روبات‌ها چگونه کار می‌کنند؟

قسمت اول

کلمه روبات از یک واژه زبان چک به نام  «Roboa» مشتق شده و به معنی کارگران اجباری است و همین معنی، تا حدودی وظایف و نحوه عملکرد روبات‌ها را در دنیای واقعی نشان می‌دهد. اکثر روبات‌ها در دنیای واقعی به منظور انجام دادن کارهای سخت یا خطرناک یا نیازمند دقت زیاد مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از طراحی آن‌ها انجام مأموریت‌هایی است که بشر یا قادر به انجام آن‌ها نیست یا عامل خستگی و پایین آمدن دقت بشر در انجام کارهای یکنواخت، تأثیر زیادی در عملکرد او در اجرای آن کارها دارد.
روبات‌ها چگونه کار می‌کنند؟

ساختار بدن انسان به صورت کلی به پنج جزء اصلی تقسیم می‌شود:

1- سازه یا اسکلت بندی بدن انسان

2- سیستم عضلانی که وظیفه حرکت دادن سازه بدن انسان را برعهده دارد.

3- سیستم حسگرهای موجود در بدن که اطلاعاتی را در مورد بدن و محیط اطراف دریافت می‌کند.

4- منبع انرژی که عضلات و سنسورها را حرکت می‌دهد.

5- سیستم مغز که اطلاعات گرفته شده از حسگرها را پردازش می‌کند و دستورات لازم را به عضلات و سیستم های حرکتی می‌دهد.

البته علاوه بر موارد ذکر شده، ما دارای هوش و اخلاق نیز هستیم و موارد نامبرده فقط سیستم‌های فیزیکی قابل لمس بدن انسان را شامل می‌شود.

یک روبات از تعداد زیادی اجزا، مانند موارد نامبرده تشکیل شده است. یک روبات معمولی دارای یک سازه فیزیکی، یک موتور، یک سیستم حسگر، یک منبع تغذیه و یک مغز کامپیوتری است که تمامی این المان ها را کنترل می‌کند.

به طور کلی روبات‌ها، ماشین‌هایی هستند که می‌توانند رفتار انسان و حیوان را تا حد زیادی مانند آن‌ها انجام دهند.

در این مقاله به بررسی مفاهیم اولیه علم روباتیک می‌پردازیم و نحوه عملکرد روبات‌های مختلف را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

آقای Yoseph Engelberger، یکی از افراد با سابقه در زمینه روباتیک صنعتی، می‌گوید: «من نمی توانم یک روبات را تعریف کنم، اما موقعی که یکی از روبات‌ها را می‌بینم، می توانم واژه قابل تعریفی برای آن داشته باشم.» هر یک از ما تعریف متفاوتی از روبات در ذهنمان نقش بسته است. هر یک از روبات‌ها وظایف و عملکرد متفاوتی دارند. ممکن است با تعدادی از روبات‌های معروف آشنا باشید که در زیر توضیحات کلی راجع به آن ها آورده شده است:

- R2D2 و C-3PO: در فیلم جنگ ستارگان که هوشمند، سخنگو و دارای شخصیت نیز بودند.

- AIBO: محصول شرکت سونی یک روبات سگ نما است که می‌توانست از طریق تبادل اطلاعات با انسان، بیاموزد.

- Dekster: روبات انسان‌نمای جدید شده‌اند كه می‌تواند از طریق آزمون و خطا به مرور راه ‏رفتن و در نهایت دویدن را فرا بگیرد.

- روبات‌های صنعتی که روبات‌های خودکار هستند و در خطوط مونتاژ صنایع مختلف به کار گرفته می شوند.

- Data: روبات‌های انسان نما در فیلم Star Trek

- Battle Bot: سربازان و جنگنده های کنترل شونده توسط انسان از راه دور.

- اتومبیل هایی که در سطح کره مریخ حرکت می‌کنند.

- Minds storms: که کیت های آموزش روباتیک می باشند.
اکثر سازندگان روبات‌ها تعریف دقیق‌تری از روبات ارائه می‌دهند. آنها به سیستمی روبات می‌گویند که دارای مغز برنامه پذیر باشد و موجب حرکت بدنه روبات شود.

 با این تعریف روبات‌ها از ماشین های متحرکی که ما می‌شناسیم،(مانند اتومبیل ها که کنترل اکثر اجزای آنها توسط قطعات مکانیکی است) متفاوتند. اکثر روبات‌ها دارای اجزا و قسمت های اساسی هستند و اغلب یک بدنه متحرک دارند، تعدادی از آن‌ها با چرخ‌های متصل به بدنه حرکت می‌کنند، برخی از آن‌ها روی زمین می‌خزند، دسته‌ای حول محورهای ثابتی دوران می‌کنند و فقط قسمت‌هایی از بدنه آن‌ها حرکت می‌کند. بعضی برای عبور از موانع سخت طراحی شده اند و دارای بدنه انعطاف پذیر برای تطبیق با شرایط محیطی هستند. این المان ها و بازوهای مکانیکی دوار یا ثابت توسط اتصالاتی با  مختلف به یکدیگر متصلند. تعدادی از روبات‌ها از موتورهای الکتریکی شامل موتورهای DC و موتورهای Step یا موتورهای سرو (servo) و... استفاده می‌کنند، تعدادی از solenoid (سیم پیچ های استوانه ای) و تعدادی دیگر نیز از سیستم های  هیدرولیکی یا نیوماتیکی برای به حرکت درآوردن اجزای خود استفاده می‌کنند. در سولونویدها با استفاده از میدان مغناطیسی ناشی از عبور جریان الکتریکی از داخل یک سیم پیچ می توان میله هایی را در درون آن‌ها وادار به حرکت خطی کرد و این حرکت خطی مانند انقباض یا انسباط عضلانی بدن انسان، باعث حرکت المان های صلب دیگر یا چرخش آن ها می‌شود.

 
در سیستم‌های هیدرولیکی یک پمپ مورد نیاز است تا مایع (که معمولاً روغن های مخصوص است) را با فشار زیاد وارد مدار هیدرولیکی کند. در سیستم های نیوماتیکی که با هوای فشرده کار می‌کنند نیز یک کمپرسور هوا یا یک مخزن نگهدارنده هوا فشار بالا مورد نیاز است. این وسایل مانند یک باتری در مدارهای الکتریکی عمل می‌کنند و در واقع یک منبع انرژی برای به حرکت در آوردن عمل کننده‌ها هستند. تقریباً همه عمل کننده‌ها به یک منبع الکتریکی احتیاج دارند؛ حتی عمل کننده‌های هیدرولیکی و نیوماتیکی نیز توسط شیرهای الکتریکی شروع به حرکت می‌کنند. این شیرها مسیر عبور جریان‌های پرفشارهوا یا روغن را در مدارها تعیین می‌کنند و با قطع یا وصل شدن، روغن یا هوا را با فشار بالا درون به سیلندر و پیستون هدایت می‌کنند. مثلاً برای حرکت دادن یک پای هیدرولیکی، شیر الکتریکی مسیر روغن را برای سیلندر پیستون مورد نظر باز می‌کند و با این عمل پیشتون در اثر فشار اعمالی از یک طرف در سیلندر به حرکت در می‌آید و دقیقاً مانند انقباض یا انبساط  عضلانی عمل می‌کند. بعضی از مکانیزهای سیلندر و پیستون یک طرفه هستند و برگشت آن‌ها به حالت اولیه توسط یک فنر در داخل سیلندر انجام می‌گیرد. بعضی دیگر دو طرفه هستند. یعنی فشار روغن یا هوا از هر دو طرف پیستون می‌تواند وارد محفظه سیلندر شود و با اعمال فشار بیشتر به یک طرف باعث حرکت پیستون در آن جهت شود. این سیلندر و پیستون‌های هیدرولیکی یا نیوماتیکی انواع مختلفی دارند. بعضی از آن ها از فشار سیال برای حرکت دورانی محور اصلی خود استفاده می‌کنند، بعضی هم حرکت‌های خطی در چند جهت را ایجاد می‌کنند.
رایانه روبات‌ها در حقیقت مغز آن‌ها محسوب می‌شوند. در واقع وظیفه آن‌ها پردازش داده‌های ورودی از حسگرهای مختلف و محیط اطراف، تصمیم گیری نهایی، کنترل روبات و پردازش مجدد بازخوردها است.

اکثر روبات‌ها قابلیت برنامه پذیری مجدد را دارند و این به منظور عوض کردن رفتار روبات در محیط‌های جدید یا دستیابی به نقاط حرکت جدید یا اهداف دیگر است. در حقیقت با این برنامه جدید، روبات‌ها زمان قطع وصل‌شدن موتورها یا عمل کننده‌های مختلف یا پردازش داده ها را تغییر می دهند.

همه روبات‌ها دارای حسگر نیستند و بعضی نیز توانایی کمی در بینایی، شنوایی، بویایی و چشایی دارند، اما تقریباً همه آن ها دارای حسگرهایی برای نشان دادن وضعیت و موقعیت آن ها در دو یا سه بعد هستند.

 این سیستم مکان‌یابی یا Localization یکی از مرسوم ترین سیستم‌های مورد استفاده در روبات‌های متحرک یا Mobile robots است. یکی از ساده ترین تجهیزات سیستم  مکان‌یابی، شمارنده‌های حرکت دورانی یا encoderها هستند. این تجهیزات در حالت ساده از یک LED در یک طرف چرخ شیار دار یا صفحه‌ی مدرج و یک حسگر نوری در طرف دیگر تشکیل شده است و پرتو نوری با عبور از شیارهای دیسک دوار با برخورد خطوط مدرج روی صفحه دوار سیگنال‌هایی را به حسگر نوری طرف دیگر ارسال می‌کند و با این پدیده می‌توان به حرکت چرخشی دست یافت. از این خاصیت در بعضی از ماوس‌های رایانه ها نیز استفاده می‌شود. تعدادی از این encoderها با میدان‌های مغناطیسی کار می‌کنند. مثلاً درMR-encoderها یک دیسک دوار که روی آن چند جفت قطب مغناطیسی شمال (N) و جنوب (S) وجود دارد، با دوران توسط محور چرخ یا موتور یا هر عمل کننده دوار دیگر، یک موج سینوسی از ولتاژ را در حسگرهای MR روبه روی خود ایجاد می‌کنند. در حسگرهای وضعیت (Hall) از این پدیده استفاده می‌کنند که محور موتور دارای یک خاصیت مغناطیسی دائمی می شود. با دوران و تغییر شار مغناطیسی می توان این تغییرات را با حسگرهای وضعیت ثبت کرد، اما در این نوع شمارنده ها  نمی توان به دقت بالایی دست پیدا کرد.

یکی از مرسومترین روبات‌های مورد استفاده در خط تولید صنایع، بازوهای روباتیکی هستند. یک نوع معمولی این بازها دارای هفت قسمت اصلی فلزی یا کامپوزیتی هستند که با شش اتصال به هم وصل شده اند. رایانه اصلی، حرکت روبات را در صفحه و در فضا مورد بررسی قرار می دهد و با توجه به بازخوردهای دریافتی از حسگرهای تعیین موقعیت، فشار یا ... و برنامه داده شده به آن، فرمان های لازم را به Step motor های موجود در هر اتصال می‌دهد.

البته در بعضی از بازوهای بزرگ‌تر که باید قابلیت حمل بار بیشتری را داشته باشند، از سیستم های محرک هیدرولیکی یا نیوماتیکی نیز استفاده می‌شود. Step motorها برخلاف موتورهای DC معمولی می توانند در زاویه های جزئی معین شده کوچک نیز حرکت کنند. بنابراین دقت آن ها بیشتر از موتورهای DC  معمولی است، اما سرعت آن ها پایین تر است. با این حال این دقت بالا به رایانه‌ها این توانایی را می‌دهد که بازوها را با دقت بالایی حرکت دهند و به صورت مرتب یک عمل تکراری را انجام دهند.

بعضی از روبات‌ها قابلیت یادگیری و ذخیره سازی اطلاعات مربوط به مسیر حرکت و توالی حرکات را دارند و با یک بار انجام دادن عمل مورد نظر توسط یک اپراتور با یک دستگاه کنترل، روبات تمامی موارد ذکر شده در بالا رادر حافظه خود ذخیره می‌کند. یا به عبارتی، عمل یادگیری را انجام می‌دهد. سپس این عمل را بارها با دقت زیاد انجام می‌دهد. مثلاً از این روبات‌ها می توان در صنایع بسته بندی مواد غذایی یا خط مونتاژ استفاده کرد.

 یکی از موارد استفاده زیاد از روبات‌های صنعتی استفاده از آن‌ها در خطوط مونتاژ رایانه ها و بوردهای الکترونیکی است که با دقت بسیار بالا و اعمال نیروی مجاز، قطعات کوچک رادر جای خود قرار می دند و سپس آن‌ها را به بورد متصل می‌کنند.