل لمس انجام دهند به عنوان مثال سیستم تولید باد کولر به تنهایی می تواند کار معینی را که همان دمیدن هوا است انجام دهد. اما این عملکرد، عملکرد نهایی این ماشین نیست. سیستم تولید باد در کولر آبی دارای مکانیزم های مختلفی است که به برخی از آنها اشاره می کنیم. یکی از این مکانیزم ها مکانیزم گردش پروانه کولر است که از یک پروانه، یک محور و دو عدد تکیه گاه که محور در درون آنها به گردش در می آید تشکیل شده است. همان طور که مشخص است این مکانیزم امکان گردش پروانه را برای تولید باد فراهم می کند اما به خودی خود عملکرد ملموسی ندارد. دیگر مکانیزم این سیستم مکانیزم تغییر سرعت است که باعث می شود سرعت گردش موتور الکتریکی کولر کم شود. اجزای این مکانیزم عبارتند از یک فولی کوچک یک فولی بزرگ و یک تسمه.