روباتیک یک بخش میان رشته ای از علم و مهندسی است که به طراحی، ساخت و استفاده از روبات های مکانیکی اختصاص دارد. راهنمای ما به شما درک دقیقی از روباتیک، از جمله انواع مختلف روبات ها و نحوه استفاده از آن ها در صنایع ارائه می دهد.
روبات چیست؟
روبات محصول حوزه روباتیک است، جایی که ماشین‌های قابل برنامه ریزی ساخته می‌شوند و می توانند به انسان کمک کنند یا اعمال انسان را تقلید کنند. روبات ها در ابتدا برای انجام کارهای یکنواخت مانند ساخت اتومبیل در خط مونتاژ ساخته شدند، اما از آن زمان به بعد بسیار فراتر از کاربردهای اولیه خود برای انجام کارهایی مانند اطفاء حریق، تمیز کردن خانه ها و کمک به جراحی های فوق العاده پیچیده گسترش یافته اند. هر روبات دارای سطح متفاوتی از استقلال است، از روبات های کنترل شده توسط انسان که وظایفی را انجام می دهند که یک انسان کنترل کامل بر آنها را دارد تا روبات های کاملاً مستقل که وظایف را بدون هیچ گونه تأثیر خارجی انجام می دهند.
همان طور که فناوری پیشرفت می کند، دامنه آنچه که روباتیک در نظر گرفته می شود نیز افزایش می یابد. در سال ۲۰۰۵، ۹۰ درصد از تمام روبات ها را می توانستیم در کارخانجات خودروسازی پیدا کنیم که ماشین ها را مونتاژ می کنند. این روبات‌ها عمدتاً از بازوهای مکانیکی تشکیل شده بودند که وظیفه جوشکاری یا پیچ کردن قسمت‌های خاصی از خودرو را داشتند. امروزه، ما شاهد یک تعریف تکامل یافته و گسترده از روباتیک هستیم که شامل توسعه، ایجاد و استفاده از روبات‌هایی است که سخت ترین شرایط زمین را بررسی می‌کنند، روبات هایی که به مجریان قانون کمک می کنند و حتی روبات هایی که تقریباً در هر جنبه ای از مراقبت های بهداشتی کمک می کنند.
در حالی که دنیای روباتیک در حال گسترش و تغییر است، یک روبات دارای برخی ویژگی های ثابت است:
- روبات ها همه از نوعی ساختار مکانیکی تشکیل شده اند. جنبه مکانیکی یک روبات به آن کمک می کند تا وظایف خود را در محیطی که برای آن طراحی شده انجام دهد. به عنوان مثال، چرخ‌های مریخ نورد ۲۰۲۰ به صورت جداگانه موتوری هستند و از لوله های تیتانیومی ساخته شده اند که به آن کمک می‌کند تا به زمین‌های خشن سیاره سرخ محکم بچسبد.
- روبات ها به قطعات الکتریکی نیاز دارند که ماشین آلات را کنترل و نیرو می دهند. اساساً یک جریان الکتریکی (مثلاً یک باتری) برای تأمین انرژی اکثر روبات ها مورد نیاز است.
- روبات ها دارای سطحی از برنامه نویسی کامپیوتری هستند. بدون مجموعه ای از کدها که به او بگوید چه کاری انجام دهد، یک روبات فقط یک قطعه دیگر از ماشین آلات ساده خواهد بود. قرار دادن یک برنامه در یک روبات این توانایی را به آن می دهد که بداند چه زمانی و چگونه یک کار را انجام دهد.
دیدن پیشرفت نویدبخش صنعت روباتیک در آینده نه چندان دور برای ما مقید شده است، زیرا هوش مصنوعی و نرم افزار نیز به پیشرفت خود ادامه می دهند. در آینده نزدیک، به لطف پیشرفت در این فناوری ها، روبات ها همچنان هوشمندتر و انعطاف پذیرتر خواهند شد و از انرژی خود به صورت کاربردی تری استفاده می کنند. آن ها همچنین به عنوان نقطه کانونی اصلی در کارخانه های هوشمند، جایی که چالش های سخت تری را تحمل می کنند ادامه خواهند داد و به امنیت زنجیره های تامین جهانی کمک می‌کنند.
اگرچه صنعت روباتیک نسبتاً جوان است، اما مملو از امیدهای تحسین برانگیز از پیشرفت است که داستان های علمی تخیلی زمانی فقط می توانست در مورد آن رویاپردازی کند. از اعماق اقیانوس ها تا هزاران مایل در فضا، روبات هایی پیدا می شوند که وظایفی را انجام می دهند که انسان ها نمی توانستند به تنهایی به آن ها دست پیدا کنند.
انواع روبات ها
روبات‌های مکانیکی در اشکال و اندازه‌های مختلف برای انجام کارهایی که برای آن طراحی شده‌اند، ارائه می‌شوند.
همه روبات ها از نظر طراحی، عملکرد و میزان خودکار بودن متفاوت هستند. از روبات ۰.۲ میلی متری (Robobee) تا کشتی حمل و نقل روباتیک ۲۰۰ متری(Vindskip)، روبات ها در حال ظهور هستند تا وظایفی را انجام دهند که انسان به سادگی نمی تواند انجام دهد.
به طور کلی، پنج نوع روبات وجود دارد:
- روبات های از پیش برنامه ریزی شده: روبات های از پیش برنامه ریزی شده در یک محیط کنترل شده کار می کنند که در آن وظایف ساده و یکنواخت انجام می دهند. نمونه ای از یک روبات از پیش برنامه ریزی شده می تواند یک بازوی مکانیکی در خط مونتاژ خودرو باشد که جوش دادن یک در، وارد کردن قسمت خاصی به موتور و… را سریع تر و کارآمدتر از انسان انجام دهد.
- روبات های انسان نما: روبات‌های انسان نما روبات‌هایی هستند که شبیه انسان هستند و یا رفتار انسان را تقلید می‌کنند. این روبات ها معمولاً فعالیت هایی شبیه به انسان (مانند دویدن، پریدن و حمل اشیا) انجام می‌دهند و گاهی به گونه ای طراحی می‌شوند که شبیه ما باشند، حتی چهره و حالات انسانی دارند.
- روبات های خودران: روبات های خودران مستقل از اپراتورهای انسانی کار می کنند. این روبات ها معمولاً برای انجام کارهایی در محیط های باز طراحی می شوند که نیازی به نظارت انسان ندارند. آنها 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.
- روبات های از راه دور: روبات های از راه دور، روبات های نیمه مستقلی هستند که از یک شبکه بی سیم برای فعال کردن کنترل انسان از فاصله ایمن استفاده می کنند. این روبات ها معمولا در شرایط جغرافیایی سخت و شدید آب و هوایی، شرایط بد و… کار می کنند. نمونه‌هایی از روبات‌هایی که از راه دور کار می‌کنند، زیردریایی‌های کنترل‌شده توسط انسان هستند که برای رفع نشت لوله‌های زیر آب استفاده می شوند.
- روبات های تقویت کننده: روبات‌های تقویت‌کننده یا توانایی‌های فعلی انسان را افزایش می‌دهند یا قابلیت‌هایی را که ممکن است انسان از دست داده باشد جایگزین می‌کنند. حوزه روباتیک برای تقویت انسان، حوزه ای است که در آن داستان های علمی تخیلی می تواند به زودی به واقعیت تبدیل شود. برخی از نمونه های روبات های تقویت کننده فعلی، اندام های مصنوعی روباتیک یا اسکلت های بیرونی روباتیک هستند که برای بلند کردن وزنه های سنگین استفاده می شوند.
روبات ها چگونه کار می کنند؟
- روبات های مستقل
روبات‌های مستقل می توانند کاملاً خودران و مستقل از کنترل اپراتور انسانی کار کنند. این روبات ها معمولاً به برنامه ریزی بیشتری نیاز دارند، اما به روبات ها اجازه می دهند تا هنگام انجام کارهای خطرناک، پیش پا افتاده یا غیرممکن، از خنثی کردن بمب و سفر در اعماق دریا گرفته تا اتوماسیون کارخانه، جای انسان‌ها را بگیرند. روبات های مستقل ثابت کرده اند که بیشترین اختلال را برای جامعه ایجاد می کنند و مشاغل کم دستمزد را حذف می کنند اما امکانات جدیدی برای رشد ارائه می دهند.
- روبات های وابسته
روبات های وابسته، روبات های غیرخودمختاری هستند که با انسان ها تعامل می کنند تا اقدامات موجودشان را تقویت کرده و تکمیل کنند. این یک شکل نسبتاً جدید از فناوری است و دائماً در حال گسترش به کاربردهای جدید است، اما یک شکل از روبات های وابسته که ساخته شده است، اندام های مصنوعی پیشرفته است که توسط ذهن انسان کنترل می شود. یک نمونه معروف از یک روبات وابسته توسط جانز هاپکینز در سال ۲۰۱۸ برای بیماری به نام Johny Matheny ، مردی که دستش از بالای آرنج قطع شده بود، ایجاد شد.
اجزای اصلی یک روبات
روبات‌ها برای ارائه راه‌حل‌هایی برای نیازهای مختلف و انجام چندین هدف مختلف ساخته شده‌اند و بنابراین، برای تکمیل این وظایف به اجزای اختصاصی مختلفی نیاز دارند. با این حال، اجزای متعددی وجود دارند که در ساخت هر روبات نقش اساسی دارند.
به طور کلی، اجزای روباتیک در این پنج دسته قرار می گیرند:
سیستم کنترل
محاسبات شامل تمام اجزایی است که واحد پردازش مرکزی یک روبات را تشکیل می دهد که اغلب به عنوان سیستم کنترل آن شناخته می شود. سیستم های کنترل به گونه ای برنامه ریزی شده اند که به روبات می‌گویند چگونه از اجزای خاص خود استفاده کند، به گونه ای شبیه به نحوه ارسال سیگنال های مغز انسان به سراسر بدن برای انجام یک کار خاص، این وظایف روباتیک می تواند شامل هر چیزی از جراحی با دقت بالا تا بسته بندی در خط مونتاژ باشد.
حسگرها
حسگرها محرک هایی را به شکل سیگنال های الکتریکی در اختیار روبات قرار می دهند که توسط کنترل کننده پردازش می شوند و به روبات اجازه می دهند تا با دنیای بیرون تعامل داشته باشد. حسگرهای معمولی که در روبات‌ها یافت می شوند شامل دوربین‌های ویدیویی که به عنوان چشم عمل می‌کنند، مقاومت های نوری که به نور واکنش نشان می‌دهند و میکروفون‌هایی که مانند گوش عمل می‌کنند، هستند. این حسگرها به روبات اجازه می دهد تا اطلاعات محیط اطراف خود را گرفته و منطقی ترین نتیجه را بر اساس لحظه فعلی پردازش کند و به کنترل کننده اجازه می دهد تا دستورات را به بقیه اجزا منتقل کند.
عملگرها
همان طور که قبلاً گفته شد، یک دستگاه تنها زمانی می تواند روبات در نظر گرفته شود که دارای قاب یا بدنه متحرک باشد. عملگرها اجزایی هستند که مسئولیت این حرکت را بر عهده دارند. این قطعات از موتورهایی تشکیل شده اند که سیگنال هایی را از سیستم کنترل دریافت می کنند و به صورت پشت سر هم حرکت می کنند تا حرکت لازم برای تکمیل کار تعیین شده را تامین کنند. عملگرها می‌توانند از مواد مختلفی مانند فلز یا الاستیک ساخته شوند و معمولاً با استفاده از هوای فشرده یا روغن (محرک‌های هیدرولیک) کار می‌کنند، اما در قالب‌های مختلفی برای انجام وظایف اختصاصی خود به بهترین نحو ارائه می شوند.
منبع تغذیه
همان طور که بدن انسان برای عملکرد به غذا نیاز دارد، روبات ها نیز به منبع تغذیه نیاز دارند. روبات‌های ثابت، مانند روبات های موجود در کارخانه، ممکن است با برق متناوب از طریق پریز برق کار کنند، اما معمولاً روبات ها با باتری داخلی کار می کنند. بیشتر روبات‌ها از باتری های اسید سرب برای کیفیت ایمن و ماندگاری طولانی شان استفاده می کنند، در حالی که بقیه ممکن است از نوع فشرده تر اما گران تر نقره کادمیوم استفاده کنند. ایمنی، وزن، قابلیت تعویض و چرخه عمر فاکتورهای مهمی هستند که در طراحی منبع تغذیه روبات باید در نظر گرفته شوند. برخی از منابع انرژی بالقوه برای توسعه روباتیک آینده نیز شامل نیروی پنوماتیک از گازهای فشرده، انرژی خورشیدی، نیروی هیدرولیک، ذخیره انرژی از زباله های آلی از طریق هضم بی هوازی با استفاده از چرخ طیار و انرژی هسته ای است.
محرک پایانی(End effector)
محرک های پایانی اجزای فیزیکی و معمولاً قابل اضافه کردن هستند که به روبات‌ها اجازه می‌دهند تا وظایف خود را به انجام برسانند. روبات ها در کارخانه ها اغلب دارای ابزارهای قابل تعویض مانند رنگ پاش ها و مته ها هستند، روبات های جراحی ممکن است به چاقوی جراحی مجهز شوند و انواع دیگری از روبات ها را می توان با چنگال ها یا حتی دست ها برای کارهایی مانند تحویل، بسته بندی، خنثی کردن بمب و موارد دیگر ساخت.
موارد استفاده از روبات ها
روبات ها دارای موارد استفاده بسیار متنوعی هستند که آن ها را به فناوری ایده آل برای آینده تبدیل می کند. به زودی تقریباً در همه جا شاهد روبات ها خواهیم بود ما آن ها را در بیمارستان ها، هتل ها و حتی در جاده هایمان خواهیم دید.
ساخت و تولید
صنعت تولید احتمالاً قدیمی ترین و شناخته شده ترین استفاده کننده از روبات ها است. این روبات‌ها و روبات‌های همکار (روبات‌هایی که در کنار انسان کار می‌کنند) برای آزمایش و مونتاژ مؤثر محصولاتی مانند خودروها و تجهیزات صنعتی کار می‌کنند. تخمین زده می شود که در حال حاضر بیش از سه میلیون روبات صنعتی در حال استفاده هستند.
تدارکات
روبات های حمل و نقل، جابجایی و کنترل کیفیت برای اکثر خرده فروشان و شرکت های تدارکات به یک ابزار ضروری تبدیل شده اند. از آنجایی که ما اکنون انتظار داریم بسته های ما با سرعتی فوق العاده برسد، شرکت های تدارکات از روبات ها در انبارها و حتی در جاده ها استفاده می‌کنند تا به حداکثر بهره وری زمان کمک کنند. در حال حاضر، روبات هایی وجود دارند که اقلام شما را از قفسه ها بیرون می‌آورند، آنها را در کف انبار حمل می کنند و بسته بندی می کنند.
خانگی
روبات‌ها را می‌توان در سرتاسر خانه های ما دید، در انجام کارهای خانه کمک می کنند، برنامه هایمان را به ما یادآوری می‌کنند و حتی بچه هایمان را سرگرم می‌کنند. شناخته شده ترین نمونه روبات های خانگی جاروبرقی خودران Roomba است. علاوه بر این، روبات‌ها اکنون تکامل یافته اند تا همه چیز را از چمن زدن خودکار تا تمیز کردن استخرها انجام دهند.
مسافرت
آیا چیزی علمی تخیلی تر از وسایل نقلیه خودران وجود دارد؟ این خودروهای خودران دیگر فقط تخیل نیستند. ترکیبی از علم داده و روباتیک، وسایل نقلیه خودران در حال طوفان کردن در جهان هستند. خودروسازان مانند تسلا، فورد، وایمو، فولکس واگن و بی‌ام دبلیو همگی در حال کار بر روی نوع جدیدی از مسافرت هستند که به ما اجازه می دهد آرام بنشینیم و به صندلی تکیه بدهیم در حالی که خودرو کار رانندگی را انجام می دهد. شرکت‌های Uber و Lyft همچنین در حال توسعه وسایل نقلیه اشتراکی خودران هستند که نیازی به انسان برای هدایت وسیله نقلیه ندارند.
مراقبت های بهداشتی
روبات ها در صنعت مراقبت های بهداشتی پیشرفت های چشمگیری داشته اند. این شگفتی های مکانیکی تقریباً در همه جنبه های مراقبت های بهداشتی، از جراحی های با کمک روبات گرفته تا روبات هایی که به انسان ها در بهبود آسیب های فیزیوتراپی کمک می‌کنند، استفاده می‌شوند. نمونه هایی از روبات هایی که در بخش مراقبت های بهداشتی کار می‌کنند، دستیاران مراقبت‌های بهداشتی Toyotaهستند که به مردم کمک می‌کنند توانایی راه رفتن را دوباره به دست آورند، و TUG، روباتی که برای قدم زدن خودکار در بیمارستان و ارائه همه چیز از دارو گرفته تا ملحفه های تمیز طراحی شده است. اخیراً، روبات‌ها توسط شرکت‌های داروسازی برای کمک به سرعت بخشیدن به مبارزه با COVID-19 به کار گرفته شدند.
کاربردهای دیگر روباتیک
- کمک به مبارزه با آتش سوزی جنگل
- کار در کنار انسان ها در کارخانه ها
- روبات هایی که به افراد مسن کمک می کنند
- دستیاران جراحی
- تحویل بسته و سفارش غذا
- روبات‌های خانگی خودران که وظایفی مانند جاروزدن و چمن زنی را انجام می دهند
- کمک به یافتن اقلام و حمل آنها در انبارها
- در ماموریت های جستجو و نجات پس از بلایای طبیعی استفاده می شود
- مین یاب در مناطق جنگی
