تحقیق مقاله علم رباتیک

مقدمه

    براى مطالعه هوش مصنوعى، جالب و مفید، بودن این موجودیت هاى هوشمند

است. هوش مصنوعى محصولات مهم و مؤثر زیادى در مراحل اولیه توسعه اش تولید کرده است. اگر چه هیچ کس نمى تواند آینده را به طور مشخص پیش بینى کند، اما آشکار است که کامپیوتر هایى هوشمند همردیف با انسان، تأثیر بسزایى بر زندگى روزمره و همچنین برآینده خواهد داشت.

    در سال ۱۹۵۴ میلادى، عصر روبات ها با ارائه اولین روبات آدم نما از طرف «جرج دوول» (George Devol)  شروع شد.

    امروزه، ۹۰ درصد روبات ها، روبات هاى صنعتى هستند، یعنى روبات هایى که در کارخانه ها، آزمایشگاه ها، انبارها، نیروگاه ها، بیمارستان ها، و بخش هاى مشابه به کار گرفته مى شوند. در سال هاى قبل، بیشتر روبات هاى صنعتى در کارخانه هاى خودروسازى به کارگرفته مى شدند، ولى امروزه تنها حدود نیمى از روبات هاى موجود در دنیا در کارخانه هاى خودروسازى به کار گرفته مى شوند. مصارف روبات ها در همه ابعاد زندگى انسان به سرعت در حال گسترش است تا کارهاى سخت و خطرناک را به جاى انسان انجام دهند. براى مثال امروزه براى بررسى وضعیت داخلى راکتورها از روبات استفاده مى شود تا تشعشعات رادیواکتیو به انسان ها صدمه نزند. بعدها روبات هاى صنعتى زیادى ساخته شدند و انجمن صنایع روباتیک این تعریف را براى روبات صنعتى ارائه کرد :

    « روبات صنعتى یک وسیله چند کاره و با قابلیت برنامه ریزى چند باره است که براى جابه جایى قطعات، مواد، ابزارها با وسایل خاص به وسیله حرکات برنامه ریزى شده، براى انجام کارهاى مختلف استفاده مى شود. »

    انگلبرگر شرکت unimate را برگرفته از universal Automation براى تولید روبات پایه گذارى کرد. نخستین روبات هاى این شرکت در کارخانه جنرال موتورز (General Motors) براى انجام کارهاى دشوار در خودروسازى به کار گرفته شد. انگلبرگر را «پدر روباتیک» نامیده اند.

    در سال ۱۹۶۲ میلادی شرکت خودروسازى جنرال موتورز نخستین روبات Unimate  را در خط مونتاژ خود به کار گرفت.

    روبات ها روز به روز هوشمندتر مى شوند تا هر چه بیشتر در کارهاى سخت و پر خطر به یارى انسان ها بیایند.

    اکنون اولین روبات انسان نماى خاورمیانه در دانشگاه صنعتى شریف در حال طراحى و ساخت مى باشد.

روبات چیست ؟

    روبات یک ماشین الکترومکانیکى هوشمند است که مى توان آن را بارها برنامه ریزى کرد. چندکاره و کارآمد و مناسب براى محیط است. می تواند در شرایط خاصی که در آن قرار می گیرد، کار تعریف شده ای را انجام دهد و همچنین قابلیت تصمیم گیری در شرایط مختلف را نیز ممکن است داشته باشد. با این تعریف می توان گفت روبات ها برای کارهای مختلفی می توانند تعریف و ساخته شوند. مانند کارهایی که انجام آن برای انسان غیرممکن یا دشوار باشد.
برای مثال در قسمت مونتاژ یک  کارخانه اتومبیل سازی، قسمتی هست که چرخ زاپاس ماشین را در صندوق عقب قرار می دهند، اگر یک انسان این کار را انجام دهد خیلی زود دچار ناراحتی هایی مثل کمر درد و ...می شود، اما می توان از یک روبات الکترومکانیکی برای این کار استفاده کرد و یا برای جوشکاری و سایر کارهای دشوار کارخانجات هم همینطور، و یا روبات هایی که برای اکتشاف در سایر سیارات به کار می روند هم از انواع روبات هایی هستند که در جاهایی که حضور انسان غیرممکن است استفاده می شوند.

موسسه بین المللی استاندارد روبات را بصورت زیر تعریف کرده است:

   روبات وسیله ای است که :

 بصورت خودکار کنترل شود

 قابل برنامه ریزی مجدد باشد

 چند منظوره بوده و

 با داشتن چندین درجه آزادی قدرت جابجائی داشته باشد.

 روبات می تواند متحرک و یا ثابت باشد.

اهمیت روبات ها:

    امروزه روبات ها در انجام بسیاری از کارها به کمک انسان آمده و در برخی کارها نیز جایگزین آدمی گشته اند از جمله:

کار در کارخانه، اکتشافات فضائی،  جراحی، بصورت دست آموز خانگی    و....

بطور کلی روبات ها در کارهائی استفاده می شوند که خطرناک بوده (مثل نیروگاههای هسته ای)، مشکل و تکراری باشند (مثل اغلب کار کارخانه ها) و محیط های کثیف (مثل داخل لوله ها).

هدف از ساخت روبات چیست ؟

    هدف از ساخت روبات ، ایمن تر، سریع تر، دقیق تر و بهینه تر انجام دادن اموری است که برای انسان ها در درازمدت قابل انجام و یا غیر قابل انجام        می باشد که آن امور با صرف هزینه، نیرو و خطرات بیشتر همراه است .           

روباتیک چیست ؟

    علم مطالعه روبات ها را روباتیک می نامند.

تعریف جامع تر این علم را می توان بصورت زیر نیز بازگو نمود:

«روباتیک عبارت است از ارتباط هوشمندانه بین ادراک و عمل»

علم روباتیک از سه شاخه اصلی تشکیل شده است:

 الکترونیک ( شامل مغز روبات)

 مکانیک (شامل بدنه فیزیکی روبات)

 نرم افزار (شامل قوه تفکر و تصمیم گیری روبات)

    اگریک روبات را به یک انسان تشبیه کنیم، بخش هایی مربوط به ظاهر فیزیکی انسان را متخصصان مکانیک می سازند، مغز روبات را متخصصان الکترونیک توسط مدارای پیچیده الکترونیک طراحی کرده و می سازند و کارشناسان نرم افزار قوه تفکر را به وسیله برنامه های کامپیوتری برای روبات شبیه سازی می کنند تا در موقعیتهای خاص، فعالیت مناسب را انجام دهد.

    قوانین روباتیک مطرح شده از سوى آسیموف:

    ۱. روبات ها نباید هیچ گاه به انسان ها صدمه بزنند،

    ۲. روبات ها باید دستورات انسان ها را بدون سرپیچى از قانون اول اجرا   کنند.

    3. روبات ها باید بدون نقض قانون اول و دوم از خود محافظت کنند.

اجزاء یک سیستم روباتیک :

 ساختار مکانیکی شامل:

اتصالات بازو وبدنه، چرخ ها

 محرک ها ئی که باعث حرکت روبات می شوند، نظیرموتورها

 سنسورهای مختلف برای ادراک محیط پیرامون روبات ها نظیر:

سنسورهای فاصله (Ultrasonic)، دوربین، لیزر، سنسورهاى sonar و غیره

 یک کنترلر کامپیوتری براى راه اندازى و بررسى حرکات روبات که سیگنال های سنسورها را خوانده و با پردازش اطلاعات بتواند فرامین لازمه را برای محرک ها ایجاد نماید نظیر نیروها و گشتاورهاى موتورها براى سرعت مورد نظر، جهت مورد نظر، کنترل مسیر و...

 قسمت تصمیم گیرى (برنامه اى براى تعیین اعمال لازم) به منظور:

حرکت در یک جهت خاص، دورى از موانع، برداشتن اجسام و...

زیر سیستم های اصلی یک روبات:

Sensory processing

Interpretation         

  Information Processing                

Sensor

Real                                      Data

                                                                                                     World

(Environment)

Process    

Think     

Decision  

Control   

Low Level   

Controllers  

Information                                      Command

Concepts                                          

Actuators 

Real world (Environment )                    

بخش اول : Sensor (سنسور) :

    سنسور یک المان الکتریکی می باشد که اطلاعات را از محیط اطراف دریافت کرده و آن را به بخش پردازش ارسال می کند.  

بخش دوم : Information processing (پردازش اطلاعات):

    در این بخش اطلاعاتی که توسط سنسورها از محیط دریافت شده پردازش می شود تا با استفاده از آن ها  روبات کاری را انجام دهد.

بخش سوم : Process and Decision  (پردازش و تصمیم گیری):

    این بخش اوج هوشمندی (Intelligence ) و یادگیری (Learning ) روبات می باشد و درواقع حافظه روبات است. قسمتی از پردازش در این بخش برای هدایت (Navigation )  روبات بوده و دستورات و فرامین لازم برای  عمل کردن درست و به موقع روبات از این بخش به قسمت مکانیکی (حرکتی ،Locomotion ) روبات ارسال می شود،  به همین منظور با بخش های قبلی در ارتباط است.

بخش چهارم :  Low Level Controllers :

    در اینجا روبات کنترل می کند که چگونه به هدف برسد در واقع این کار ذهنی انجام می گیرد .

بخش پنجم : Actuators  (عملگر):

    دراین بخش عملگرها قرار دارند که عمل مناسب را با توجه به آنچه که سنسورها دریافت کرده اند انجام می دهند، ممکن است به صورت چرخ، بازو و ... باشند.

انواع روبات

از دید کنترل :

              01 Teleoperation (کنترل از راه دور توسط انسان)

    02 Self-Controlled (خود کنترل): که  از لحاظ درجه ی هوشمندی (Degree Of Autonomy) به دو دسته ی زیر تقسیم می شوند:

Mind-less  : این روبات ها کارهای تکراری (repetitive)  را انجام می دهند.

 Intelligent :  این روبات ها هوشمند هستند و با عدم قطعیت (uncertainty) مقابله می کنند.

از دید فیزیکی و مکانیکی (تحرک پذیری) :

            1. روباتهای ثابت (manipulator or industrial robots) :

    این روبات ها که شامل قطعات الکترونیکى و مکانیکى هستند، در ابتدا به    صورت بازوهاى مکانیکى براى جابه جایى قطعات و یا کارهاى ساده و تکرارى به وجود آمدند که موجب خستگى و عدم تمرکز کارگر و افت بازده مى شد.

    بازوها معمولاً در نقطه ثابت و در فضاى کاملاً کنترل شده در کارخانه نصب مى شوند و به غیر از وظیفه اى که براى آن ها طراحى شده اند، قادر به انجام کار دیگرى نیستند. این وظیفه مى تواند در حد بسته بندى تولیدات، کنترل کیفیت و جدا کردن تولیدات بى کیفیت و یا کارهاى پیچیده ترى همچون جوشکارى و رنگزنى با دقت بالا باشد.

یک روبات ثابت از اجزاء مکانیکی زیر تشکیل می شود :

                        (اتصال)  Link                                    

 End effectors                  

                                                                                   (عملگر نهایی)

             (مفصل) Join

 (مبدأ)Original   

     2. روباتهای متحرک (mobile robots) :

    این روبات ها مانند روبات هاى جابه جا کننده در محیط ثابت و شرایط کنترل شده کار نمى کنند، بلکه همانند موجودات زنده در دنیاى واقعى و با شرایط واقعى زندگى مى کنند و سیر اتفاقاتى که روبات باید با آنها روبه رو شود از قبل مشخص نیست. در این نوع روبات هاست که تکنیک هاى هوش مصنوعى باید در کنترل کننده روبات (مغز روبات) به کار گرفته شود.

روبات های متحرک دو عامل بسیار مهم دارند:

عامل حرکت (Locomotion) :

  روبات هاى چرخ دار با انواع چرخ عادى و یا شنى تانک و با پیکربندى هاى مختلف یک، دو یا چند قسمتى

 روبات هاى پادار مثل سگ اسباب بازى AIBO ساخت سونى یا روبات ASIMO  ساخت شرکت هوندا.

  روبات هاى پرنده (Arial)

 روبات های مارشکل (Snake) که بر روی زمین می خزند.

 روبات هاى چند گانه (هایبرید) که ترکیبى از روباتهاى بالا یا     ترکیب با بازوها هستند.

عامل هدایت (navigation):

 هدف (goal)

 مکان یابی (localization)

 برنامه ریزی مسیر (path planning) :

        برنامه ریزی کلی مسیر (Global path planning )

     برنامه ریزی محلی مسیر(  (Local path planning

 کشیدن نقشه (map making)

دو نوع مهم path planning  و Map making:

 Topological ( شکل ) : در نقشه فقط شکلی از محیط را به روبات می دهیم وجای دقیق اشیاء کاملا مشخص نیست.

 Metric (بر اساس اندازه گیری دقیق) : در اینجا به صورت دقیق جای هر یک از اشیاء مشخص بوده و فاصله کنونی روبات با هر شیء  نیز به طور دقیق به روبات گفته می شود.

    در طرح ریزی نقشه و تشخیص مسیر مطلوب مهم ترین مسئله بهینه سازی (Optimization) بوده و مهم ترین مطلب در بهینه سازی نیز OR (Operations Research Planning ) می باشد.