تقرير عن برمجه الروبوت
الانسان الالي ، او الروبوت (بالانجليزيه : Robot) عباره عن اداه ميكانيكيه قادره على القيام بفعاليات مبرمجه سلفا ويقوم الانسان الالي بانجاز تلك الفعاليات اما بايعاز وسيطره مباشره من الانسان او بايعاز من برامج حاسوبيه والفعاليات التي تبرمج الانسان على اداءها عاده تكون فعاليات شاقه او خطيره مثل البحث عن الالغام والفضاء الخارجي وتنظيف الفضلات الناتجه في المفاعلات النوويه . تم تقديم كلمه انسان الي لاول مره في مسرحيه الكاتب المسرحي التشيكي كارل كابك عام 1920 .وكان عنوان المسرحيه وقتها رجال اليون عالميون . وهي تعني في اللغه التشيكيه تعني العمل الشاق رغم ان كارل هو اول من استعمل هذه الكلمه ، لكن ليس من اخترعها، بل اخوه جوزيف الذي اشتقها مساعده منه لاخيه من الكلمه التشيكيه “Robota” والتي تعني السخره او العمل الجبري . من هذا التاريخ بدات هذه الكلمه تنتشر في الكتب وافلامالخيال العلمي الاولى التي اعطت فكره وتصور علمي عن هؤلاء الرجال الاليون الذين سيغزون العالم. واعطت افق كبير ووعود عظيمه للانسان الاعجوبه الذي سيتدخل في امور كثيره واهمها الصناعه .
وضع الكثير من الدراسات و التوقعات عن هذا الانسان الالي التي فشلت فيما بعد . و لكن بعد الكثير من وضع التصاميم الجيده و الانتباه الجاد الى الكثير من التفصيلات و الامور الدقيقه ، نجح المهندسون في تقديم انظمه اليه متنوعه للكثير من الصناعات المتوقعه في المستقبل القريب . و اليوم و بسبب التطور الهائل للحواسيب و الذكاء الاصطناعي و التقنيات و الهوس في تطوير البرامج الفضائيه فنحن على حافه انجاز كبير اخر في مجال علوم تصميم الروبوتات. اذ ان الانسان الالي يستطيع القيام بمهام عديده و يخصص لتحريك مواد ، اجزاء ،و ادوات او ماكينات معينه عبر حركات مختلفه البرمجه لاداء عدد من المهام .
نظره عامه للروبوت الالي
هناك جدل حول التعريف الدقيق للانساله فلا يعتبر البعض السياره او الطائره ذات التحكم عن بعد بمثابه انسان الي لعدم امتلاكها وسيله التفكير واتخاذ القرار بنفسها ويورد البعض مثالا بانه اذا كان باستطاعه الانسان الالي ان ينفذ برنامج معد سلفا بابتعادها عن حاجز خطوتين الى الوراء على سبيل المثال والاتجاه نحو اليمين او اليسار و الاستمرار بالتقدم فان هذا يمكن اعتباره ربوت حقيقي.[1] الفكره هي ان الربوت الحقيقي حسب اعتقاد البعض يجب ان تمتلك ذكاء اصطناعي ولها القدره على تمييز الانماط والتعرف على النظم و الاستدلال والاستنتاج ومع التطور يبدو ان هناك ترتيبا طبقيا حتى في الربوتات فهناك الربوت الثابته العامله وهناك المتحركه المرنه وهناك الطبقه الذكيه الشبه مستقله القادره على التعلم .
هناك انواع عديده من الانسان الالي منها ما يستعمل في القطاع الصناعي والتي هي عباره عن اجهزه اوتوماتيكيه يمكن تطويعها و اعاده برمجتها ويستعمل لاغراض عديده بامكانها الحركه على ثلاثه محاور او اكثر ويستعمل هذا النوع في الشركات الصناعيه الكبرى لغرض لحم المعادن و الصباغه والكوي والتقاط ونقل الاجسام ومراقبه جوده او صلاحيه المنتج النهائي للمصنع كما يقوم بتجميع اجزاء السيارات في المصانع. وهذه الانسالات مبرمجه عاده لتنفيذ مهامها بصوره سريعه و مكرره ودقيقه [2] وتم لاحقا اضافه مايسمى الرؤيه الحاسوبيه (بالانجليزيه : Computer vision) لهذه الربوتات مما جعلها تتمتع بنوع من الاستقلاليه والمرونه في تنفيذ المهام المبرمجه بقدرتها على فهم وتحليل الصور التي تستقبلها في حاسوب خاص مثبت في الربوت.
وهناك من اشكال الانسان الالي ما هو قادر على الحركه و القياده ومنها الطائره بدون طيار (الطيران الالي) والطائرات ذات التحكم الذاتي التي تستعمل شبكات عصبونيه اصطناعيه مثلا و تعتبر الروبوتان الذان ارسلتهما ناسا في عام 2004 الى سطح المريخ من اشهر الانسالات المتحركه . وهناك من الروبوتات ما هو قادر على اعاده تجميع نفسه بصوره شبه مستقله على سبيل المثال تصغير حجمه للمرور خلال نفق ضيق وهذه الربوتات تحوي في نموذجها على عده روابط مع وحده المعالجه المركزيه و ومستقبلات الايعزات و الذاكره وهذه الانسالات قادره على بعض الحركات الشبه مطاطيه لاحتواءها على وحده مرنه اما عن طريق تحويل طاقه الهواء المضغوط في اسطوانات الى حركات خطيه او دورانيه يتم الحركه بتحويل الطاقه الكهربائيه الى طاقه حركيه وهناك اساليب متطوره اخرى عديده ومنها اسلوب جهاز المراه الدقيقه الرقمي (بالانجليزيه : Digital micromirror device) التي ظهرت لاول مره في عام 1987 وكانت فكرتها قائمه على نصب عده الاف من المرايا الدقيقه والصغيره جدا في الانساله لتتجاوب مع عنصر الصوره لاضافه مرونه اكثر في حركه ورده فعل الانساله [6].
هناك ايضا انواع من الروبوتات تقوم بالاعمال المنزليه ، و تعلم الاطفال و تلعب الشطرنج. هذا النوع من الروبوتات يطلق عليها تسميه الانساله الاجتماعيه (بالانجليزيه : Social robot) وهي تتميز بدرجه عاليه من الاستقلاليه ولا يمكن اطلاق مصطلح الربوت الاجتماعي على الاداه التي يتحكم بها الانسان من بعيد ويجب على الروبوت الاجتماعي النجاح في اختبارين رئيسيين لتصنيفه على انه روبوت اجتماعي:
اختبار تورنج : وهو اختبار لمعرفه ما اذا كان يمكن تسميه النظام الانسالي بالنظام الذكي. وضع هذا الاختبار عالم الرياضيات البريطاني الان تورنج (1912 – 1954) وهو عباره عن حوار مع الربوت واذا لم يستطع المختبر الجزم 100% من ان رساله الجواب كانت من الانسان او من الروبوت فان الاختبار يعتبر ناجحا و الروبوت ذكيه .
اختبار اسحاق اسيموف وهو مدى التزام الروبوت بما يسمى قوانين الانسان الي (بالانجليزيه : laws of robotics) وهي
يجب الا يتسبب الانسان الي في حدوث اي اذى للانسان البشري.
يجب ان يطيع اوامر الانسان البشري الا اذا تعارضت مع القانون الاول.
يجب ان يدافع عن نفسه الا اذا تعارض مع القوانين الاول و الثاني.
نادرا ما تبنى الروبوتات في شكل انسان بشري. و يمكن القول بان الروبوت هي جهاز او اله يمكنها ان تحل محل الانسان في بعض المواقف. و يتوقف شكلها الخارجي على المهمه التي صنعت من اجلها. ان الجسم البشري جهاز عضوي ذو قدرات عاليه يستطيع القيام بالعديد من الوظائف. و يمكن لروبوت ان تقوم بمهام خاصه قد تثير السام لدى الانسان البشري، او تستغرق وقتا طويلا جدا او تمثل خطوره اذا مارسها البشر ، و من ثم فيتم تصنيع الانساله لاداء اعمال محدوده .
فكره الانسان الي في التاريخ القديم
يمكن ان ترجع جذور الانسان الي الحديث ، الى اجهزه اليه اخترعت في الماضي البعيد و اطلق عليها “الالات ذاتيه الحركه ”. ففي عهد قدماء المصريين حوالي عام 1500 قبل الميلاد كان يوجد تمثال للملك ممنون يصدراصواتا جميله في الصباح. و في اليونان – في القرن الرابع ق.م. – اخترع اركيتاس عالم الرياضيات ، حمامه اليه يمكنها الطيران. و في القرن الثالث قبل الميلاد ، اخترع ستيسيبيوس العديد من الاجهزه الاليه و منها اله موسيقيه تعمل بالمياه و ساعه مائيه . و لم تكن هذه اول ساعه مائيه في التاريخ ، فقد عرفها القدماء المصريون ، و لكن تميزت ساعه ستيسيبيوس بانها مزوده بجهاز يجعل مستوى المياه ثابتا ، و هي تعمل بنفس طريقه الغرفه العائمه في كاربريتور السياره الحديثه .
وكان هيرون الاسكندري الذي عاش حوالي 150 ميلادي مخترعا فذا . فقد اخترع الات تعمل بتدفق المياه ، و بالثقل و حتى بالبخار ، و من اهم اختراعاته اله aeolipile التي تعتبر الشكل الاول للتوربين الذي يدار بقوه البخار ، كما صمم ايضا اله ميكانيكيه توزع المياه المقدسه ، و طائرا اليا يمكنه الطيران و الشرب و الغناء ، و مسرحا اليا ، و تمثالهرقل و هو يصارع التنين و الذي يمكنه تحريكه بتدفق المياه داخله. و شرح هيرون الاسكندري معظم هذه الاجهزه الاليه في كتابه automatopoietica و عبر القرون التاليه ، ظهرت مخترعات رائعه في الشرق الاقصى و الاوسط ، في الصين ، و في الهند و في اليابان و في الجزيره العربيه . و في كتاب رساله الجزري الذي يتضمن سردا للاجهزه الاليه التي اخترعها العرب – وصفا لاحد هذه الاجهزه و التي اطلق عليها نافوره الطاووس التي كانت تستخدم لغسل الايدي ، فتقدم المياه و الصابون و المنشقه اليا.وبسبب هذا الاختراع يطلق على الجزري “ابي الانسان الالي”.
شريح الروبوت
الجزء و نبذه
المستشعرات .. ويسمى Sensors يستعمل لمساعده الروبوت لتحسس المؤثرات الخارجيه فالبعض منها قادر على تحسس الحراره العاليه مثل احتراق شمعه على بعد 2 متر.[13]
معالج .. ويسمى Microcontrollers وهو بمثابه عقل الروبوت و بقدرته القيام بالعديد من الوظائف كتمييز الانماط الخارجيه ويقوم المعالج ايضا بتوجيه الروبوت. كما يقوم بالتعرف على الاشكال IdentifyForm. اي باختصار هو الجزء المكلف بتطبيق الخوارزميات المختلفه التي يحتاجها الروبوت في تاديه مهمته. و يمكن ان يحتوي كل من الروبوتات على معالج خاص به او ان يشتركوا كلهم في معالج مركزي يسير العديد من الروبوتات
متحكم المحرك ويسمى Motor Controllers ويتراوح فولتياتها في الروبوتات الصغيره من 4.5 فولت الى 36 فولت واذا ارتفعت الفولتيه المتولده عن هذا الحد فيجب نصب ادوات تبريد في الروبوت.
المحرك وهو الجزء المسؤول عن حركه الروبوت ويستعمل بعض المولدات تكنولوجيا نموذخ النصف خطوه half step mode مما يساعد على الدقه العاليه تختلف الطاقه المستعمله في تحريك الروبوت حسب النوع و الغرض فقد تكون طاقه هوائيه او الكترونيه او قوه الموائع.
ادوات الاتصال و هي نقاط تبادل المعلومات بين الروبوت وعالمه الخارجي. ولبعضها قدره للتعامل في ذبذبات تصل الى 2.4 جيجاهرتز GHz. و يمكن تبادل المعلومات لا سلكيا او عن طريق اسلاك باستعمال بروتوكولات GPIB و RS232.
برمجيات ويسمى Software وهي برامج ومنها وندوز 95 ، 98 ، XP للسيطره والتحكم بحركات الروبوت واحداث سلسله من الحركات المتناسقه .
بطاريات واداه شحن ويسمى Batteries and Chargers وهي على الاغلب خلايا شمسيه مربوطه بمحولات للطاقه وشاحنه صغيره لاعاده شحن البطاريه
لقد كان هدف العلماء اختراع انسان الي يستطيع القيام بالاعمال التي يؤديها الانسان البشري ، و بالتالي احلاله محل الانسان في وظائف معينه و خاصه في مجال الصناعه .
و يتكون الروبوت من نظم الكترونيه و اجهزه حساسه تناظر الجهاز العصبي و اعضاء الحس للانسان البشري احيانا. و لبروبوت ايضا عقل الكتروني هو عباره عن حاسبه الكترونيه و بتطور استخدام الشرائح الالكترونيه في الحاسبه اصبح من الممكن تجهيز الروبوت بعقل الكتروني بالغ القوه ، و من ثم فمن الممكن برمجته ليكون قادرا على اداء العمليات المعقده . و في الواقع ان تطور هذا العقل الالكتروني قد فاق النظم الاخرى من اجهزه الانساله ، و اصبح ذا كفاءه عاليه في التشغيل. ان التخاطب مع الروبوت امر صعب ، و لا بد من استخدام احدى لغات الحاسبه الالكترونيه ، يستفيد علماء الروبوت في تجاربهم من دراسه اوجه التشابه بين نظم الاتصال و التحكم في الانسان البشري و نظيرها في الاله . و يعرف هذا الفرع من العلم باسم السايبرناتيكا (بالانجليزيه : cybernetics)، وقد اشتق هذه الكلمه لاول مره العالم الرياضي الامريكي نوربرت فاينر في كتاب نشر له عام 1948.
عندما يكون مطلوبا صناعه روبوتات شبيه للانسان العادي فانه يمكن توظيف قواعد الالكترونيات البيولوجيه (بالانجليزيه : biological electronics) (نبضات مصدرها عضوي حيوي). و باختصار بيونيك (بالانجليزيه : bionics) فمثلا تستخدم اذرع و ايدي صناعيه و لكنها حساسه و تستجيب في حركتها الى النبضات الكهربائيه الدقيقه و التي تنشا عن عضلات الجسم البشري العاديه و كذلك ايضا اجزاء غير متحركه مثل العيون البلاستيكيه و الشرايين الصناعيه و مفاصل الورك المصنوعه من المعدن او الخزف.
و يعكف العلماء على اختراع المزيد من الاطراف و الاجزاء الصناعيه التعويضيه للجسم البشري مثل ضابطه النبض التي تعمل بالنظائر المشعه و تستخدم في تقويه القلب البشري.
الانظمه البصريه في الروبوت
في الروبوتات القديمه كان العين عباره عن كاميرا تنقل المعلومات المرئيه الى البرمجيات لغرض تحليلها وكان هناك صعوبه في هذا النموذج حيث كانت الانساله يجد صعوبه في التمييز فيما اذا كان يتحرك بخطوات نحو الامام اويتحرك بشكل دائري في حلقه مفرغه وكان سبب هذه الصعوبه هو الاعتماد على كاميرا (عين) واحده . منذ عام 2003 يعمل الباحثون على الاعتماد على اكثر من كاميرا واحده ويشبه الباحثون الاسلوب القديم للرؤيه في الانساله بالنظر من خلال اسطوانه ضيقه يصعب فيها رؤيه شموليه وخاصه عند الالتفات والحل حسب الباحثين في جامعه ميريلاند في الولايات المتحده هو نصب عين متطوره في مؤخره الجزء العلوي من الروبوت وهذا العين عباره عن 9 كاميرات رقميه بجم كره قدم مصغره وتم تسميتها بعين ارجوس (بالانكليزيه : Argus eye) تيمنا بالاله اليوناني الذي كان جسمه مغطى بمئات العيون. يختلف نظم العين في الروبوت حسب نوع الروبوت ففي الروبوتات البسيطه يكون نموذج العين عباره عن مقاومه كهربائيه الى كاميرات فيديو فائقه الدقه مزوده ببرمجيات معالجه الضوء (بالانكليزيه : light detection and processing systems) في الروبوتات المتطوره ويفضل العلماء محاكاه نموذج عين الحشرات لصناعه وتصميم الاعين لروبوتات وذلك لصغر حجم الدماغ و مركز معالجه المرئيات في عقل الحشرات.[18] يحوي سبيرت Spirit الموجود على سطح المريخ على كاميرا بانوراميه (بالانكليزيه : Pancam) باستطاعتها الالتفات 360 درجه ونقل صوره شموليه للسطح المحيط بالانساله يبلغ وزن هذه الكاميرا 270 غرام وحجمها بقدر قبضه اليد وباستطاعتها انتاج صور يبلغ مقدار عنصر الصوره فيها الى 24,000 بكسل.
لغه الروبوتات
نظام تمييز وتحليل الاصوات المسموعه في الروبوت عباره عن تحويل اشارات صوتيه يتم التقاطها بواسطه ميكروفون الى مجموعه من الكلمات المكتوبه المفهومه لروبوت والمخزونه في برمجيات الروبوات التي تقوم بتحليل ومحاكاه فهم اللغات الطبيعيه ويطلق على هذه العمليه معالجه اللغات الطبيعيه وهناك العديد من التقنيات المستخدمه في تمييز وتحليل الاصوات منها الشبكات العصبونيه الاصطناعيه و شبكات عصبونيه اماميه التغذيه خلفيه النقل و تحويل فوريي السريع و الشبكات العصبونيه . يوجد هناك برمجيات تمييز المحادثه (بالانجليزيه : Speech Recognition Software) ونموذج العتاد الصلب لتمييز المحادثه (بالانجليزيه : Speech Recognition Hardwarew Module) وتعتبر الاولى اكثر تطورا من الثانيه ولكنها متوفره للغات محدوده .
على سبيل المثال عندما يصدر ايعاز الى الروبوت بالذهاب الى غرفه معينه كالمطبخ مثلا فان الروبوت سوف يلتقط كلمه المطبخ مع كل البيانات المتعلقه بكلمه المطبخ من ناحيه الوظيفه و الاجواء المتعلقه بالكلمه والمخزونه في عتاد الحاسوب وعندما يعطى ايعاز غير مفهوم او ايعاز غير منطقي كاختراق جدار مثلا فان الروبوت ومن خلال عمليه التغذيه الراجعه حسب منظور علم السيبرنيتيك سوف يرسل ايعازا جوابيا مضمونه اما ان الايعاز غير مفهوم او غير منطقي . في الثمانينيات كان الباحثون يعملون بايعزات مكونه من جمله او جملتين مثل “تحرك” ، “التفت يمينا” ولكن بدا التركيز مؤخرا على جمل طويله ومعقده مشابهه لاساليب التحدث في الانسان.
المستشعرات الانساليه
المستشعرات هي نظم حسيه . يقوم المستشعر بالتقاط نمط معين من البيانات التي يجب تحليلها بواسطه البرمجيات لانتاج رده الفعل المناسبه و المبرمجه في الروبوت وفيما يلي بعض المستشعرات التي لاتتوفر كلها في جميع انواع الانسالات:
المستشعر نموذج الوظيفه
جيروسكوب يقيس دوران المركز حول المحور ومدى انحرافه عنه.
نظام التموضع العالمي يستلم اشارات من الاقمار الصناعيه وغرضها تحديد البقعه الجغرافيه التي تتتواجد بها الروبوت.
مستشعر الليزر يستخدم الليزر لقياس البعد عن جسم معين لغرض الاستدلال على الحواجز و العوائق.
مستشعر اللمس الكشف عن اتصال الانساله بجسم خارجي كحائط وجسم داخلي كذراع اللروبوت ويستند هذا المستشعر على تغير الضغط المسلط.
مستشعر الضوء يقيس مستوى الاضاءه من 0% (معتم جدا) الى 100% (مضيئ جدا) باعتمادها على ترانزستور ضوئي. كما يمكن ان يتم استعمال مستشعرات للطيف الغير المرئي من الضوء كالاشعه ما الحمراء.
المؤثرات في الروبوت
يحتوي اذرعت الروبوت على نظام يقوم بعمليه التغذيه الراجعه (بالانجليزيه : feedback-driven connection) بين الايعاز الحسي و رده الفعل الناتجه من ميكانيكيات الاستجابه الاليه التي يقوم بتنظيمها وحده المعالجه المركزيه كاستجابه للايعاز المرسل من قبل المستشعرات. يختلف عدد ونوع المفاصل في ذراع الروبوات حسب الغرض ويعتبر المفاصل الدورانيه rotary و الخطيه linear من اكثر الانواع شيوعا . في الروبوت المتطوره و المتخصصه بحقل الفضاء الخارجي يحوي الذراع على نظام تطويع ذو تحكم بعيد (بالانجليزيه : Remote Manipulator System) وتقوم بالتقاط ونقل ادوات ومعدات ، تم استعمالها لاول مره عام 1981 وتم تطويرها و التركيز عليها بعد حادثه تحطم مركبه الفضاء كولومبيا لغرض برمجه الذراع للقيام باعمال الصيانه والتصليح.[22] يستخدم ذراع الانساله في مجال الطب ايضا وخاصه الجراحه وفي يونيو 2006 قام ذراع انسالي باول عمليه جراحيه كامله بدون ايه مساعده في مستشفى مدينه بوسطن واستغرقت عمليه القلب لعلاج ارتجاف الاذينين 50 دقيقه على مريض عمره 34 سنه [23]. هناك محاولات لصنع مستشعرات لمسيه بالغه الدقه تتمكن من قراءه الكتابات البارزه مثل الكتابات على العملات المعدنيه بمجرد اللمس [24] وهناك محاولات لتصنيع جلد صناعي في الولايات المتحده ولكن المشروع لايزال في الاطوار التمهيديه .[25]
ان محاوله انتاج جهاز يؤدي عمل الذراع البشريه ، لهو امر بالغ الصعوبه ، ان اعقد جهاز يشبه الذراع البشريه يؤدي فقط من 10 الى 20 حركه مستقله ، بينما تؤدي الذراع البشريه حوالي 40 حركه مستقله . و تتميز النماذج المتقدمه من الانساله بان اصابع يدها مرنه و تحتوي على اجهزه احساس بحيث تدرك ما تلمسه ، اما البعض الاخر فيتوافق مع عيون الكترونيه حتى يمكن ان يعمل مستقلا كاليد البشريه . فاليد البشريه توجه الى هدفها لا شعوريا وفق ما تراه العين. و يمكن بسهوله ان نجعل الانساله يتحرك بوضعه فوق العجلات ، و لكن قد يحدث هذا اذا اردنا ان نحركه فوق سطح املس ، اما اذا كان السطح وعرا فلا تصلح هذه الطريقه .
