تقرير عن برمجة الروبوت
الانسان الالى ، او الروبوت (بالانجليزية : Robot) عبارة عن اداة ميكانيكية قادرة علي القيام بفعاليات مبرمجة سلفا و يقوم الانسان الالى بانجاز تلك الفعاليات اما بايعاز و سيطرة مباشرة من الانسان او بايعاز من برامج حاسوبية و الفعاليات التي تبرمج الانسان علي اداءها عادة تكون فعاليات شاقة او خطيرة كالبحث عن الالغام و الفضاء الخارجى و تنظيف الفضلات الناتجة فالمفاعلات النووية . تم تقديم كلمة انسان الى لاول مرة فمسرحية الكاتب المسرحى التشيكى كارل كابك عام 1920 .وكان عنوان المسرحية و قتها رجال اليون عالميون . و هى تعنى فاللغة التشيكية تعنى العمل الشاق رغم ان كارل هو اول من استخدم هذة الكلمة ، لكن ليس من اخترعها، بل اخوة جوزيف الذي اشتقها مساعدة منة لاخية من الكلمة التشيكية “Robota” و التي تعنى السخرة او العمل الجبرى . من ذلك التاريخ بدات هذة الكلمة تنتشر فالكتب و افلامالخيال العلمى الاولي التي اعطت فكرة و تصور علمى عن هؤلاء الرجال الاليون الذين سيغزون العالم. و اعطت افق كبير و وعود عظيمة للانسان الاعجوبة الذي سيتدخل فامور كثيرة و اهمها الصناعة .
وضع العديد من الدراسات و التوقعات عن ذلك الانسان الالى التي فشلت فيما بعد . و لكن بعد العديد من و ضع التصاميم الجيدة و الانتباة الجاد الي العديد من التفصيلات و الامور الدقائق ، نجح المهندسون فتقديم انظمة الية متنوعة للعديد من الصناعات المتوقعة فالمستقبل القريب . و اليوم و بسبب التطور الهائل للحواسيب و الذكاء الاصطناعى و التقنيات و الهوس فتطوير البرامج الفضائية فنحن علي حافة انجاز كبير احدث فمجال علوم تصميم الروبوتات. اذ ان الانسان الالى يستطيع القيام بمهام عديدة و يخصص لتحريك مواد ، اجزاء ،و ادوات او ما كينات معينة عبر حركات مختلفة البرمجة لاداء عدد من المهام .
نظرة عامة للروبوت الالي
هنالك جدل حول التعريف الدقيق للانسالة فلا يعتبر البعض السيارة او الطائرة ذات التحكم عن بعد بمثابة انسان الى لعدم امتلاكها و سيلة التفكير و اتخاذ القرار بنفسها و يورد البعض مثالا بانة اذا كان باستطاعة الانسان الالى ان ينفذ برنامج معد سلفا بابتعادها عن حاجز خطوتين الي الوراء علي سبيل المثال و الاتجاة نحو اليمين او اليسار و الاستمرار بالتقدم فان ذلك ممكن اعتبارة ربوت حقيقي.[1] الفكرة هى ان الربوت الحقيقى حسب اعتقاد البعض يجب ان تمتلك ذكاء اصطناعى و لها القدرة علي تمييز الانماط و التعرف علي النظم و الاستدلال و الاستنتاج و مع التطور يبدو ان هنالك ترتيبا طبقيا حتي فالربوتات فهنالك الربوت الثابتة العاملة و هنالك المتحركة المرنة و هنالك الطبقة الذكية الشبة مستقلة القادرة علي التعلم .
هنالك نوعيات عديدة من الانسان الالى منها ما يستخدم فالقطاع الصناعى و التي هى عبارة عن اجهزة اوتوماتيكية ممكن تطويعها و اعادة برمجتها و يستخدم لاغراض عديدة بامكانها الحركة علي ثلاثة محاور او اكثر و يستخدم ذلك النوع فالشركات الصناعية الكبري لغرض لحم المعادن و الصباغة و الكوى و التقاط و نقل الاجسام و مراقبة جودة او صلاحية المنتج النهائى للمصنع كما يقوم بتجميع اجزاء السيارات فالمصانع. و هذة الانسالات مبرمجة عادة لتنفيذ مهامها بصورة سريعة و مكررة و دقائق [2] و تم لاحقا اضافة ما يسمي الرؤية الحاسوبية (بالانجليزية : Computer vision) لهذة الربوتات مما جعلها تتمتع بنوع من الاستقلالية و المرونة فتنفيذ المهام المبرمجة بقدرتها علي فهم و تحليل الصور التي تستقبلها فحاسوب خاص مثبت فالربوت.
وهنالك من اشكال الانسان الالى ما هو قادر علي الحركة و القيادة و منها الطائرة بدون طيار (الطيران الالي) و الطائرات ذات التحكم الذاتى التي تستخدم شبكات عصبونية اصطناعية مثلا و تعتبر الروبوتان الذان ارسلتهما ناسا فعام 2004 الي سطح المريخ من اشهر الانسالات المتحركة . و هنالك من الروبوتات ما هو قادر علي اعادة تجميع نفسة بصورة شبة مستقلة علي سبيل المثال تصغير حجمة للمرور اثناء نفق ضيق و هذة الربوتات تحوى فنموذجها علي عدة روابط مع و حدة المعالجة المركزية و و مستقبلات الايعزات و الذاكرة و هذة الانسالات قادرة علي بعض الحركات الشبة مطاطية لاحتواءها علي و حدة مرنة اما عن طريق تحويل طاقة الهواء المضغوط فاسطوانات الي حركات خطية او دورانية يتم الحركة بتحويل الطاقة الكهربائية الي طاقة حركية و هنالك اساليب متطورة اخري عديدة و منها اسلوب جهاز المراة الدقائق الرقمى (بالانجليزية : Digital micromirror device) التي ظهرت لاول مرة فعام 1987 و كانت فكرتها قائمة علي نصب عدة الاف من المرايا الدقائق و الصغيرة جدا جدا فالانسالة لتتجاوب مع عنصر الصورة لاضافة مرونة اكثر فحركة و ردة فعل الانسالة [6].
هنالك كذلك نوعيات من الروبوتات تقوم بالاعمال البيتية ، و تعلم الاطفال و تلعب الشطرنج. ذلك النوع من الروبوتات يطلق عليها تسمية الانسالة الاجتماعية (بالانجليزية : Social robot) و هى تتميز بدرجة عالية من الاستقلالية و لا ممكن اطلاق مصطلح الربوت الاجتماعى علي الاداة التي يتحكم فيها الانسان من بعيد و يجب علي الروبوت الاجتماعى النجاح فاختبارين رئيسيين لتصنيفة علي انه روبوت اجتماعي:
اختبار تورنج : و هو اختبار لمعرفة ما اذا كان ممكن تسمية النظام الانسالى بالنظام الذكي. و ضع ذلك الاختبار عالم الرياضيات البريطانى الان تورنج (1912 – 1954) و هو عبارة عن حوار مع الربوت و اذا لم يستطع المختبر الجزم 100% من ان رسالة الجواب كانت من الانسان او من الروبوت فان الاختبار يعتبر ناجحا و الروبوت ذكية .
اختبار اسحاق اسيموف و هو مدي التزام الروبوت بما يسمي قوانين الانسان الى (بالانجليزية : laws of robotics) و هي
يجب الا يتسبب الانسان الى فحدوث اي اذي للانسان البشري.
يجب ان يطيع اوامر الانسان البشرى الا اذا تعارضت مع القانون الاول.
يجب ان يدافع عن نفسة الا اذا تعارض مع القوانين الاول و الثاني.
نادرا ما تبني الروبوتات فشكل انسان بشري. و ممكن القول بان الروبوت هى جهاز او الة يمكنها ان تحل محل الانسان فبعض المواقف. و يتوقف شكلها الخارجى علي المهمة التي صنعت من اجلها. ان الجسم البشرى جهاز عضوى ذو قدرات عالية يستطيع القيام بالكثير من الوظائف. و ممكن لروبوت ان تقوم بمهام خاصة ربما تثير السام لدي الانسان البشري، او تستغرق و قتا طويلا جدا جدا او تمثل خطورة اذا ما رسها البشر ، و من بعدها فيتم تصنيع الانسالة لاداء اعمال محدودة .
فكرة الانسان الى فالتاريخ القديم
يمكن ان ترجع جذور الانسان الى الحديث ، الي اجهزة الية اخترعت فالماضى البعيد و اطلق عليها “الالات ذاتية الحركة ”. ففى عهد قدماء المصريين حوالى عام 1500 قبل الميلاد كان يوجد تمثال للملك ممنون يصدراصواتا رائعة فالصباح. و فاليونان – فالقرن الرابع ق.م. – اخترع اركيتاس عالم الرياضيات ، حمامة الية يمكنها الطيران. و فالقرن الثالث قبل الميلاد ، اخترع ستيسيبيوس الكثير من الاجهزة الالية و منها الة موسيقية تعمل بالمياة و ساعة ما ئية . و لم تكن هذة اول ساعة ما ئية فالتاريخ ، فقد عرفها القدماء المصريون ، و لكن تميزت ساعة ستيسيبيوس بانها مزودة بجهاز يجعل مستوي المياة ثابتا ، و هى تعمل بنفس كيفية الغرفة العائمة فكاربريتور السيارة الجديدة .
وكان هيرون الاسكندرى الذي عاش حوالى 150 ميلادى مخترعا فذا . فقد اخترع الات تعمل بتدفق المياة ، و بالثقل و حتي بالبخار ، و من اهم اختراعاتة الة aeolipile التي تعتبر الشكل الاول للتوربين الذي يدار بقوة البخار ، كما صمم كذلك الة ميكانيكية توزع المياة المقدسة ، و طائرا اليا يمكنة الطيران و الشرب و الغناء ، و مسرحا اليا ، و تمثالهرقل و هو يصارع التنين و الذي يمكنة تحريكة بتدفق المياة داخله. و شرح هيرون الاسكندرى معظم هذة الاجهزة الالية فكتابة automatopoietica و عبر القرون الاتية ، ظهرت مخترعات جميلة فالشرق الاقصي و الاوسط ، فالصين ، و فالهند و فاليابان و فالجزيرة العربية . و فكتاب رسالة الجزرى الذي يتضمن سردا للاجهزة الالية التي اخترعها العرب – و صفا لاحد هذة الاجهزة و التي اطلق عليها نافورة الطاووس التي كانت تستعمل لغسل الايدى ، فتقدم المياة و الصابون و المنشقة اليا.وبسبب ذلك الاختراع يطلق علي الجزرى “ابى الانسان الالي”.
شريح الروبوت
الجزء و نبذه
المستشعرات .. و يسمي Sensors يستخدم لمساعدة الروبوت لتحسس المؤثرات الخارجية فالبعض منها قادر علي تحسس الحرارة العالية كاحتراق شمعة علي بعد 2 متر.[13]
معالج .. و يسمي Microcontrollers و هو بمثابة عقل الروبوت و بقدرتة القيام بالكثير من الوظائف كتمييز الانماط الخارجية و يقوم المعالج كذلك بتوجية الروبوت. كما يقوم بالتعرف علي الاشكال IdentifyForm. اي باختصار هو الجزء المكلف بتطبيق الخوارزميات المختلفة التي يحتاجها الروبوت فتادية مهمته. و ممكن ان يحتوى جميع من الروبوتات علي معالج خاص بة او ان يشتركوا كلهم فمعالج مركزى يسير الكثير من الروبوتات
متحكم المحرك و يسمي Motor Controllers و يتراوح فولتياتها فالروبوتات الصغيرة من 4.5 فولت الي 36 فولت و اذا ارتفعت الفولتية المتولدة عن ذلك الحد فيجب نصب ادوات تبريد فالروبوت.
المحرك و هو الجزء المسؤول عن حركة الروبوت و يستخدم بعض المولدات تكنولوجيا نموذخ النصف خطوة half step mode مما يساعد علي الدقة العالية تختلف الطاقة المستعملة فتحريك الروبوت حسب النوع و الغرض فقد تكون طاقة هوائية او الكترونية او قوة الموائع.
ادوات الاتصال و هى نقاط تبادل المعلومات بين الروبوت و عالمة الخارجي. و لبعضها قدرة للتعامل فذبذبات تصل الي 2.4 جيجاهرتز GHz. و ممكن تبادل المعلومات لا سلكيا او عن طريق اسلاك باستخدام بروتوكولات GPIB و RS232.
برمجيات و يسمي Software و هى برامج و منها و ندوز 95 ، 98 ، XP للسيطرة و التحكم بحركات الروبوت و احداث سلسلة من الحركات المتناسقة .
بطاريات و اداة شحن و يسمي Batteries and Chargers و هى علي الاغلب خلايا شمسية مربوطة بمحولات للطاقة و شاحنة صغار لاعادة شحن البطارية
لقد كان هدف العلماء اختراع انسان الى يستطيع القيام بالاعمال التي يؤديها الانسان البشرى ، و بالتالي احلالة محل الانسان فو ظائف معينة و خاصة فمجال الصناعة .
و يتكون الروبوت من نظم الكترونية و اجهزة حساسة تناظر الجهاز العصبى و اعضاء الحس للانسان البشرى احيانا. و لبروبوت كذلك عقل الكترونى هو عبارة عن حاسبة الكترونية و بتطور استعمال الشرائح الالكترونية فالحاسبة اصبح من الممكن تجهيز الروبوت بعقل الكترونى بالغ القوة ، و من بعدها فمن الممكن برمجتة ليصبح قادرا علي اداء العمليات المعقدة . و فالواقع ان تطور ذلك العقل الالكترونى ربما فاق النظم الاخري من اجهزة الانسالة ، و اصبح ذا كفاءة عالية فالتشغيل. ان التخاطب مع الروبوت امر صعب ، و لا بد من استعمال احدي لغات الحاسبة الالكترونية ، يستفيد علماء الروبوت فتجاربهم من دراسة اوجة التشابة بين نظم الاتصال و التحكم فالانسان البشرى و نظيرها فالالة . و يعرف ذلك الفرع من العلم باسم السايبرناتيكا (بالانجليزية : cybernetics)، و ربما اشتق هذة الكلمة لاول مرة العالم الرياضى الامريكى نوربرت فاينر فكتاب نشر له عام 1948.
عندما يصبح مطلوبا صناعة روبوتات شبية للانسان العادى فانة ممكن توظيف قواعد الالكترونيات البيولوجية (بالانجليزية : biological electronics) (نبضات مصدرها عضوى حيوي). و باختصار بيونيك (بالانجليزية : bionics) فمثلا تستعمل اذرع و ايدى صناعية و لكنها حساسة و تستجيب فحركتها الي النبضات الكهربائية الدقائق و التي تنشا عن عضلات الجسم البشرى العادية و ايضا كذلك اجزاء غير متحركة كالعيون البلاستيكية و الشرايين الصناعية و مفاصل الورك المصنوعة من المعدن او الخزف.
و يعكف العلماء علي اختراع المزيد من الاطراف و الاجزاء الصناعية التعويضية للجسم البشرى كضابطة النبض التي تعمل بالنظائر المشعة و تستعمل فتقوية القلب البشري.
الانظمة البصرية فالروبوت
فى الروبوتات القديمة كان العين عبارة عن كاميرا تنقل المعلومات المرئية الي البرمجيات لغرض تحليلها و كان هنالك صعوبة فهذا النموذج حيث كانت الانسالة يجد صعوبة فالتمييز فيما اذا كان يتحرك بخطوات نحو الامام اويتحرك بشكل دائرى فحلقة مفرغة و كان اسباب هذة الصعوبة هو الاعتماد علي كاميرا (عين) و احدة . منذ عام 2003 يعمل الباحثون علي الاعتماد علي اكثر من كاميرا و احدة و يشبة الباحثون الاسلوب القديم للرؤية فالانسالة بالنظر من اثناء اسطوانة ضيقة يصعب بها رؤية شمولية و خاصة عند الالتفات و الحل حسب الباحثين فجامعة ميريلاند فالولايات المتحدة هو نصب عين متطورة فمؤخرة الجزء العلوى من الروبوت و ذلك العين عبارة عن 9 كاميرات رقمية بجم كرة قدم مصغرة و تم تسميتها بعين ارجوس (بالانكليزية : Argus eye) تيمنا بالالة اليونانى الذي كان جسمة مغطي بمئات العيون. يختلف نظم العين فالروبوت حسب نوع الروبوت ففى الروبوتات البسيطة يصبح نموذج العين عبارة عن مقاومة كهربائية الي كاميرات فيديو فائقة الدقة مزودة ببرمجيات معالجة الضوء (بالانكليزية : light detection and processing systems) فالروبوتات المتطورة و يفضل العلماء محاكاة نموذج عين الحشرات لصناعة و تصميم الاعين لروبوتات و هذا لصغر حجم الدماغ و مركز معالجة المرئيات فعقل الحشرات.[18] يحوى سبيرت Spirit الموجود علي سطح المريخ علي كاميرا بانورامية (بالانكليزية : Pancam) باستطاعتها الالتفات 360 درجة و نقل صورة شمولية للسطح المحيط بالانسالة يبلغ و زن هذة الكاميرا 270 غرام و حجمها بقدر قبضة اليد و باستطاعتها انتاج صور يبلغ مقدار عنصر الصورة بها الي 24,000 بكسل.
لغة الروبوتات
نظام تمييز و تحليل الاصوات المسموعة فالروبوت عبارة عن تحويل اشارات صوتية يتم التقاطها بواسطة ميكروفون الي مجموعة من العبارات المكتوبة المفهومة لروبوت و المخزونة فبرمجيات الروبوات التي تقوم بتحليل و محاكاة فهم اللغات الطبيعية و يطلق علي هذة العملية معالجة اللغات الطبيعية و هنالك الكثير من التقنيات المستخدمة فتمييز و تحليل الاصوات منها الشبكات العصبونية الاصطناعية و شبكات عصبونية امامية التغذية خلفية النقل و تحويل فوريى السريع و الشبكات العصبونية . يوجد هنالك برمجيات تمييز المحادثة (بالانجليزية : Speech Recognition Software) و نموذج العتاد الصلب لتمييز المحادثة (بالانجليزية : Speech Recognition Hardwarew Module) و تعتبر الاولي اكثر تطورا من الثانية = و لكنها متوفرة للغات محدودة .
علي سبيل المثال عندما يصدر ايعاز الي الروبوت بالذهاب الي غرفة معينة كالمطبخ مثلا فان الروبوت سوف يلتقط كلمة المطبخ مع جميع البيانات المتعلقة بكلمة المطبخ من ناحية الوظيفة و الاجواء المتعلقة بالكلمة و المخزونة فعتاد الحاسوب و عندما يعطي ايعاز غير مفهوم او ايعاز غير منطقى كاختراق جدار مثلا فان الروبوت و من اثناء عملية التغذية الراجعة حسب منظور علم السيبرنيتيك سوف يرسل ايعازا جوابيا مضمونة اما ان الايعاز غير مفهوم او غير منطقى . فالثمانينيات كان الباحثون يعملون بايعزات مكونة من جملة او جملتين ك“تحرك” ، “التفت يمينا” و لكن بدا التركيز مؤخرا علي جمل طويلة و معقدة مشابهة لاساليب التحدث فالانسان.
المستشعرات الانساليه
المستشعرات هى نظم حسية . يقوم المستشعر بالتقاط نمط معين من البيانات التي يجب تحليلها بواسطة البرمجيات لانتاج ردة الفعل المناسبة و المبرمجة فالروبوت و فيما يلى بعض المستشعرات التي لاتتوفر كلها فجميع نوعيات الانسالات:
المستشعر نموذج الوظيفه
جيروسكوب يقيس دوران المركز حول المحور و مدي انحرافة عنه.
نظام التموضع العالمى يستلم اشارات من الاقمار الصناعية و غرضها تحديد البقعة الجغرافية التي تتواجد فيها الروبوت.
مستشعر الليزر يستعمل الليزر لقياس البعد عن جسم معين لغرض الاستدلال علي الحواجز و العوائق.
مستشعر اللمس الكشف عن اتصال الانسالة بجسم خارجى كحائط و جسم داخلى كذراع اللروبوت و يستند ذلك المستشعر علي تغير الضغط المسلط.
مستشعر الضوء يقيس مستوي الاضاءة من 0% (معتم جدا) الي 100% (مضيئ جدا) باعتمادها علي ترانزستور ضوئي. كما ممكن ان يتم استخدام مستشعرات للطيف الغير المرئى من الضوء كالاشعة ما الحمراء.
المؤثرات فالروبوت
يحتوى اذرعت الروبوت علي نظام يقوم بعملية التغذية الراجعة (بالانجليزية : feedback-driven connection) بين الايعاز الحسى و ردة الفعل الناتجة من ميكانيكيات الاستجابة الالية التي يقوم بتنظيمها و حدة المعالجة المركزية كاستجابة للايعاز المرسل من قبل المستشعرات. يختلف عدد و نوع المفاصل فذراع الروبوات حسب الغرض و يعتبر المفاصل الدورانية rotary و الخطية linear من اكثر الانواع شيوعا . فالروبوت المتطورة و المتخصصة بحقل الفضاء الخارجى يحوى الذراع علي نظام تطويع ذو تحكم بعيد (بالانجليزية : Remote Manipulator System) و تقوم بالتقاط و نقل ادوات و معدات ، تم استعمالها لاول مرة عام 1981 و تم تطويرها و التركيز عليها بعد حادثة تحطم مركبة الفضاء كولومبيا لغرض برمجة الذراع للقيام باعمال الصيانة و التصليح.[22] يستعمل ذراع الانسالة فمجال الطب كذلك و خاصة الجراحة و فيونيو 2006 قام ذراع انسالى باول عملية جراحية كاملة بدون اية مساعدة فمستشفي مدينة بوسطن و استغرقت عملية القلب لعلاج ارتجاف الاذينين 50 دقائق علي مريض عمرة 34 سنة [23]. هنالك محاولات لصنع مستشعرات لمسية بالغة الدقة تتمكن من قراءة الكتابات البارزة كالكتابات علي العملات المعدنية بمجرد اللمس [24] و هنالك محاولات لتصنيع جلد صناعى فالولايات المتحدة و لكن المشروع لايزال فالاطوار التمهيدية .[25]
ان محاولة انتاج جهاز يؤدى عمل الذراع البشرية ، لهو امر بالغ الصعوبة ، ان اعقد جهاز يشبة الذراع البشرية يؤدى فقط من 10 الي 20 حركة مستقلة ، بينما تؤدى الذراع البشرية حوالى 40 حركة مستقلة . و تتميز النماذج المتقدمة من الانسالة بان اصابع يدها مرنة و تحتوى علي اجهزة احساس بحيث تدرك ما تلمسة ، اما البعض الاخر فيتوافق مع عيون الكترونية حتي ممكن ان يعمل مستقلا كاليد البشرية . فاليد البشرية توجة الي هدفها لا شعوريا و فق ما تراة العين. و ممكن بسهولة ان نجعل الانسالة يتحرك بوضعة فوق العجلات ، و لكن ربما يحدث ذلك اذا اردنا ان نحركة فوق سطح املس ، اما اذا كان السطح و عرا فلا تصلح هذة الكيفية .
