مکاترونیک یا Mechatronics چیست؟

مکاترونیک یا Mechatronics یک رشته علمی از نوع چندرشته ای بوده که شامل ترکیبی از مهندسی مکانیک،  الکترونیک، مهندسی کامپیوتر، مهندسی مخابرات، مهندسی سیستم ها و مهندسی کنترل می باشد.

با پیشرفت تکنولوژی، زیرشاخه های مهندسی، بیشتر شده و خود را با این پیشرفت ها تطبیق می دهند. هدف مکاترونیک یک فرآیند طراحی است که این زیرشاخه ها را به صورت یکپارچه در بیاورد. در ابتدا، مکاترونیک تنها شامل ترکیب مکانیک و الکترونیک بود، در نتیجه کلمه مکاترونیک از بخش اول کلمه مکانیک و بخش دوم کلمه الکترونیک تشکیل شده است. با این وجود، امروزه با توجه به این که سیستم های فنی پیچیده و پیچیده تر شده اند این تعریف گسترش یافته تا شاخه های فنی بیشتری را در بر بگیرد.

کلمه مکاترونیک اولین بار در زبان انگلیسیِ مورد استفاده ژاپنی ها، مشاهده شد. این واژه توسط Tetsuro Mori که یک مهندس در شرکت  Yaskawa Electric Corporation بود ابداع شد. در سال 1971 واژه مکاترونیک توسط این شرکت به عنوان یک نماد بازرگانی در ژاپن و با شماره 46-32714 ثبت شد. با این حال، این شرکت در ادامه حق استفاده از این واژه را در اختیار عموم قرار داد و کلمه مکاترونیک به بخش های مختلف جهان نیز گسترش یافت. امروزه این کلمه به هر زبانی ترجمه شده است و به عنوان یک واژه ضروری در صنعت به شمار می رود.

استاندارد فرانسوی NF E 01-010، مکاترونیک را این چنین تعریف می کند:” رویکردی با هدف یکپارچه سازی متقابل علم مکانیک، الکترونیک، نظریه کنترل و علوم کامپیوتر در فرآیند های طراحی و تولید محصولات، به منظور بهبود یا بهینه سازی عملکرد آن ها.”

بسیاری از مردم مکاترونیک را کلمه ای از نوع مد روز می دانند که هم معنی مهندسی الکترومکانیک است.

تشریح مکاترونیک

یک مهندس مکاترونیک اصول مکانیک، الکترونیک و کامپیوتر را در کنار هم قرار می دهد تا سیستمی ساده تر، اقتصادی تر و قابل اطمینان تر ایجاد کند. واژه مکاترونیک توسط  Tetsuro Mori، یکی از مهندسان اصلی شرکت ژاپنی  Yaskawa در سال 1969 ابداع شد. یک ربات صنعتی، مثالی از یک سیستم مکاترونیکی به شمار می رود که دارای جنبه های مختلفی از الکترونیک، مکانیک و علوم کامپیوتر برای انجام دادن وظایف روزمره خود می باشد.

سایبرنتیک مهندسی در واقع به سوال مربوط به مهندسی کنترل سیستم های مکاترونیکی پاسخ می دهد و از آن برای کنترل یا تنظیم چنین سیستمی کمک گرفته می شود. ماژول های مکاترونیک با همکاری با یکدیگر، اهداف تولید را به اجرا در می آورند و خواص تولیدی مانند انعطاف پذیری و چالاکی را در طرح تولید را به ارث می برند. تجهیزات مدرن تولید شامل ماژول هایی از مکاترونیک هستند که با استفاده از یک معماری کنترل، ادغام شده اند. شناخته شده ترین معماری ها شامل سلسه مراتبی،polyarchy،  heterarchy و هیبریدی می باشند. روش های دست یابی به یک اثر فنی توسط الگوریتم های کنترلی- که ممکن است از روش های صوری(رسمی) در طراحی خود استفاده بکنند یا نکنند- توصیف می شود. سیستم های هیبریدی مهم در مکاترونیک شامل سیستم های تولید، سیستم های رانندگی هم افزا، سیاره نورد های اکتشافی، سیستم های مختلف اتومبیل شامل سیستم ترمز ABS، سیستم کمک به چرخش و سایر سیستم های متداول در زندگی روزمره شامل دوربین های با فوکوس خودکار،ویدئو، هارد دیسک ها، و پخش کننده های سی دی می باشند.

ساختار درسی مکاترونیک

دانشجویان مکاترونیک دروس مختلفی را در زمینه های مختلف فرا می گیرند:

• مهندسی مکانیک و علم مواد
• مهندسی برق
• مهندسی کامپیوتر(نرم افزار و سخت افزار)
• علوم کامپیوتر
• مهندسی سیستم ها و کنترل
• مهندسی اپتیک

کاربرد های مکاترونیک

• بینایی ماشین
• اتوماسیون و رباتیک
• سروُمکانیک
• حس کردن و سیستم های کنترل
• مهندسی اتومبیل و تجهیزات اتومبیل که در طراحی سیستم های جزئی ماشین مانند ترمز های ضد قفل به کار می رود
• کنترل های کامپیوتری ماشین آلات مانند ماشین آلاتی که با کمک یک کامپیوتر عمل می کنند: ماشین تراش های CNC، واترجت هایCNC، برش دهنده های پلاسمای CNC
• سیستم های خبره
• کالاهای صنعتی
• کالاهای مصرفی
• سیستم های مکاترونیکی
• مکاترونیک پزشکی، سیستم های تصویربرداری پزشکی
• سیستم های سازه ای دینامیک
• سیستم های حمل و نقل
• مکاترونیک به عنوان زبان جدید اتومبیل
• سیستم های تولید با کمک کامپیوتر یا ادغام شده با​ آن
• طراحی با کمک کامپیوتر(CAD)
• سیستم های مهندسی و تولید
• بسته بندی
• میکروکنترلر ها/PLC ها
• نرم افزار های موبایل
• مهندسی الکترومکانیک
• اجراییات فیزیکی مکاترونیک

در مدل سازی مکانیکی باید  مدل سازی و شبیه سازی پدیده های پیچیده فیزیکی در چندین مقیاس و با استفاده از روش های فیزیکی مختلف انجام گیرد. این کار در واقع به مفهوم اجرایی کردن و مدیریت فرآیند مدل سازی، روش های بهینه سازی و ابزار ها می باشد که با استفاده از یک روش اصولی به صورت یکپارچه در آمده اند. این تخصص ویژه دانشجویان مکانیک که می خواهند ذهن خود را در برابر مسائل مهندسی سیستم ها باز کنند و بتوانند تکنولوژی های مختلف را با یکدیگر ادغام کنند و همچنین دانشجویان مکاترونیک است که می خواهند دانش خود در زمینه بهینه سازی و روش های چند رشته ای شبیه سازی را افزایش دهند. این تخصص دانشجویان را با استفاده از روش های درک قوی یا درک بهینه سازی شده برای سازه ها یا بسیاری از سیستم های تکنولوژیکی، آموزش می دهد و همچنین آن ها را ابزار های اصلی مدل سازی و شبیه سازی که در تحقیق و توسعه مورد استفاده قرار می گیرند آشنا می کند. دروس ویژه ای نیز برای درخواست های ثبت نام ابتکاری در نظر گرفته می شوند( کامپوزیت های چند ماده ای- اختراع مبدل ها و محرک ها- سیستم های مجتمع و…) تا دانشجویان را برای دستیابی به موفقیت در آینده در زمینه ی مواد و سیستم ها آماده کند. برای برخی سیستم های مکاترونیکی، مشکل اصلی دیگر نحوه پیاده سازی یک سیستم کنترل نیست بلکه نحوه به کارگیری محرک ها می باشد. در رشته مکاترونیک، به طور عمده از دو تکنولوژی برای ایجاد جابجایی و حرکت استفاده می شود.

بیومکاترونیک ؛ نوعی دیگر از رشته مکاترونیک

نوعی دیگر از این رشته که به تازگی در حال ظهور است بیومکاترونیک نام دارد که هدف آن ادغام کردن قطعات مکانیکی با با یک انسان است. این کار معمولا به شکل یک ابزار قابل نصب بر روی بدن و مشابه یک استخوان بندی بیرونی می باشد. در واقع این تکنولوژی، نسخه واقعی از تکنولوژی cyberware (که در داستان های علمی تخیلی استفاده می شود) می باشد.

شکل دیگری که می توان به آن اشاره کرد کنترل حرکت برای مکاترونیک پیشرفته است که در حال حاضر به عنوان یک تکنولوژی کلیدی در مکاترونیک شناخته می شود. استحکام کنترل حرکت به عنوان تابعی از سختی ارائه می شود و در واقعی مبنایی برای تحقق عملی آن است. هدفِ حرکت، با میزان سختی کنترل پارامترسازی می شود که می تواند بنا بر مرجع دستور، خود نیز یک متغیر باشد. با این وجود استحکام سیستمی حرکت همیشه به سختی بسیار بالای کنترلر نیاز دارد.

آویونیک یکی دیگر از شکل های مکاترونیک می باشد زیرا چندین زمینه مختلف مانند الکترونیک و مخابرات را با مهندسی هوافضا ترکیب می کند.

نمودار اویلر که شاخه های تشکیل دهنده مکاترونیک را نمایش می دهد

نمودار اویلر – شاخه های تشکیل دهنده مکاترونیک