آموزش مهندسی رباتیک

مهندسی رباتیک

مهندسی رباتیک (به انگلیسی: Robotics engineering) می‌توان عاملی برای پیشرفت جوامع دانست امروزه پیشرفت تکنولوژی زندگی همه افراد و جامعه را تحت تاثیر قرار داده‌است؛ به طوری‌که هر چه پیش می‌رویم این حضور پر رنگ‌تر شده و باعث می‌شود دخالت انسان در امور را کاهش دهد تا جایی که دیگر نیاز به حضور انسان در کارهای روزمره، صنعت و ... نباشد؛ علم رباتیک قادر است تمام آنچه که به وسیله انسان یا حتی حیوان انجام می‌شود را انجام دهد به علاوه می‌تواند به کارهایی دسترسی داشته باشد که زمانی تصور کردن آن‌ها نیز غیر ممکن بود.

 با پیشرفت فناوری و تکنولوژی به تدریج کارهای دستی منسوخ شده و افراد به ربات‌ها برای انجام فعالیت‌ها روی می‌ورند چیزی که امروزه هر چند کم اما شاهد آن هستیم. کشورهای صنعتی به این حقیقت رسیده‌اند که کشوری پیشرفت نمی‌کند مگر آنکه در تمام علوم پیشرفت کند، بنابراین با توجه به اینکه رباتیک یکی از علوم سرنوشت‌ساز قرن است که به آن نیاز است؛ به همین دلیل فعالیت‌های بسیاری در این راستا انجام شده‌است به طوری که اینگونه مطرح شده‌است که " در سال 2050 ربات‌هایی خواهیم ساخت شبیه انسان که بتوانند با قوی‌ترین تیم فوتبال انسآن‌ها بازی کنند و بدون انجام خطا انسآن‌ها شکست دهند." 

رباتیک ارتباطی با رشته افراد ندارد و نمی‌توان علم خاصی از رشته را وارد رباتیک کرد بنابراین این دید که افراد غیر از رشته‌های فنی مهندسی نمی‌توانند در این حوزه فعالیت داشته باشند باید کنار گذاشته شود.

گاهی اوقات ممنکن است ربات‌ها وجود خارجی نداشته باشند با شاید بتوان آن‌ها را در ابعاد میکروسکوپی یا به صورت یک مفهوم رباتیک ساخت. ربات‌ها قابلیت این را دارند که در هر صنعتی ورود کنند، اگر بتوان چیزی را تولید کرد و به آن برنامه داد. پس از مدتی بتواند برنامه را بدون خطا اجرا کند، رباتیک گفته می‌شود.

رباتیک چیست ؟

رباتیک چیست؟ رباتیک علمی است که از مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر استفاده می‌شود؛ رباتیک دارای اجزای طراحی، ساخت، راه‌اندازی و استفاده است، به وسیله ربات‌ها می‌توان کنترل، بازخورد، پردازش اطلاعات و ... را انجام داد. رباتیک می‌تواند با برنامه‌ریزی و بدون کمک انسان وظایف تعریف شده خود را انجام داده و با محیط ارتباط برقرار کند. رباتیک با هدف راحتی انسآن‌ها و ذخیره زمان و انرژی مورد استقبال گسترده پژوهشگران قرار گرفته‌است؛ به عبارتی در جواب رباتیک چیست؟ میتوان گفت رباتیک علم و فناوری ابزار و وسایلی است که با رویکرد برنامه‌ریزی فعالیت‌های عمومی را انجام می‌دهد.

پدر علم رباتیک جهان را بدیع‌الزمان ابوالعز ابن اسماعیل ابن رزاز جزری (سال 602 ه.ق) می‌دانند که مهندسی مسلمان از جزیره‌ای در شمال میان‌رودان و جنوب شرقی آناتولی بود. جزری نخستین ربات قابل برنامه‌ریزی انسان‌نما را در اواخر عمرش ساخت که به این علت او پدر علم رباتیک جهان شناخته می‌شود؛ اختراع او یک قایق آبی بود که در آن چهار نوازنده مصنوعی موسیقی برای مراسم و برنامه‌های جشن سلطنتی آهنگ می‌نواختند و موجب سرگرمی حضار می‌شدند، این سازها به صورت هیدرولیک و با کمک آب برنامه‌ریزی شده بودند.

به نوعی هر دستگاه الکترومکانیکی که عمل خاصی را توسط برنامه‌ریزی داده‌شده انجام دهد، ربات نامیده می‌شود؛ کلمه ربات اولین بار توسط Karel Capek نویسنده نمایش‌نامه‌ی R.U.R ربات‌های جهانی روسیه ارائه شد، با وجود تمام قابلیت‌هایی که برای ربات‌ها می‌توان تعریف کرد اما قابلیت‌هایی مانند درک انواع احساسات و یا مواجه با شرایط برنامه‌ریزی نشده یا پیش‌بینی نشده برای آن‌ها وجود ندارد که این یکی از معایب استفاده از ربات‌ها است؛ با این وجود ربات‌ها با انجام کارها با دقت فراوان می‌توانند ایراداتی که ممکن است حین انجام کار به خصوص در اموری حساس مانند تولید ایجاد شود را انجام ندهند.

پدر علم رباتیک ایران کیست؟

دکتر کارو لوکاس قوکاسیان به عنوان پدر علم رباتیک و هوش مصنوعی ایران شناخته می‌شود که با پژوهش‌هایی در حوزه مدل‌های عاطفی و منطق فازی و پیش‌بینی سری‌های زمانی جز پژوهشگران برجسته در سیستم‌های هوشمند در ایران است و بیش از 450 مقاله علمی در جلات و کنفرانس‌های معتبر ملی و بین‌المللی ارائه کرده است؛ وی مدرک کارشناسی ارشد مهندسی برق خود را از دانشگاه تهران و مدرک دکتری خود با گرایش مهندسی کنترل از دانشگاه برکلی کالیفرنیا دریافت کرد. متاسفانه پروفسور قوکاسیان در تیر ماه سال 1389 در سن 61 چشم از جهان فرو بست. 

ایده ربات‌ها در رباتیک

اینکه باید با چه هدف و ایده‌ای به سراغ علم رباتیک رفت، باید دید با استفاده از ربات‌ها چه کارهایی را می‌توان انجام آن‌ها را راحت‌تر کرد و به طور کلی مشکل یا سختی موجود را برطرف کرد؛ این مشکل و سختی می‌تواند در امور مربوط به انسآن‌ها یا حیوانات باشد. ربات‌ها بسته به نوع برنامه‌ای که به آن‌ها داده می‌شود می‌توانند حرکات مختلفی را انجام دهند و با استفاده از سنسورها، مدارها، پردازش اطلاعات دامنه انجام حرکات را توسعه دهند. با استفاده از علم رباتیک می‌توان آنچه را که صرفا ایده‌ای در ذهن است را با قابلیت‌هایی فراتر از انتظار پیادده‌سازی کرد.

انواع ربات‌ها در رباتیک

ربات‌ها انواعی دارند که با در نظر گرفتن کاربرد هر کدام و سطح برنامه‌‍ریزی‌های انجام شده مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ ربات‌ها می‌توانند ماشین‌های ساده‌ای باشند که کارهایی با سرعت و دقت مشخص و البته تکراری مانند جوشکاری، ماشین‌کاری، تراشکاری و ... را در صنعت انجام دهند. این ربات‌ها غالبا در ساخت محصولات در کارخانه‌ها و یا فعالیت‌های زیر آب به انسآن‌ها کمک می‌کنند.

 ربات‌ها می‌توانند ساختاری پیچیده‌تر داشته باشند و با استفاده از حسگرهایی که در آنان تعبیه می‌شود چندین کار را به طور همزمان با بالاترین دقت انجام دهند؛ این ربات‌ها می‌توانند با حسگرهای خود بازخوردی حسی نیز داشته باشند و در کارخانه‌ها برای اموری مانند بسته‌بندی و جابه‌جایی اقلام بدون کوچک‌ترین آسیبی به کار گرفته شوند. بسیاری از این ربات‌ها با استفاده از علم هوش مصنوعی و به کارگیری آن قادر هستند محصولات معیوب پس از تولید یا موجود در خط تولید را شناسایی و آن‌ها را از رده خارج کنند.

بعضی از ربات‌هایی که در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند، بعد از آنکه با فناوری هوش مصنوعی علامت‌ها را بر روی بردهای الکترونیکی مکان‌یابی می‌کنند، می‌توانند قطعات بسیار کوچک را در جای مناسب خود قرار دهند. 

ربات‌هایی که امروزه بر روی آن‌ها بیشتر تمرکز شده‌است ربات‌های انسان‌نما هستند که قادر هستند اعمال انسان را با بیشترین درجه شباهت و حتی بالاترین دقت انجام دهند. امروزه دانشمندان به دنبال آن هستند تا ربات‌هایی را طراحی کنند که قادر هستند احساسات انسان را نیز بروز دهند به طوری که برخی از ربات‌ها در برخورد با مسائل مختلف واکنش‌های مناسبی را به صورت هوشمند نشان دهند که این کار را میکروکنترلر ها یا میکروپروسسورها به جای مغز انسان برعهده دارند. 

امروزه رباتیک حوزه‌ای از علم است که با رشد سریع روبه حرکت است، با طراحی و ساخت ربات‌هایی در حوزه خانگی و صنعتی انجام کارهایی خطرناک از قبیل کمک به افراد کم توان و سالمند، خنثی کردن بمب، مین‌یابی و یا جستجوی اجساد یا وسائل مدفون را انجام می‌دهند.

اجزای ربات‌ها در رباتیک

ربات‌ها دارای قسمت‌هایی هستند که پنج بخش از آن‌ها اصلی در نظر گرفته می‌شود:

1.     سیستم کنترل کننده که جایگزین مغز در انسان است و تمام برنامه‌ها در آنجا قرار دارد، این مغز شامل تراشه‌های سیلیکنی به نام پردازنده (Cpu) است. با استفاده از این تراشه و برنامه‌ای که به آن‌ها داده شده، ربات اقدام به فعالیت می‌کند.

2.     سنسورها مانند میکروفون‌ها، دوربین‌ها و سنسورهای حساس به نور و دما به ربات‌ها امکان دریافت بازخورد از محیط و عکس‌العمل را می‌دهد.

3.     عملگرها شامل بدنه‌ای است که ربات بعد از دریافت بازخورد از محیط توسط سنسورها واکنش خود را توسط آن نمایش می‌دهد؛ با توجه به نوع ربات این عملگرها می‌تواند بازو یا پای انسان باشد یا مانند ماشین از انواع چرخ‌ها برای حرکت خود استفاده کنند.

4.     منبع تغذیه محل دریافت انرژی ربات است که عموما نیز برقی است؛ برخی از ربات‌ها توسط باتری این انرژی را دریافت می‌کنند و بعضی نیز به برق متصل می‌شوند. دسته‌ای از ربات‌ها هستند که به دلیل حرکت دائمی مانند کاوشگرها و ماهواره‌ها انرژی خود را از خورشید دریافت می‌کنند.

5.     عملگر نهایی یا محرک پایانی به منظور تعامل بیشتر ربات با محیط اطراف خود در طراحی آن‌ها قرار داده می‌شود.

موارد گفته شده بخش‌های اصلی است که در تمام ربات‌های طراحی شده تعبیه می‌شود؛ اما با توجه به کاربری که ربات می‌تواند داشته باشد و اینکه در چه حوزه‌ای قابل استفاده است، سایر قسمت‌های فیزیکی و نرم‌افزاری نیز در طراحی آن در نظر گرفته می‌شود. برای ساخت یک ربات علاوه بر ابزارهای مکانیکی مختلف به ابزارهای الکتریکی مانند برد، منبع تغذیه، مولتی‌متر، هویه، اسیلوسکوپ، لاجیک آنالایزر و ابزارهای متفرقه‌ای که برای اتصالات، کنترل و تنظیم به کار گرفته می‌شود مورد نیاز است. بخش مهم در ساخت ربات‌ها استفاده از نرم‌افزارهایی است که شکل ربات را طراحی کرده و به تحلیل آن در موقعیت‌ها و فضاهای شبیه‌سازی شده می‌پردازد.

کاربردهای رباتیک

همان‌طور که گفته شد با گسترش تکنولوژی، رباتیک نیز جای خود را در روزمره و صنعت بیشتر کرده است. دانشمندان با طراحی‌های متفاوت در تلاش هستند ربات‌هایی را بسازند که بخش یا تمامی از فعالیت‌های انسان را بر عهده بگیرند؛ علاوه بر آن با ساخت ربات‌هایی در حوزه هوافضا روند تحقیقات و کاوش‌های این حوزه را هموارتر کرده‌اند. 

در ادامه به بخشی از این دستاوردها اشاره می‌کنیم:

·     توسط هوش مصنوعی مبتنی بر استفاده از رباتیک، سیستمی را جهت جمع‌آوری و شناسایی زباله‌های شهری طراحی کرده‌اند؛ این سیستم که با نام (AGDC) شناخته می‌شود ترکیبی از یک بدن رباتیک شامل بازو و دسته رباتیک و چندین الگوریتم یادگیری ماشین است، این سامانه با استفاده یک شبکه عصبی حلقوی زباله‌های روی زمین و در همسایگی خود را شناسایی  و جمع‌آوری می‌کند.

·      اولین ربات انسان‌نما نقاش در دنیا با نام آیدا به کمک بازوی رباتیکی و دوربینی که در آن تعبیه شده است آثار هنری را خلق می‌کند و نمایشگاهی را نیز از آثار خود در آکسفورد برپا کرده‌است؛ آیدا اولین ربات واقع‌گرایانه است که می‌تواند با کمک چشمانش و قلم از انسان‌ها نیز پرتره بکشد.

·      دانشمندان دانشگاه MIT ماهی رباتیک را ابداع کرده‌اند که می‌تواند همانند یک ماهی واقعی شنا کند، این ماهی به دانشمندان کمک می‌کند تا زندگی دریایی را از نزدیک بررسی کنند.

· SOFTBANKS شرکتی ژاپنی است که در زمینه رباتیک، مکاترونیک و هوش مصنوعی فعالیت می‌کند؛ این شرکت برای توسعه روند فروش محصولات و سرعت بخشیدن به فرآیندهای انبارداری رباتی را به نام فلفل طراحی کرده‌است که قابلیت کار در فروشگاه‌های مختلف را دارد و می‌تواند با مشتریان حرف زده و آن‌ها را راهنمایی کند، این ربات با انجام حرکاتی نرم و رقص و پخش موسیقی توجه مشتریان را به خود جلب می‌کند که این امر باعث جذب بیشتری مشتری می‌شود. این ربات از هوش بالایی برخوردار است به طوری که قادر است با استفاده از سنسورهای خود از نحوه صحبت کردن افراد به وجود مشکلات آن‌ها پی ببرد. در حال حاضر فروشگاه‌های متعددی از این ربات استفاده می‌کنند.

·        ژاپنی‌ها دست به ساخت ربات انسان‌نمای زده‌اند که می‌تواند با انجام حرکات نرم و شبیه انسان با درجه‌ی آزادی بالا کار نجاری را انجام بدهد به طوری‌که پنل چوبی را برداشته حرکت داده و در جای خود قرار می‌دهد؛ این ربات با نام HRP-5P شناخته شده که قادر است کار نجاری را بدون کوچکترین خطا و شناخت کامل از محیط انجام بدهد.

·        دانشمندان این‌بار رباتیک را به سمت ساخت نرم‌تنان بردند! در سال 2016 تیمی از محققان رباتیک ایتالیایی دست به ساخت ربات اختاپوس زدند؛ در این پروژه مهم‌ترین چالش شبیه‌سازی بازوهای اختاپوس با مواد مصنوعی بوده‌است که این کا ر توسط آلیاژهایی که می‌توانند جریان برق را از خود عبور دهند، شبیه‌سازی شد. این ربات با انبساط و انقباض ماهیچه‌های خود در آب به یک شکارچی نیرومند دریایی تبدیل شده‌است؛ این‎‌گونه ربات‌ها با هدف حرکت در مانوورها در زمین‌های ناهموار و شرایط سخت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

·        طراحی جالب از شرکت Zombait برای کمک به ماهیگیران: این شرکت رباتی کوچک را طراحی کرده‌اند که با قرار گیری در داخل بدن یک ماهی کوچک و شبیه‌سازی حرکت ماهی وشبیه‌سازی حرکت یک ماهی زنده باعث فریب ماهی‌های دیگر شده و طعمه را به دام خود می‌اندازد.

·        به تازگی پلیس آمریکا از سگ رباتیک بوستون داینامیکس به منظور نظارت بر افراد مشکوک از راه دور استفاده می‌کند.

·        گروهی از محققان دانشگاه هاروارد شلوارک رباتیکی را طراحی کرده‌اند که انسان با پوشیدن آن می‌تواند مسافت‌های طولانی را بدون خستگی زیاد بدود.

جایگاه رباتیک در علوم مختلف 

دانش و فناوری رباتیک همواره مورد توجه جامعه دانشگاهی و محققان علمی بوده‌است، در بسیاری از علوم امروزه شاهد حضور رباتیک برای افزایش سرعت و دقت در کار هستیم؛ رباتیک در علومی مانند مهندسی و پزشکی دستاوردهای خیره کننده‌ای را ارائه داده‌است که در تولید، حمل‌ونقل، زنجیره‌تامین و کنترل کیفیت و ... همچنین در پزشکی در امر تشخیص، جراحی و کمک به افراد دارای نقص جسمانی و مغزی کمک‌های ارزشمندی را عرضه کرده‌است.

رباتیک در پزشکی

برای اولین بار در یک عمل نیمه تهاجمی عصبی عروقی تیمی از جراحان مغزواعصاب بیمارستانی در تورنتو، با دستیاری یک ربات آنوریسم مغزی را جراحی کردند.

محققان استرالیایی با ساخت اولین پوست الکترونیکی در جهان که بافتی همانند پوست انسان دارد، توانستند موفقیتی بزرگ را در تولید پروتزهای مصنوعی ایجاد بکنند.

اینها مواردی از ورود رباتیک در حوزه پزشکی است، امروزه ربات‌های جراح در پزشکی بیشتر مورد استقبال دانشمندان قرار گرفته است به طوری‌که شرکت Medrobtics به دنبال ساخت رباتی برای انجام جراحی‌های سروگردن است هرچند قبل از آن نیز این شرکت با استفاده از سامانه رباتیک flex خود جراحی‌هایی در بخش زنان و زایمان و جراحی روده بزرگ انجام داده‌اند؛ ربات جراح flex به آسانی وارد بازار نشد و بزرگترین مسئله سکوت ربات‌ها در مقابل ملزومات سازمان غذا و دارو آمریکا بود به این  دلیل که این سازمان تحت کنترل بودن ربات حین جراحی را قبول نمی‌کرد بنابراین برای ورود به بازار با چالش‌های فراوانی روبه‌رو بود. همچنین از ربات‌های جراحی برای عمل‌های ستون فقرات هم استفاده می‌شود، این ربات که داوینچی نام دارد با استفاده از یک بازوی قدرتمند به برداشتن تومورها از ستون فقرات می‌پردازد؛ البته لازم به ذکر است که استفاده از ربات‌ها حین جراحی بیانگر عدم توجه پزشک در این بین نیست بلکه امکان دارد صدماتی جبران‌ناپذیر را وارد کند.

رباتیک در صنعت

بعد از استفاده از فناوری‌های خودکار در خودرو و اتوبوس‌ها محققان به فکر استفاده از رباتیک بر روی هواپیماهای دارای موتور توربین‌دار افتاده‌اند، هدف نهایی استفاده از رباتیک در هواپیما نصب آن بر روی هواپیماهای نظامی بزرگ است. شرکت aURORA FLIGHT SCIENCES که ابداع کننده این فناوری است با موفقیت آن را آزمایش کرده است؛ عملکرد این سیستم به این صورت است که با نصب در کابین خلبان که متشکل از یک بازوی رباتیک و رابط کاربری مبتنی بر تبلت است، دستورات صوتی را که دریافت شده را اجرا می‌کند که باعث می‌شود هدایت هواپیما حین پرواز را بر عهده بگیرد و خلبان به امور دیگری مانند بررسی وضعیت جوی مشغول شود. قبل از آن نیز این فناوری بر روی هواپیمای DIAMOND DA-42 آزمایش شده‌است؛ البته قصد آن وجود دارد که این فناوری را بر روی هلیکوپتر نیز آزمایش کنند. 

ناسا با برنامه آرتمیس می‌خواهد سال 2024 فضانوردان را به ماه ارسال کند تا یک پایگاه همیشگی را در آنجا احداث کنند؛ برای این کار باید در سطح قمر زمین به جستجو منابع حیاتی گشت اما چون این کار برای فضانوردان غیر ممکن است ناسا این کار را به ربات‌ها محول کرده است. ناسا با کمک شرکت کارنگی ملون و شرکت ASTROBOTIC مشغول به ساخت یک ماه‌نورد خودران هستند تا به جستجوی آب در قمر زمین بگردد این ماه‌نورد با نام MOONRANGER سال آینده به ماه فرستاده خواهد شد.

کلام پایانی

با پیشرفت حوزه‌‌ی رباتیک زندگی انسان بر مدار تکنولوژی حرکت خواهد کرد و با گذشت زمان این نفوذ بیشتر خواهد شد؛ به طوری‌که تمام فعالیت‌ها اعمم از ساخت‌وساز، تولید، پزشکی، نمایشگرها و مشاغل خطرناک همگی با استفاده از ربات‌ها انجام خواهند شد، همچنین دانشمندان به دنبال آن هستند تا با وارد کردن ربات‌ها به دنیای منابع طبیعی و انسانی، بهره‌برداری انسان از محیط را بیشتر کرده تا آنجا که به جای انسآن‌ها یا حیوانات ربات‌ها مشغول به کار باشند؛ بد نیست بدانید در اروپا ربات‌هایی روی کار آمده‌اند که حقوق هم دریافت می‌کنند!