ربات (Robot) و رباتیک (Robotics)
ربات واژه‌ای است که از ریشه Robota، که در زبان چِک به معنی کار اجباری است، گرفته شده است. این واژه را نخستین بار یک نمایش‌نامه نویس اهل همین کشور در نمایش‌نامه‌اش در سال ۱۹۲۱ مورد استفاده قرار داد. البته اولین طراحی و ساخت یک وسیله مشابه آن‌چه امروزه آن را ربات می‌نامیم، سال‌ها قبل از این تاریخ در سال ۱۴۹۵ توسط لئوناردو داوینچی انجام شد. این ربات شبیه انسان بود و می‌توانست بعضی از حرکات ساده مشابه انسان را انجام دهد. اما آن چه امروزه به عنوان رباتیک می‌شناسیم ترکیبی از علم، مهندسی و تکنولوژی است که منجر به ساخت ربات می‌شود.
تاریخچه رباتیک
شاید نتوان تعریف دقیق و جهان‌شمولی برای ربات ارائه داد؛ اما به طور کلی میتوان گفت ربات ماشینی قابل برنامه‌ریزی است که حرکات یا ظاهر یک موجود هوشمند (همانند انسان یا حیوان) را تقلید میکند. همان‌طور که فناوری پیشرفت میکند، دامنه کاربرهای رباتیک نیز افزایش می‌یابد. در سال 2005، 90 درصد از تمام ربات‌ها را میتوان در حال مونتاژ اتومبیل در کارخانه‌های خودروسازی یافت. این ربات‌ها عمدتاً از بازوهای مکانیکی تشکیل شده‌اند که وظیفه جوشکاری یا پیچ‌کردن قسمت‌های خاصی از خودرو را دارند.
امروزه، ما شاهد یک تعریف تکامل‌یافته و توسعه‌یافته از رباتیک هستیم که شامل توسعه، ایجاد و استفاده از ربات‌هایی است که وظایفی مانند کاوش در سخت‌ترین شرایط سیاره، کمک به اجرای قوانین، ساده‌سازی روش‌های جراحی و انجام ماموریت‌های نجات را انجام می‌دهند.
تفاوت ربات و رباتیک
رباتیک یک بخش میان رشته ای از علوم پایه و مهندسی است که به طراحی، ساخت و استفاده از ربات های مکانیکی اختصاص دارد. ربات یک ماشین قابل برنامه‌ریزی است که می‌تواند یک کار را تکمیل کند، در حالی‌که رباتیک رشته‌ای متمرکز بر توسعه ربات‌ها و اتوماسیون می‌باشد. هر ربات دارای سطح متفاوتی از استقلال است. این سطوح استقلال، از ربات های کنترل شده توسط انسان که وظایف را انجام می‌دهند تا رباتهای کاملاً مستقل که وظایف را بدون هیچ‌گونه تأثیر خارجی انجام می‌دهند، متغیر است.
ساختار ربات‌ها
اما آن چه امروزه به عنوان رباتیک می‌شناسیم ترکیبی از علم، مهندسی و تکنولوژی است که منجر به ساخت ربات می‌شود. اما ربات چیست؟ شاید نتوان تعریف دقیق و جهان‌شمولی برای ربات ارائه داد؛ اما به طور کلی میتوان گفت ربات ماشینی قابل برنامه‌ریزی است که حرکات یا ظاهر یک موجود هوشمند (همانند انسان یا حیوان) را تقلید میکند.
گرچه دنیای رباتیک به سرعت در حال گسترش است، اما عموماً ربات‌ها از بخشهای اصلی یکسانی تشکیل شده اند:
- تمام ربات‌ها به نوعی دارای ساختار مکانیکی هستند. این ساختار به آنها کمک میکند که بتوانند وظایف محول شده را انجام دهند و با محیط در ارتباط باشند. به عنوان مثال ساختار مشابه انسان در یک ربات انسان نما، به آن کمک میکند که بتواند راه برود، اجسام را در دست بگیرد و هم‌چنین با سایر انسانها ارتباط برقرار کند. به‌عنوان مثال، چرخ‌های مریخ‌نورد 2020 از لوله‌های تیتانیومی ساخته شده‌اند که به آن کمک میکند تا سطح خشک سیاره مریخ را محکم بگیرد.
- تمام ربات‌ها دارای بخشهای الکتریکی هستند که وظیفه کنترل و تأمین انرژی ماشین را به عهده دارند. به عنوان مثال، در بسیاری از ربات‌ها یک مدار الکتریکی (به عنوان مثال باتری) مسئول تأمین انرژی قسمت‌های مختلف ربات است.
- ربات‌ها همواره دارای یک سطح حداقلی از برنامه‌نویسی کامپیوتری هستند. بدون کدهایی که شرح وظایف آنها را مشخص کند، ربات‌ها صرفاً تبدیل به یک ماشین ساده می‌شوند. این کدهای کامپیوتری هستند که برای ربات مشخص می‌کنند کی و چگونه یک وظیفه را انجام دهند.
پس در واقع میتوان گفت که رباتیک ترکیبی است از مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی و علوم کامپیوتر. البته امروزه علوم دیگر همانند مهندسی اطلاعات، مهندسی پزشکی، مهندسی مواد و … هم به حوزه رباتیک راه پیدا کرده اند.
دسته‌بندی ربات‌ها
رباتهای مکانیکی در اشکال و اندازه‌های مختلف برای انجام هدفی که برای آن طراحی شده‌اند، ارائه می‌شوند. همه ربات‌ها از نظر طراحی، عملکرد و میزان استقلال، متفاوت هستند. ربات‌ها را میتوان به طرق مختلفی دسته‌بندی کرد، اما یک تقسیم بندی مرسوم بر اساس میزان خودمختاری ربات‌ها است. رباتهای خودمختار و رباتهای هدایت شونده دو سر طیف این دسته‌بندی را مشخص می‌کنند، که میتوان آنها را بدین صورت تعریف کرد:
رباتهای خودمختار
ربات‌هایی هستند که مستقل از کاربر (انسان) قادر به انجام کار هستند. این ربات‌ها معمولاً برای انجام وظایفی طراحی می‌شوند که نیاز به دخالت انسان ندارند یا دخالت انسان در آنها مشکل یا غیرممکن است. لذا این ربات‌ها باید توانایی دریافت تمامی اطلاعات لازم از محیط و تصمیم‌گیری را داشته باشند. این ربات‌ها کاملاً منحصر به فرد هستند زیرا از حسگرها برای درک جهان اطراف خود استفاده می کنند و سپس از ساختارهای تصمیم گیری (معمولاً یک رایانه) برای برداشتن گام بعدی بهینه بر اساس داده ها و مأموریت خود استفاده می کنند.
یک مثال از رباتهای خودمختار، رباتهای جاروبرقی هستند که به صورت مستقل و بدون دخالت انسان اقدام به تمیز کردن فضای خانه می‌کنند. ربات های اصلاح چمن، ربات های مهمان نوازی، هواپیماهای بدون سرنشین خودمختار و ربات های دستیار پزشکی را نیز میتوان مثال‌هایی از این ربات‌ها دانست.
رباتهای هدایت شونده
ربات‌هایی هستند که وظایفی که توسط کاربر (انسان) به آنها محول شده را عیناً انجام می‌دهند. در نتیجه این ربات‌ها عملاً هیچ‌گونه استقلالی در تصمیم‌گیری نداشته و تابع دستورات کاربر هستند. یک مثال از رباتهای هدایت شونده، سیستم‌های جراحی از راه دور هستند. در این سیستم‌ها ربات جراح که جراحی را روی بیمار انجام می‌دهد، تابع دستورات جراح است که از راه دور حرکات مورد نظر را با استفاده از ربات راهبر برای ربات جراح می‌فرستد. ارتباط بین رباتهای جراح (پیرو) و ربات راهبر معمولاً از طریق شبکه اینترنت انجام می‌گیرد.
انواع ربات‌ها
در حالت کلی، پنج نوع متمایز از ربات ها وجود دارند که بسته به تواناییهای خود، وظایف خاصی را انجام
می دهند. عالوه بر دو موردی که قبال ذکر شد، در زیر خالص‌های از سایر انواع ربات ها و فعالیت‌هایی که انجام
می دهند، آورده شده است.
رباتهای از پیش برنامه‌ریزی شده
این ربات‌ها، در یک محیط کنترل شده کار می‌کنند که در آن محیط وظایف ساده و یکنواخت انجام می‌شوند. یک بازوی مکانیکی می‌تواند نمونه‌ای از یک ربات از پیش برنامه‌ریزی شده در خط مونتاژ خودرو باشد. این بازوی مکانیکی یک وظیفه را انجام می‌دهد مانند جوش دادن یک قسمت از خودرو، وارد کردن قسمت خاصی به موتور و …. وظیفه آن این است که این کار را سریع‌تر و کارآمدتر از انسان انجام دهد.
رباتهای انسان‌نما
رباتهای انسان‌نما ربات‌هایی هستند که رفتاری شبیه رفتار انسان دارند یا از آنها تقلید می‌کنند. این ربات‌ها معمولاً فعالیت‌هایی مانند دویدن، پریدن و حمل اشیا انجام می‌دهند و گاهی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که شبیه به انسان باشند، حتی چهره و حالات انسانی دارند. دو مورد از برجسته‌ترین نمونه‌های رباتهای انسان‌نما، سوفیا از Hanson Robotics و اطلس Boston Dynamics هستند.
رباتهای کنترل از راه دور
این نوع از ربات‌ها، رباتهای نیمه مستقلی هستند که از یک شبکه بی‌سیم برای فعال کردن کنترل انسان از فاصله دور استفاده می‌کنند. این ربات‌ها معمولا در شرایط جغرافیایی و آب‌و‌هوایی شدید کار می‌کنند. نمونه‌هایی از ربات‌هایی که از راه دور کار می‌کنند، زیردریایی‌های کنترل‌شده توسط انسان هستند که برای رفع نشتی لوله‌های زیر آب در حین نشت نفت به‌کار می‌روند. یا هواپیماهای بدون سرنشینی که برای شناسایی مین‌های زمینی در میدان جنگ استفاده می‌شوند.
رباتهای تقویت کننده
این نوع از ربات‌ها که به رباتهای واقعیت مجازی نیز معروف هستند، یا تواناییهای فعلی انسان را افزایش می‌دهند یا قابلیت‌هایی را که ممکن است انسان از دست داده باشد، احیا می‌کنند. حوزه رباتیک برای تقویت انسان، با ربات هایی که توانایی تعریف مجدد از فیزیک انسان را با سریع‌تر و قوی‌تر کردن انسانها دارند، در حال گسترش است. برخی از نمونه‌های رباتهای تقویت‌کننده فعلی، اندام‌های مصنوعی رباتیک یا اسکلت‌های خارجی هستند که برای بلند کردن وزنه‌های سنگین استفاده می‌شوند.
اجزای اصلی ربات‌ها
ربات‌ها برای ارائه راه‌حل‌هایی برای نیازهای مختلف و انجام چندین هدف مختلف ساخته شده‌اند. بنابراین، برای تکمیل این وظایف به اجزای تخصصی مختلفی نیاز دارند. اجزای اصلی یک ربات عبارت است از: سیستم کنترل، حسگرها، عملگرها، منبع تغذیه و عوامل خارجی.
سیستم کنترل
محاسبات برای ربات، تمام اجزایی است که واحد پردازش مرکزی آن‌را تشکیل می‌دهد و اغلب به‌عنوان سیستم کنترل آن شناخته می‌شود. سیستم‌های کنترل به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شده‌اند که ربات را قادر می‌کنند از اجزای خاص خود استفاده کند، و از جهاتی شبیه به نحوه ارسال سیگنال‌ها توسط مغز انسان به سراسر بدن برای انجام یک کار خاص هستند.
حسگرها
حسگرها محرک‌هایی را به شکل سیگنال‌های الکتریکی در اختیار ربات قرار می‌دهند که توسط کنترل کننده پردازش می‌شوند و به ربات اجازه می‌دهند تا با دنیای بیرون تعامل داشته باشد. حسگرهای معمولی که در ربات‌ها یافت می‌شوند، عبارتند از: دوربین‌های ویدیویی که به عنوان چشم عمل می‌کنند، مقاومت‌های نوری که به نور واکنش نشان می‌دهند و میکروفون‌هایی که مانند گوش عمل می‌کنند. این حسگرها به ربات اجازه می‌دهند تا با محیط اطراف خود تعامل داشته و منطقی‌ترین نتیجه را در لحظه، پردازش کند و به کنترل‌کننده اجازه دهد تا دستورات را به اجزای دیگر منتقل کند.
عملگرها
دستگاهی را تنها زمانی میتوان ربات دانست که دارای قاب یا بدنه متحرک باشد. عملگرها اجزایی هستند که مسئولیت حرکت را برعهده دارند. این قطعات از بخش‌هایی تشکیل شده‌اند که سیگنال‌ها را از سیستم کنترل دریافت می‌کنند و به‌صورت پشت سر هم فعالیت می‌کنند تا حرکت لازم برای انجام وظیفه تعیین شده را انجام دهند. عملگرها می‌توانند از مواد مختلفی مانند مواد فلزی یا مواد الاستیک ساخته شوند و معمولاً با استفاده از هوای فشرده (محرک‌های پنوماتیکی) یا روغن (محرک‌های هیدرولیکی) کار می‌کنند.
منبع تغذیه
همان‌طور که بدن انسان برای عملکرد به غذا نیاز دارد، ربات‌ها نیز به قدرت نیاز دارند. رباتهای ثابت، مانند رباتهای موجود در کارخانه، ممکن است با برق متناوب کار کنند، اما سایر ربات‌ها معمولاً از طریق باتری داخلی کار می‌کنند. بیشتر ربات‌ها از باتری‌های اسید سرب به‌علت کیفیت بالا و ماندگاری طولانی‌شان استفاده می‌کنند، در حالی‌که برخی از ربات‌ها نیز ممکن است از باتری نوع فشرده‌تر اما گران‌تر نقره کادمیوم استفاده کنند.
ایمنی، وزن، قابلیت تعویض و چرخه عمر فاکتورهای مهمی هستند که در طراحی منبع تغذیه ربات باید در نظر گرفته شوند. برخی از منابع انرژی برای توسعه رباتهای آینده شامل نیروهای پنوماتیکی از گازهای فشرده، انرژی خورشیدی، نیروهای هیدرولیکی، زباله‌های آلی و انرژی هسته‌ای هستند.
عوامل خارجی
این عوامل، اجزای فیزیکی و معمولاً خارجی هستند که به ربات‌ها اجازه می‌دهند تا وظایف خود را به پایان برسانند. ربات‌ها در کارخانه‌ها اغلب دارای ابزارهای قابل تعویض مانند رنگ‌پاش‌ها و مته‌ها هستند، رباتهای جراحی ممکن است به چاقوهای جراحی مجهز شوند و انواع دیگری از ربات‌ها را میتوان با چنگال یا حتی دست مصنوعی برای کارهایی مانند تحویل، بسته‌بندی، پخش و موارد دیگر ساخت.
کاربرد ربات‌ها
در حال حاضر ربات‌ها کاربردهای بسیار متنوعی دارند: جابه‌جایی و مونتاژ قطعات در بسیاری از صنایع و کارخانجات، جابه‌جایی مرسولات سفارشی شهروندان، حوزه پزشکی و سلامت، انجام برخی امور خانگی و…. اما دیری نخواهد پایید که ربات‌ها را در همه جنبه‌های زندگی روزمره همانند خانه‌ها، مدارس، بیمارستان‌ها، هتل‌ها و مراکز خرید ببینیم.
تحقیقات علمی‌ای که امروزه در حوزه رباتیک در حال انجام است، آینده‌ای را پیش روی ما قرار داده است که ما را ناگزیر به همزیستی با ربات‌ها میکند؛ ربات‌هایی که در انجام وظایف گوناگونی مثل جراحی، کشاورزی، تدریس، ورزش و بسیاری دیگر از فعالیت‌ها به ما کمک کرده و یا به‌طور کلی به انجام آنها خواهند پرداخت. برخی از کاربردهای گسترده ربات‌ها عبارتند از:
صنعت تولید
احتمالاً قدیمی‌ترین و شناخته شده‌ترین کاربرد ربات ها است. ربات‌ها در صنعت برای آزمایش و مونتاژ محصولاتی مانند خودروها و تجهیزات صنعتی کار می‌کنند.
رباتهای لجستیک
شامل گروهی از رباتهای حمل و نقل، جابه‌جایی و کنترل کیفیت، برای اکثر خرده‌فروشان و شرکت‌های لجستیک به یک ابزار ضروری تبدیل شده‌اند. از آن‌جایی که ما اکنون انتظار داریم بسته‌های ما با سرعتی فوق‌العاده به‌دستمان برسند، شرکت‌های لجستیک از ربات‌ها در انبارها و حتی در جاده‌ها استفاده می‌کنند تا به حداکثر بهره‌وری در زمان کمک کنند. در حال حاضر، ربات‌هایی وجود دارند که اقلام مختلف را از قفسه‌ها بیرون می‌آورند، آنها را در کف انبار حمل کرده و بسته‌بندی می‌کنند.
ربات‌ها برای خانه
در سرتاسر خانه‌ها دیده می‌شوند، به افراد کمک می‌کنند، برنامه‌های منزل را یادآوری می‌کنند و حتی کودکان را سرگرم می‌کنند. شناخته‌شده‌ترین نمونه رباتهای خانگی، جاروبرقی مستقل Roomba است. علاوه‌بر این، روبات‌ها اکنون تکامل یافته‌اند تا همه چیز را از چمن‌زدن خودکار تا تمیز کردن استخرها انجام دهند.
ربات‌ها در حمل و نقل
خودروهای خودران دیگر فقط تخیل نیستند. ترکیبی از علم داده و رباتیک، وسایل نقلیه خودران در جهان هستند. شرکت‌های فعال در زمینه حمل و نقل در حال توسعه وسایل نقلیه مستقل از انسان هستند که به سرنشینان اجازه می‌دهند راحت بنشینند، استراحت کنند و از سواری لذت ببرند.
ربات‌ها در مراقبت و بهداشت
در صنعت پیشرفت های چشمگیری داشته اند. این شگفتی‌های مکانیکی تقریباً در همه جنبه‌های مراقبت‌های بهداشتی، از جراحی‌های با کمک ربات گرفته تا ربات‌هایی که به انسانها در بهبود آسیب‌های فیزیوتراپی کمک می‌کنند، استفاده می‌شوند. نمونه‌هایی از ربات‌هایی که در بخش مراقبت‌های بهداشتی کار می‌کنند عبارتند از: دستیاران مراقبت‌های بهداشتی تویوتا که به مردم کمک می‌کنند توانایی راه رفتن را دوباره به دست آورند و TUG، رباتی که برای قدم زدن در بیمارستان و ارائه همه چیز از دارو گرفته تا ملحفه‌های تمیز طراحی شده است.
رباتهای نرم‌افزاری
برنامه‌های رایانه‌ای هستند که وظایف را به‌طور مستقل انجام می‌دهند. یکی از موارد استفاده رایج از رباتهای نرم‌افزاری، چت‌بات است. چت‌بات یک برنامه رایانه‌ای است که مکالمه را هم به صورت آنلاین و هم از طریق تلفن شبیه‌سازی می کند و اغلب در سناریوهای خدمات مشتری استفاده می‌شود. چت‌بات‌ها می‌توانند سرویس‌های ساده‌ای باشند که به سؤالات، به‌صورت خودکار پاسخ می‌دهند یا دستیارهای دیجیتال پیچیده‌تری هستند که اطلاعات کاربر را ذخیره می‌کنند.
رباتهای چت، هرزنامه، دانلود، موتورهای جستجو و مانیتورینگ مثال‌هایی از رباتهای نرم‌افزاری هستند. رباتهای نرم‌افزاری فقط در اینترنت وجود دارند و از یک کامپیوتر سرچشمه می‌گیرند، به این معنی که ربات واقعی محسوب نمی‌شوند. زیرا برای این‌که یک وسیله به‌عنوان یک ربات در نظر گرفته شود، باید یک فرم فیزیکی مانند بدنه یا شاسی داشته باشد.
توصیه مکادمی؛ رباتیک برای مهندسین مکانیک را مطالعه کنید.
نویسنده:
مهندس میلاد وحیدیان
دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
(برای مطالعه بیشتر روی نام یا تصویر ایشان کلیک کنید)