 |
| ما هي الروبوتات وكيف تعمل ومكوناتها وأنواعها ومجالات استخدامها |
الروبوتات هي نقطة تقاطع بين العلوم والهندسة والتكنولوجيا التي تنتج آلات ، والتي تحل محل (أو تنسخ) الأفعال البشرية. بمعني ان الروبوت هو كل آله تنفذ افعال خاصه تم برمجتها علي فعلها وقد تحاكي في ذلك الفعل البشري وليس بالضرورة أن تبدو الروبوتات مثل الآلات التي تعرضها لنا أفلام هوليوود.
أحيانًا تُصنع الروبوتات لأداء مهام بسيطة جدًا مثل تنظيف المنزل أو سحب المواد الثقيلة وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، هناك بعض الروبوتات التي تم تطويرها للأغراض الطبية ، ويمكنها إجراء الجراحة أيضًا بتوجيه من الطبيب.ومن اشهر الربوتات استخداماً الروبوت المنزلي المشهور جدًا وهو روبوت المكنسة الكهربائية المنتشر في كثير من المنازل ،تتمتع هذه الروبوتات بالذكاء الكافي للعودة إلى محطة الشحن عندما تكون البطارية منخفضة ، وبعد ذلك بمجرد شحنها يمكن أن تستأنف في المكان المحدد من حيث غادرت.
ما هي الروبوتات
الروبوت هو نتاج علم الروبوتية أو علم الروبوتات وهو قطاع متعدد التخصصات من العلوم والهندسة مخصص لتصميم وبناء واستخدام الروبوتات الميكانيكية، حيث يتم بناء آلات قابلة للبرمجة يمكن أن تساعد البشر أو تحاكي الأعمال البشرية.
و تم بناء الروبوتات في الأصل للتعامل مع المهام الرتيبة (مثل بناء السيارات على خط التجميع) ، لكنها توسعت منذ ذلك الحين إلى ما هو أبعد من استخداماتها الأولية لأداء مهام مثل مكافحة الحرائق وتنظيف المنازل والمساعدة في العمليات الجراحية المعقدة بشكل لا يصدق.
يتمتع كل روبوت بمستوى مختلف من الاستقلالية ، بدءًا من الروبوتات التي يتحكم فيها الإنسان والتي تنفذ المهام التي يتحكم فيها الإنسان بشكل كامل إلى الروبوتات ذاتية التحكم التي تؤدي المهام دون أي تأثيرات خارجية.
اليوم ، نشهد تعريفًا متطورًا وموسعًا للروبوتات يتضمن تطوير وإنشاء واستخدام الروبوتات التي تستكشف أقسى ظروف الأرض ،والروبوتات التي تساعد في تطبيق القانون وحتى الروبوتات التي تساعد في جميع جوانب الرعاية الصحية تقريبًا.
خصائص الربوت
بينما يتوسع عالم الروبوتات بشكل عام ، يتمتع الروبوت ببعض الخصائص المتسقة:- تتكون جميع الروبوتات من نوع من البناء الميكانيكي. يساعد الجانب الميكانيكي للروبوت على إكمال المهام في البيئة التي صُمم من أجلها. على سبيل المثال ، تم تجهيز عجلات Mars 2020 Rover بمحركات فردية ومصنوعة من أنابيب التيتانيوم التي تساعدها على التحكم بقوة في التضاريس الوعرة للكوكب الأحمر (المريخ).
- تحتاج الروبوتات إلى مكونات كهربائية تتحكم في الماكينة وتشغلها. بشكل أساسي ، هناك حاجة إلى تيار كهربائي (بطارية ، على سبيل المثال) .
- تحتوي الروبوتات على الأقل على مستوى معين من برمجة الكمبيوتر. فبدون مجموعة من التعليمات البرمجية التي تخبر الربوت بما يجب القيام به ، سيكون الروبوت مجرد قطعة أخرى من الآلات البسيطة. إن إدخال برنامج في الروبوت يمنحه القدرة على معرفة وقت وكيفية تنفيذ مهمة ما.
كيف يعمل الروبوت
تشمل جميع التطبيقات الروبوتية ثلاثة مكونات اساسية، هي: المستشعرات، والعمليات والتحكم، وجسم الروبوت.فبوساطة المستشعرات يتم التقاط معطيات المحيط الذي يجب على الروبوت ان يعمل ضمنه، وتشكل هذه المعطيات بيانات تدخل للبرنامج الحاسوبي الذي يتحكم بحركة الروبوت وادائه.
وحتي نستطيع فهم كيف يعمل الروبوت يجب اولاً ان نفهم كيف يعمل نظام التحكم:
وحتي نستطيع فهم كيف يعمل الروبوت يجب اولاً ان نفهم كيف يعمل نظام التحكم:
نظام التحكم
النظام هو عبارة عن مجموعة من العناصر المتداخلة الني تعمل معا بشكل متكامل لتحقيق هدف معين، ويقوم عمل النظام على استقبال المدخلات ومعالجتها لإنتاج المخرجات.ويمكن تعريف نظام التحكم ( Control System): بأنه جهاز يدير ويتحكم في تصرف جهاز او نظام اخر. ويوجد فئتان رئيستان من نظم التحكم:
- نظام التحكم ذو مسار مفتوح ( Open loop control system).
- نظام التحكم ذو مسار مغلق ( Closed loop control system).
نظام التحكم ذو مسار مفتوح
 |
| المكونات الرئيسية لنظام التحكم ذي المسار المفتوح |
ففى نظام التحكم ذي المسار المفتوح، تحدث عملية التحكم نتيجة تغير مدخلات النظام فقط . ويعتبر نطام عمل المروحة مثالا جيدا لنظام التحكم ذي المسار المفتوح. ويتم التحكم في المروحة بوساطة مفاتيح أو عجلة تحكم يتم من خلالها تشغيل أو غلق المروحة، وهي تمثل المدخلات، تعطي اشارة الدخل لدائرة كهربية لتحريك محرك المروحة، وتحدد المفاتيح السرعة المطلوبة لها. وتظل المروحة تعمل بنفس السرعة بغض النظر عن التغيرات في الغرفة سواء زادت الحرارة او نقصت.
نظام التحكم ذو مسار مغلق
في نظام التحكم ذي المسار المغلق فإن عملية التحكم تاخذ فى الاعتبار واقع مخرجات النظام بالإضافة إلى مدخلات النظام، وذلك من خلال دائرة تغذية راجعة (Feedback)، ويعطى الشكل الاتي رسما توضيحيا لنموذج نظام التحكم ذي المسار المغلق. |
| المكونات الرئيسية لنظام التحكم ذي المسار المغلق |
ويلاحظ أن الدائرة في يمين الشكل يدخل إليها إشارتان: احدهما تحمل علامة (+)، والاخرى تحمل علامة (-) والمقصود هنا انه يتم المقارنة بين الإشارتين، الاولى تمثل قيمة مدخلة، والثانية ناتجة من دائرة التغذية الراجعة. وبناء على هذه المقارنة ترسل إشارة الى النظام المتحكم به من خلال المتحكم لينفذ عملاً محدداً بصورة معينة.
يعد المكيف فى الغرفة مثالا جيدا لنظام تحكم ذي مسار مغلق. ففي بدء التشغيل نقوم بتشغيل المكيف وتحديد درجة الحرارة المطلوبة في الغرفة (20 درجة مئوية مثلاً). وتشكل هذه المعلومة مدخلات نظام التحكم ، وتتوفر في جميع المكيفات الحديثة تجهيزات لقياس درجة الحرارة فى الغرفة، ويتم بصورة مستمرة تمرير المعلومة عن درجة حرارة الغرفة عبر دائرة التغذية الراجعة إلى دائرة المقارنة، فإذا انخفضت الحرارة فى الغرفة عن الدرجة المطلوبة يقوم نظام التحكم بإغلاق جهاز التبريد في المكيف. وبالطبع ستبدا درجة الحرارة في الغرفة بالازدياد.
وعندما ترتفع درجة الحرارة في الغرفة اعلى من الدرجة المطلوبة يعطي نظام التحكم إشارة أخرى يتم من خلالها تشغيل جهاز التبريد في المكيف ليبدأ مرة اخرى بتبريد الغرفة وهكذا.
المكونات الرئيسية للربوت
يمثل الروبوت نظاما الكتروميكانيكياً يتكون من اجزاء كهربائية واخرى ميكانيكية، إن نوعية المكونات والانظمة المستخدمة للتحكم به تحدد خصائصه الاساسية كالسرعة والدقة والتكرار والقدرة على حمل الأوزان، ويبين الشكل المخطط الصندوقي للنظام الروبوتي كنظام تحكم مغلق مستخدم لتحريك ذراع روبوت إلى موقع معين.
 |
| مخطط صندوقي لنظام التحكم الروبوتي المغلق |
يتكون نظام الروبوت المركب من عدة انظمة نتطرق لاهم هذه النظم:
النظام الميكانيكي
ويكون جسم الروبوت، ويندرج تحت هذا النطام الأنظمة الفرعية التالية:نظام الحركة والتنقل
وفي معظم التطبيقات الصناعية يكون جسم الروبوت ثابتاً، وتفتصر الحركة على الذراع وعلى قبضة اليد. ولكن عند الحاجة إلى ان يتحرك الروبوت وان ينتقل من مكان إلى آخر فتكون الحركة إما على عجلات، مثل العربات، او على أطراف متحركة، مثل الارجل والاقدام. وتمتاز الحركة بوساطة الأطراف في امكانية الصعود على الدرج أو العقبات، او النزول عنها.ذراع (Arm - Manipulator)
وتعد هذه الوحدة من المكونات الرئيسة فى اي روبوت، الذي وظيفته ايصال النهاية الفاعلة للروبوت إلى الموقع الصحيح، وعادة يصنف الذراع بحسب عدد درجات حرية الحركة للذراع،وأفضلها ما يتمتع بعدد 6 درجات لحرية الحركة.نظام النهاية الفاعلة End Effector
تعمل كحاملة لحمل الأداة المستخدمة لتنفيذ المهام المنوطة بها، ومنه قبضات اليد، ويختلف تصميم قبضة اليد بحسب الغرض من الروبوت. وبشكل عام لابد من القبضة أن تتمكن من الامساك بالأشياء الني يفترض للروبوت أن يتعامل بها، وبالقدر المناسمن الشدة، فالامساك بقطعة ثقيلة مثل باب السيارة ليس كمثل الامساك بكاس زجاجية.
نظام القيادة والتحريك Actuators
وظيفته العمل كمصدر لحركة الذراع أو العجلات ومنها الرافعات الهيدروليكية والهوائية والعضلات الصناعية و المحركات الكهربية التي تحتاج إلى محفزات (Drivers) لتغذيتها بالطاقة الكافية مثل:الكترونيات القوى (الثايرستور - ترانزستور دارلنغتون- H-Bridge)نظام الحاسب والتحكم
وهي وحدة التحكم المركزية أو المعالج (Controller)، وهو العقل المدبر في الروبوت الذي يقوم بتنفيذ برامج التشغيل للروبوت، والتحكم في مكونات الروبوت الاخرى، وظيفتها التنظيم والسيطرة ومعالجة البيانات المدخلة وإعطاء الاوامر (لتحريك مفصل ذراع الي او محرك).وغالبا تدخل المتحكمات أو المعالجات الدقيقة فى بناء نظام الحاسب، بالاضافة الى الذاكرة، ووحدات ادخال وإخراج، مع بيئة برمجة مناسبة.
نظام الاستشعار والحساسات وأجهزة الإدخال
يختلف نظام الاستشعار في الروبوت بحسب غرض الروبوت والمهام التي يقوم بها. واحيانا تحتاج الاشارة القادمة من الحساسات الى معالجة أولية وتكييف للاشارة (signal conditioning) بوساطة قطع إلكترونية قبل قراءتها بوساطة نظام الحاسب أو المتحكم الدقيق.البرمجة وواجهة المستخدم
تستخدم برمجيات خاصة ولغات برمجة متنوعة لتطوير برامج تهدف للسيطرة والتحكم بحركات الروبوت وإحداث سلسلة من الحركات والتأثيرات المتناسقة أو المرجوة وقد تصمم واجهة للمستخدم تؤمن له التفاعل مع الروبوت، وذلك باستخدام ايقونات وصور رسومية تمثل عناصر تحكم.مزود الطاقة
هو المسؤول عن إمداد وتغذية مكونات الروبوت بالطاقة الكهربائية، وتوجد في العديد من الروبوتات على شكل البطاريات بالإضافة إلى أدوات واجهزة الشحن، ومن أمثلتها الخلايا الشمسية المربوطة بمحولات الطاقة لاعادة شحن البطاريات.بالإضافة إلى ما سبق، يوجد الكثير من الأنظمة الفرعية مثل نظام توليد الاصوات والكلام، نظام أجنحة للطيران وغيرها.
المستشعرات الروبوتية
تستعمل المستشعرات أو المجسات لمساعدة الروبوت لتحسس المؤثرات الخارجية، والمجس (Sensor) كما نعرف هو اداة تحول المؤثر الفيزيائي (حرارة، مسافة، قوة، ...) الى اشارة كهربائية يمكن للمتحكم قراءتها ومعالجتها. |
| المستشعرات الروبوتية |
يوجد العديد من المجسات والمستشعرات التي تستخدم في الروبوت ونظم التحكم، ومنها مستشعرات تحديد القوة، والاهتزاز، والرطوبة، والحركة، والغاز، والتيار والجهد، والفيض المغناطيسي، والتعرف على الكلام، ونظام الرؤية بالكاميرات الذي يتطلب توفير البرمجيات الخاصة بمعالجة الصور حتى يمكن استخلاص المعلومات المفيدة من الصور التي تنقلها الكاميرات.
أنواع الروبوتات
يمكننا بالفعل رؤية مجموعة متنوعة من الروبوتات المستخدمة في تطبيقات مختلفة في العالم اليوم ، ومع التقدم التكنولوجي ، من المرجح أن تلعب الروبوتات دورًا أكبر وأكبر في حياتنا. تختلف أنواع الروبوتات المختلفة وتطبيقاتها اختلافًا كبيرًا ، من الروبوتات الصناعية إلى الروبوتات المستخدمه في المباني التجارية.
أنواع روبوتات وفقاً جمعية الروبوتات الصناعية اليابانية
قبل الدخول في آليات التصنيف المختلفة للروبوتات ، دعونا أولاً نلقي نظرة على التصنيف المعتمد دوليًا للروبوتات والمعروف باسم JIRA (جمعية الروبوتات الصناعية اليابانية). وفقًا لـ JIRA ، الروبوتات من الأنواع التالية:
- جهاز المناولة اليدوي Manual Handling Device :يقوم المشغل بتشغيل هذا النوع من الروبوت على الرغم من أن هذا النوع من الروبوت لديه درجة معينة من الحرية.
- روبوت التسلسل الثابت Fixed Sequence Robot: يمكن لهذا النوع من الروبوتات أداء تسلسل ثابت من المهام في دورة. ومع ذلك ، فإن التسلسل ثابت وغير قابل للبرمجة.
- روبوت التسلسل المتغير Variable Sequence Robot: كان هذا النوع من الروبوتات تقريبًا مماثلًا لروبوتات التسلسل الثابت باستثناء أن هذه الروبوتات قابلة لإعادة البرمجة.
- روبوت التشغيلPlayback Robot: يمكن لهذا النوع من الروبوت تشغيل تسلسل تلقائيًا في حلقة.
- روبوت التحكم الرقمي Numerical Control Robot: يعمل هذا النوع من الروبوتات أيضًا من خلال سلسلة من التعليمات. ومع ذلك ، فإن مجموعة التعليمات عددية.
- الروبوت الذكي Intelligent Robot:الروبوتات الذكية هي الروبوتات التي يمكنها استشعار البيئة المحيطة باستخدام المستشعرات واتخاذ مجموعة ضرورية من الإجراءات تلقائيًا.
أنواع الربوتات حسب مجالات استخدامها
يمكن تصنيف الربوتات وفقاً لطبيعة الاستخدام وفيما يلي توضيح لانواع الربوتات حسب مجال الاستخدام :الروبوتات الصناعية Industrial Robots
هذه هي الروبوتات التي تُستخدم عمومًا في البيئة الصناعية لأغراض مختلفة مثل رفع مكونات ثقيلة جدًا أو نقل أجزاء من مكان إلى آخر وما إلى ذلك. على الرغم من أن هذه الروبوتات تبدو في الغالب كذراع آلية فقط والتي من الواضح أنها ضخمة الحجم. لا تساعد هذه الأذرع الروبوتية فقط في نقل المكونات من مكان إلى آخر بصرف النظر عن هذه في بعض الأحيان ، يتم استخدامها لأداء بعض الإجراءات المتكررة مثل تركيب البراغي أو إجراء فحوصات المتانة أو حتى استخدامها أحيانًا لتجميع المكونات أيضًا. لذلك ، فهذه قطعة عالية الكفاءة ومفيدة من الروبوتات.الربوتات المنزلية Domestic Robots
تستخدم هذه الأنواع من الروبوتات في المنزل. تستخدم هذه بشكل أساسي للتنظيف أو المسح أو كمكنسة كهربائية. بصرف النظر عن هذه ، هناك أيضًا بعض روبوتات المراقبة التي تُستخدم في المنازل لزيادة الأمن.الروبوتات الجراحية Surgical Robots
تُستخدم هذه الأنواع من الروبوتات لإجراء العمليات الجراحية التي يمكن للأطباء التحكم فيها عن بُعد. تتكون هذه الروبوتات بشكل عام من عدة كاميرات مما يمكن الأطباء من الحصول على عرض ثلاثي الأبعاد للمنطقة التي تجري فيها العملية ومن ثم يمكنهم العمل وفقًا لذلك.ربوتات الفضاء Robonauts
روبونوتس Robonauts هذه هي الروبوتات المستخدمة في برامج الفضاء المختلفة. هذه الروبوتات متعددة الأغراض ويمكن أن تكون روبوتات بشرية وغير بشرية. هناك العديد من الروبوتات التي أرسلتها وكالة ناسا إلى الفضاء مؤخرًا لأداء العديد من الإجراءات مثل جمع العينة واستكشاف الأسطح الخشنة وتحليلها والتقاط الصور وإرسالها إلى الأرض.هذه الروبوتات تساعد ناسا في استكشاف الأماكن التي يصعب على أي رائد فضاء زيارتها. المثال الرئيسي لهذا النوع من الروبوتات هو المركبات الفضائية curiosity rovers التي أرسلتها وكالة ناسا إلى المريخ . تحتوي محطة الفضاء الدولية أيضًا على الكثير من الروبوتات المنتشرة ولديها مهام منفصلة مثل إدارة الاتصالات المتنقلة ، وأجهزة استشعار البيئة ، وما إلى ذلك
روبوتات الترفيه التجارية Commercial Entertainment Robots
يستخدم هذا النوع بشكل عام لأغراض الترفيه ومتاح تجاريًا للبيع. يُقصد من هذا النوع من الروبوتات أن يكون بمثابة رفيق ويمكنه أداء المهام الأساسية مثل التحية والرقص والمشي وغيرها من الإجراءات المخصصة لتكرار أي حيوان أليف مثل الكلب أو القط أو ما إلى ذلك.الروبوتات العسكرية Army Robots
تقع الروبوتات المستخدمة في الدفاع ضمن هذه الفئة. يتضمن ذلك الروبوتات المستخدمة للتخلص من القنابل ومراقبة الحدود والطائرات بدون طيار لالتقاط الصور وإسقاط الأسلحة التكتيكية وما إلى ذلك. ومن الأمثلة الرئيسية على مثل هذا الروبوت الروبوت المسمى ATLAS والذي تصنعه Boston Dynamics. هذه الفئة من الروبوتات غير متوفرة تجاريًا ويتم الاحتفاظ بها بشكل عام من قبل وكالات الأمن في جميع أنحاء العالم.روبوتات الخدمة Service Robots
روبوتات الخدمة هي تلك الروبوتات المستخدمة في الجامعات أو فرق البحث والتطوير لتنفيذ ميزات جديدة وعرضها للجمهور. تُستخدم هذه الروبوتات عمومًا لأغراض البحث فقط وقد تكون متاحة تجاريًا.الروبوتات الأمنية Security robots
تقدم الروبوتات الأمنية مزايا كبيرة لأنها قادرة على العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ، ليلاً أو نهارًا وفي الظروف الجوية السيئة. الروبوتات الأمنية ، مثل Guardforce Hong Kong Security Patrol Robot ، تقوم بدوريات على طرق محددة مسبقًا ، وتوفر مراقبة الدوائر التلفزيونية المغلقة عن بُعد مع التعرف على الوجه ، ومعلومات الإمداد ويمكنها حتى اكتشاف درجات الحرارة غير الطبيعية وتسربات الغاز من بين العديد من الوظائف الأخرى - وهذا يجعلها مثالية لمراقبة المجمعات الصناعية ، محطات توليد الطاقة ومراكز التسوق والحرم الجامعي والمجمعات السكنية ومرافق تخزين المواد الكيميائية. وتأتي في تكوينات مختلفة لتناسب احتياجات الموقع والتطبيق ، وتسمح بتوفير كبير في تكاليف القوى العاملة.الاذرع الروبوتية
تصنف الاذرع الروبوتية الصناعية تبعا للشكل الهندسي للروبوت:- الذراع الديكارتي Cartesian او الخطى: يتحرك الروبوت وفق ثلاثة محاور خطية متعامدة (X.Y.Z). ويستخدم عادة لحمل ونقل الاوزان الثقيلة من مكان الى اخر، وتتميز بسهولة التحكم.
- الأسطواني Cylindrical: ينحرك الروبوت وفق نظام الإحدائيات الاسطوانية .ويستخدم عادة في عمليات التجميع واللحام بالنقطة وصب المعادن.
- القطبى او الكروي Spherical: ومثال عليه الروبوت "يونيميت"، و يتحرك الروبوت وفق نظام الاحداثيات الكروية ،ويستخدم لحمل قطع الالات وتركيبها واللحام بالنقطة والقوس وصب المعادن.
- المفصلى Articulated: يتم التحكم بوضعية الروبوت بثلاث زوايا. يشبه هذا النوع في حركته يد الانسان، وهو متعدد الاستخدامات واكثر الروبوتات انتشارا، الا أنه اصعبها برمجيا، ويستخدم لاغراض التصنيع والتجميع واللحام بالغاز واللحام بالقوس الكهربائي و الطلاء بالبخ الحراري .
- الذراع المفصلي المطاوع الانتقائي : وهو مزيج بين الروبوت الأسطواني والروبوت المفصلي بطريقة تسمح بالاستفادة من إيجابيات كل نوع منهما، وتستطيع ذراع الروبوت التحرك نحو الأعلى او الأسفل وبزاوية حول محور الاسطوانة كما في الروبوت الأسطواني، ولكنها تكون موصولة بطريقة التفافية تسمح للروبوت باخذ وضعيته بدقة وسرعة. ويستخدم لاغراض نقل قطع من مكان إلى اخر واغراض التجميع.
وهناك انواع كثيرة اخرى من الروبوتات، مثل المتحرك على عجلات، أو المتوازي الذي يقوم بأداء عدة مهام في وقت
واحد، اضافة الى الروبوتات التي تماثل حركة الحشرات والحيوانات والإنسان.
الفاعلة المنفّذة End Effectors
تدعى الأدوات التي يتم وصلها إلى نهاية ذراع الروبوت والني تسمح له بالقيام بالأعمال المفيدة المكلف بها بالنهايات الفاعلة المنفّذة End Effectors، واحيانا لا تعد هذه النهايات جزءا من الروبوت، وإنما تعد قطعا منفردة عنه تصمم وتنفذ بشكل مستقل، ولها انواع كثيرة أهمها: اللواقط، والقواطع، والمثاقب، والمكابس، وأدوات اللحام وأجهزة القياس والضغط والليزر.خاتمه
يمكننا أن نرى أن الروبوتات قد أثرت في حياتنا في قطاعات مختلفة من الفضاء إلى منازلنا. نظرًا لأن الروبوتات تصبح أكثر ذكاءً بمرور الوقت ، يمكننا أن نتوقع أن يصبح تدخل المُشغل أقل.
لقد حاولنا هنا توضيح كيف يعمل الربوت ومكوناته الأساسية و تصنيف الروبوتات بناءً على بعض المعايير ، ولكن في المستقبل القريب يمكننا أن نتوقع اختلافات أكبر في عالم الروبوتات فمستقبل الروبوتات مشرقاً.
مصادر
What Is Robotics
Types of Robots
Types of Robots and Their Applications
كتاب الربوت ونظم التحكم (تخصص التكنولوجيا المناهج الفلسطينية).