مفهومُ الروبوتِ
الروبوت عبارة عن آلة (الكترو-ميكانيكية )صُممت من خلال نظام هندسي يجعلها تعمل كبديل للأيدي العاملة البشرية ،حيث تكون قادرة على أن تؤدي الوظيفة المطلوبة منها بالطريقة التي يؤديها البشر. وتكون هذه الآلة مزودة بمحركات تساعد هذه الآلة على الحركة (أرجل،عجلات،مفاصل،مقابض).حيث يتم برمجة هذه الآلة بوساطة برامج حاسوبية خاصة.
علم الروبوتات
وحتى تستطيع هذه الآلة (الروبوت) القيام بعملها ،هناك علم خاص يقوم على تصميم هذه الآلات وبنائها وبرمجتها حتى تستطيع التفاعل مع البيئة المحيطة.
وتمتاز البيئة المحيطة أنها تجمع العديد من المفاهيم الخاصة بعلم الذكاء الاصطناعي التي تعرفنا عليها في الدروس السابقة منها:
مكوناتُ نظامِ الروبوتِ
تتضمن مكونات الروبوت الأساسية المحركات التي تمنحها القدرة على الحركة، والمستشعرات التي تساعدها على إدراك محيطها، وأنظمة التحكم التي تدير عملياتها المعقدة. بالإضافة إلى ذلك، هناك مكونات أخرى مهمة مثل البطاريات التي تزودها بالطاقة، والهياكل التي توفر لها الدعم.
تختلف مكونات الروبوت باختلاف المهمة التي سوف يؤديها، ولكن تتشابه جميع هذه الروبوتات بوجود مستشعرات ومحركات ومستجيب نهائي بالاضافة الى نظام التحكم الخاص بها.
وسوف نتعرف سويا الى هذه المكونات وبعض المكونات الاخرى التي ممكن أن يُزود بها الروبوت:
1.وحدات الإدخال (Input Units)
حتى يستطيع الروبوت استقبال البيانات ،يحتاج الى عدد من الحساسات (Sensors) أو وحدات الاتصال (Communication Modules) مثل البلوتوث وWi-Fi ، كل حسب مهمته.
حيث يقوم الروبوت من خلال وحدات الادخال بـالعمليات التالية:
وفيما يلي جدولا يمثل شرحا توضيحياً حول أشهر الحساسات التي يمكن أن يتم تزويد الروبوت بها ووظيفتها ومبدأ عملها بالاضافة الى شكلها:
المجموعة الأولى:
المجموعة الثانية:
المجموعة الثالثة:
2.وحدات المعالجة (Processing Units)
كما سبق وتعلمنا عن وحدة المعالجة المركزية في جهاز الحاسوب بأنها العقل المدبر فيه،كذلك نعتبر وحدة المعالجة المركزية في جهاز الروبو بأنها عقل الروبوت.حيث يتم من خلالها تنفيذ جميع البرامج التي يتم تزويد الروبوت بها من خلال مطوري البرامج (Developers).
ومن ثم تقوم هده الوحده بعملية تحليل البيانات التي تصل الى الروبوت من خلال وحدات الادخال الخاصة به. واعتمادا على هذه التحليلات،تقوم هذه الوحدة بعملية اتخاذ القرار المناسب ومن ثم توجيه وحدة الاخراج بالاوامر المطلوب تنفيذها. ويعتبر المعالج Arduino والمعالج Raspberry Pi من أشهر المعالجات في عالم الروبوت والتي يمكن برمجتها من خلال لغات البرمجة الشائعة مثل C++ و Python
3.وحدات الإخراج (Outputs Units)
تماما كما وحدات الإخراج في اجهزة الحاسوب تقوم بإظهار النتائج المطلوبة، فإن وحدات الإخراج في الروبوت تشمل كل الأجزاء التي تستقبل المعلومات من وحدة المعالجة وتنفيذها بالشكل المطلوب.
ومن أشهر وحدات الاخراج في الروبوت:
آليةُ حركةِ الروبوتاتِ
يعتبر جسم الروبوت هو الآلة المكيانيكية التي تؤدي المهمة المطلوبة،وذلك من خلال الحركة المترابطة ما بين الاذرع والعجلات وغيرها من المستجيبات الطرفية.
ويُعد النموذج الهرمي من النماذج الروبوتية التي يعمل فيها الروبوت بنمط من أعلى إلى أسفل، وبتخطيط شديد،
:وخاصةً تخطيط الحركة، وتتحرك الروبوتات في ثلاثة مستويات هرمية هي
وفيما يلي توضيح عن كل مستوى
1.التخطيط للمهمة: الغاية من هذا المستوى هو تحديد الهدف الرئيسي للمهمة، فمثلا اذا كانت لدينا المتاهة التالية:
ومطلوب من الروبوت العبور خلال هذه المتاهة، فإن المهمة المحددة للروبوت تكون الانتقال من النقطة A الى النقطة D.
2.التخطيط للحركة: هنا في هذا المستوى،يتم تحديد المسار الذي سوف يتم من خلال نقل الروبوت، حيث يتضمن هذا المسار التخطيط لتحقيق الهدف الفرعي. ويتم انجاز هذا المستوى من خلال تحقيق المهمات التالية:
- المهمة الأولى:تتضمن هذه المهمة مرحلة التعرف على البيئة المحيطة المتواجد بها الروبوت، حيث يقوم الربوت من خلال تقنية الرؤية التي يمتلكها والحساسات التي لديه بإدراك ما يتواجد في البيئة حوله.إلا ان هذه العملية تعتبر من العمليات الصعبة على الروبوت نظراً لعدم مقدرته على تقدير ما حوله لعدم تشابه ما حوله بما تم تخزينه من معلومات وأشكال في ذاكرته.
إلا انه يمكن التغلب على هذه المشكلة من خلال توافر العناصر التالية بما تم تخزينه من تمثيلات داخلية للبيئة المحيطة:
- المهمة الثانية:هنا تأتي مرحلة التحديد والتعيين، أي تحديد الاماكن للروبوت و للأشياء المحيطة به من خلال إحداثيات المستوى الديكارتي. أي يتم معرفة نقطة تواجد الروبوت، ومدى بُعد المسافة لكل جسم في البيئة عن الروبوت.
وفي حال لم يتمكن الروبوت من تحديد مواقع هذه الأشياء المتواجدة في بيئته،نظراً لعدم وجود خريطة للبيئة المحيطة به مخزنة لديه،يقوم الروبوت بعملية لتوطين المتزامن: وهي عملية يقوم الروبت من خلالها بتحدي موقعه ومن ثم بناء خريطة للمكان الذي يتواجد فيه،وتندرج هذه العملية تحت مقدرة الروبوت على التعلم الآلي دون الخضوع الى الإشراف.
- المهمة الثالثة:تتضمن هذه المرحلة مقدرة الروبوت على التكيف مع البيئة المحيطة،حيث يقوم الروبوت بالتعرف على درجة الحرارة من خلال قياسها، التعرف على الأصوات المتواجده والتعرف على روائح المكان، وبعد ذلك يقوم الروبوت باتخاذ الاجراءات المناسبة التي تم برمجته عليها حسب المعلومات التي حصل عليها.
- المهمة الآخيرة:هنا يقوم الروبوت بعملية تحديد المطلوب منه خلال مسار معين وفق زمن محدد.
3.التحكم :من خلال هذا المستوى، يقوم الروبوت بتوظيف المحركات التي يمتلكها لغايات تنفيذ ما تم التخطيط له في مرحلة التخطيط للحركة ،حيث يتم انجاز الحركة المطلوبة من خلال اتباع سلسلة من الإجراءات التي تتضمن تحقيق الهدف العام والاهداف الفرعية ضمن وقت محدد.
أنواعُ الروبوتاتِ
هناك العديد من المعايير التي يمكن تقسيم الروبوتات على أساسها، ومن هذه المعايير هيكل الروبوت او جسم الروبوت.
وتُقسم الروبوتات وفقا الى شكلها الى الأنواع التالية الموضحة في الشكل:
مجالاتُ استخدامِ الروبوتِ وأهميتُها
نظراً للتطور السريع في عالم الذكاء الاصطناعي وصناعة الروبوتات، دخل الروبوت في العديد من مجالات الحياة المختلفة وذلك بهدف تحسين نوعية الخدمات المقدمة خاصة في الرعاية الصحية،بالاضافة الى رفع وزيادة الانتاجية بالنسبة للحياة الصناعية والاقتصادية.
ويوضح الشكل التالي أمثلة على مجالات استخدام الروبوت في الحياة:
وفيما يلي نبذة بسيطة عن كل مجال:
1.الروبوت في المنزل: ومن أشهر المجالات التي يمكن توظيف الروبوت بها داخل المنزل:
- العناية بكبار السن : حيث يلعب الروبوت دورًا في تحسين جودة الرعاية والمساعدة المقدمة لكبار السن. يمكن استخدام التكنولوجيا المساعدة والإنسان الآلي في مراقبة صحة كبار السن ومساعدتهم في مهام الحياة اليومية وتوفير التفاعلات الاجتماعية.
- العناية بالاشخاص ذوي الاعاقة الحركية: تجعل الروبوتات الحياة أسهل للأشخاص ذوي الاحتياجات الخاصة لأنها ببساطة تجعل العالم من حولهم أكثر سهولة في الوصول إليه والتفاعل معهُ. كما تلعب الروبوتات الاجتماعية دوراً حيوياً في تقديم الرفقة والدعم العاطفي. وبفضل الذكاء الاصطناعي لفهم المشاعر البشرية والاستجابة لها، يمكن لهذه الروبوتات المشاركة في محادثات هادفة مع الأشخاص ذوي الاحتياجات الخاصة، ويمكنها كذلك تقديم تذكيرات بالأدوية والمواعيد، والمساعدة في تقليل مشاعر الوحدة والعزلة. ناهيك عن الروبوتات المصممة لذووي الاعاقة الحركية مثل الأذرع التي يتم تثبيتها على الكراسي المتحركة،أجهزة ضعاف السمع،الأطراف الصناعية الذكية والمركبات ذاتية القيادة.
- تنظيف الأرضيات : تعتبر روبوتات التنظيف من أبرز الابتكارات التكنولوجية في مجال التنظيف المنزلي، حيث تمثل نقلة نوعية في طريقة تنظيف الأرضيات وتوفير الوقت والجهد. حيث تحتوي هذه الأجهزة على حساسات تساعدها على تجنب العقبات والتعرف على نوعية الأرضيات، مما يسمح لها بالتحرك بذكاء وتنظيف المكان بشكل فعال. بعض الروبوتات تحتوي أيضًا على وظيفة غسل الأرضيات باستخدام الماء أو المنظفات.
2.المجال الطبي: يعتبر المجال الطبي من المجالات التي يتم استخدام الروبوت فيها بشكل كبير، حيث هناك العديد من الامثلة على استخدام الروبوت في الطب،منها:
- الأطراف الصناعية الروبوتية:يتم تركيب أطراف صناعية ذكية لمن تعرضوا لعمليات بتر في الأطراف، حيث يحتوي الطرف على دعائم اتوماتيكية وكهربائية تقوم بتلقي الإشارات من الدماغ ومن ثم تعمل على الاستجابة لهذة الإشارات من خلال تأدية الوظيفة المطلوبة.
- العمليات الجراحية:هناك الكثير من العمليات الجراحية التي تم توظيف الروبوت فيها، مما زاد من دقة هذه العمليات وعزز من قدرة الجراحين على الوصول الى أجزاء من الجسم لا تستطيع الايدي البشرية الوصول إليها.
3.الخدمات: يتم توظيف الروبوتات في مجال الخدمات في الفنادق والمستشفيات والجامعات، حيث تقوم بتادية عدد من الوظائف مثل :
- إيصال الأدوية للمرضى في المستشفيات كلٌ حسب موعد أدويته.
- إيصال وجبات الطعام للمرضى في مواعيدها
- القيام بخدمة العملاء في الفنادق
- تقديم الخدمات اللوجستية في المستتشفيات مثل روبوت Moxi
- تقديم خدمة التجوال في الجامعة وإرشاد الأشخاص الى المكاتب مثل روبوت Co-Bot في جامعة كارنيجي ميلون.
4.النقل: ساهم توظيف الروبوت في تحسين قطاع النقل من حيث:
- تحسين كفاءة القطاع
- زيادة نسبة الامان في عمليات النقل
- تسهيل عمليات النقل من خلال استخدام التقنيات الحديثة مثل التعلم الآلي،تقنيات الإستشعار والاتصالات اللاسلكية.
- تطوير حلول مبتكرة لمواجهة تحديات النقل التقليدية.
- الاستجابة السريعة للمواقف الحرجة.
ومن أشهر الامثلة على الروبوت في القطاع العام السيارات ذاتية القيادة
5.الاستكشاف في البيئات الخطرة: كان للروبوت دوراً كبيرا في مساعدة الباحثين والعلماء بجمع المعلومات في المناطق الخطرة والتي لا يمكن الوصول إليها من قبل الإنسان مما جنب الانسان الكثير من الأخطار مثل:
- استكشاف فوهات البراكين النشطة
- رسم الخرائط لما تحت سطح الماء والوصول الى السفن الغارقة
- استكشاف الفضاء
- تنظيف النفايات النووية
- رسم خرائط المناجم المهجورة
- مساعدة طواقم البحث في حال حدوث الزلازل والانهيارات.
6.الصناعة: تعتبر الروبوتات الصناعية من أقدم المجالات التي تم توظيف الروبوتات فيها، حيث يتم استخدامها للقيام بالاعمال الصعبة أو الخطرة والدقيقة.كما تقوم الروبوتات بالقيام بالأعمال الروتينية والتي تعتبر مملة للبشر. مما يزيذ الانتاجية في العمل.
وتعتبر مصانع السيارات من أشهر مجالات توظيف الروبوتات في الصناعة، حيث يتم الاستعانة بالروبوتات في عمليات تجميع قطع السيارات وتثبيتها في اماكنها بالاضافة الى نقل البضائع والقطع.
7.التعليم : كان للروبوتات دورا كبيرا في تعزيز عملية التعلم من خلال جعل عملية التعلم أكثر متعة مما زاد من تحفيز الطلبة على التعلم.
ومن أشهر الروبوتات في مجال التعليم:
- روبوت (LEGO Minstorms) الذي يستخدم لتعليم البرمجة.
- روبوت (EMYS) الذي يستخدم في تعليم اللغات الاجنبية
- روبوت (VEX)يقدم مجموعة من الروبوتات التي يمكن تجميعها وبرمجتها لتنفيذ مهام متعددة، مما يتيح للطلاب فهم المبادئ الهندسية والميكانيكية.
وسوف نتعلم في الدرس القادم من خلال موقعَ محاكي الروبوتِ الافتراضيِّ (VEX)كيفية برمجة الروبوتات في بيئة افتراضية.
