ربات انسان نمای ایرانی

اگرچه تصور وجود موجوداتی که از دستورات ما انسان ها اطاعت می کنند، ریشه در داستان های علمی تخیلی دارد؛ اما امروزه شاهد ربات های انسان نمایی هستیم که در حقیقت بخشی از فناوری های نوین مورد نیاز ما انسان ها محسوب می شوند و حضور آنها در کنار ما دور از انتظار نخواهد بود.

گسترش کاربرد ربات های انسان نمایی که ساخته بشر بوده و تنها از او فرمان می برند، در زمینه های مختلف زندگی ، آنها را به موجودات جایگزین تبدیل کرده است و حضور آنها را در زمینه های تحقیقاتی و صنعتی که امکان حضور انسان ها وجود ندارد، در مقایسه با گذشته ای نه چندان دور که ربات های انسان نما برای نخستین بار طراحی و ساخته شدند، به مراتب افزایش داده است. محققان کشورمان نیز براساس فناوری های بومی کشور برای نخستین بار در سطح خاورمیانه رباتی انسان نما را طراحی کرده اند که به عنوان یکی از طرح های برتر در بخش پژوهش توسعه ای نهمین جشنواره جوان خوارزمی شناخته شده است.

دانشمندان علم رباتیک تعاریف زیادی را برای ربات های انسان نما مطرح کرده اند، اما به طور کلی می توان گفت انسان نماها ماشین های چندمنظوره ای هستند که می توانند محدوده وسیعی از وظایف متفاوت را در شرایطی که حتی نسبت به آن شناخت کافی نداشته باشند، مانند انسان ها انجام دهند. به عبارت دیگر این ماشین های الکترومکانیکی هوشمند از قابلیت برنامه ریزی برخوردار هستند و به گونه ای طراحی شده اند که می توانند خود را با محیط اطرافشان تطبیق دهند و با توجه به شرایط، وظایف متعددی را به عهده گیرند.

نخستین ربات های انسان نما قابلیت برنامه پذیری نداشتند، اما بتدریج ربات هایی طراحی شدند که مجهز به محرک های قابل کنترل بودند و می توانستند برنامه ای را به صورت متفاوت تکرار کنند. از این ربات های برنامه پذیر در زمینه های صنعتی مانند خطوط مونتاژ کارخانه ها استفاده می شود.

ربات های سازگار، نسل تکامل یافته انسان نماها هستند که نسبت به نمونه های قبلی خود کامل تر هستند. این ربات ها دارای یک سیستم مبنایی هستند و از نوعی هوش مصنوعی برخوردارند که به کمک نرم افزارهای مخصوصی که در طراحی آن به کار رفته است ، همانند مغز انسان داده های ورودی را پردازش می کند و قادر به تصمیم گیری است.

با توجه به این که حرکت ربات های انسان نما تحت عملیات هماهنگ چندین پردازنده در نقاط مختلف بدن ربات انجام می شود، بنابراین طراحی ساختار مکانیک ، سیستم های الکترونیکی و پیاده سازی سیستم های کنترل هوشمندی که حفظ تعادل دینامیکی ربات هنگام راه رفتن و تشخیص شرایط محیطی اطراف را به عهده دارند یکی از مشکل ترین پروژه های علم رباتیک است که در عرصه بین المللی و کنفرانس های معتبری مانند موسسه مهندسین الکتریسیته و الکترونیک (IEEE)و مسابقات جهانی روبوکاپ در سال های اخیر جایگاه خاصی را به خود اختصاص داده است.

ربات ها برای کارهای مختلفی تعریف و ساخته می شوند و بر این اساس می توانند انجام بسیاری از کارهایی را که برای انسان غیرممکن یا دشوار است ، به عهده گیرند.

ربات های انسان نما با توجه به این که براساس ویژگی های فیزیکی بدن انسان ها طراحی شده اند و از درجه آزادی مناسبی برای حرکت برخوردارند، می توانند کارهای مختلفی را که برای انسان خطرناک یا طاقت فرساست به جای انسان انجام دهند که برای مثال می توان به حضور و فعالیت ربات های انسان نما در میادین مین و محیطهای رادیواکتیویته اشاره کرد.

همچنین می توان از این ربات ها در محیطهای اجتماعی و بخصوص منازل به عنوان خدمتکار و نیروی کار استفاده کرد. این ربات ها همانند رایانه ها قابلیت برنامه ریزی دارند و با توجه به برنامه ای که به آنها داده می شود، وظایف مختلفی را به عهده می گیرند. در واقع ربات های انسان نما می توانند کارهایی شبیه انسان ها انجام دهند.

حتی بعضی از آنها همانند انسان ها دارای احساس هستند و در برخورد با حوادث و مسائل مختلف از خود واکنش نشان می دهند. اگرچه گاهی شکل ظاهری بسیار ساده ای دارند، اما در همه این ربات ها بخشی وجود دارد که به عنوان مغز ربات عمل می کند. در این بخش اطلاعات دریافتی از حسگرها تجزیه و تحلیل شده و دستورات لازم به مفاصل و بازوها فرستاده می شود.

طراحی موتورهای خودتنظیمی داخلی

به گفته مهندس سیدوحید هاشمی ، دانش آموخته مهندسی برق دانشگاه سمنان و مجری این طرح تحقیقاتی که رتبه دوم پژوهش های توسعه ای نهمین جشنواره جوان خوارزمی را از آن خود ساخته است ، این طرح شامل طراحی و ساخت رباتی دوپا و راه رونده با ارتفاع 100 سانتی متر است که می تواند برخی حرکات و فعالیت های انسان مانند راه رفتن و چرخیدن به طرفین را انجام دهد و توانایی دریافت ، تشخیص و اجرای دستورات دیداری مانند حرکات پانتومیم ، اشاره به چپ و راست و همچنین برخی دستورات شنیداری مانند دستور به جلو رفتن و ایستادن را داشته باشد.

در ربات ها یک سیستم مکانیکی متشکل از بازوها، مچ ها و اتصالات وجود دارد که در مجموعه ای به هم پیوسته و مرتبط قرار می گیرد. بخش محرک توان لازم برای سیستم مکانیکی را در شرایط کنترل شده فراهم می کند. ابزارها و سیستم های انتقالی مانند تسمه ها و چرخ دنده ها نیز توان فراهم شده توسط تحریک کننده ها را به بخش مکانیکی متصل کرده و امکان حرکت را برای مفاصل و بازوها به صورت مجزا فراهم می کنند.

حسگرها نیز مجهز به ابزارهای لامسه ای الکتریکی یا نوری هستند که نسبت به موقعیت بخش های مختلف تشکیل دهنده ربات مانند مفاصل و بازوها و شرایط محیطی از نظر نور، گرما و موانع اطلاعاتی را به دست می آورند و در مغز ربات که محلی برای تصمیم گیری و ارسال فرمان است این اطلاعات بررسی شده و دستورات لازم به مفاصل و بازوها فرستاده می شود.

در مفاصل و درجات آزادی این ربات به جای موتورهای خودتنظیم (Servo) از موتورهای جریان مستقیم استفاده شده است که توسط مدارهای الکترونیکی طراحی شده اند و در نهایت با استفاده از یک الگوریتم کنترلی از وضعیت دیجیتال به وضعیت خودتنظیمی با دقت بسیار زیاد تبدیل شده اند. خطای متوسط در این موتورها 0.75 درجه است و این در حالی است که دقت موتورهای خودتنظیمی تجاری حدود 2 درجه برآورد شده است.

علاوه بر این هزینه تولید موتورهای خودتنظیمی بومی طراحی شده در این طرح 15 برابر کمتر از هزینه ساخت موتورهای خودتنظیمی صنعتی مشابه امریکایی است. مهمترین عامل موفقیت این گروه تحقیقاتی در طراحی و ساخت ربات انسان نما، تکیه بر توان مهندسی و فناوری بومی به جای استفاده از امکانات بسیار پرهزینه امریکایی یا ژاپنی بوده است.

فناوری به کار رفته در طراحی مفاصل این ربات تاکنون در کشور مورد استفاده قرار نگرفته است و در سطح جهان نیز تنها دو یا سه گروه تحقیقاتی موفق به طراحی ربات های انسان نمایی براساس این فناوری شده اند. بر این اساس ربات طراحی شده از توانایی راه پیمایی و حفظ تعادل روی یک پا در مدت زمان های طولانی برخوردار بوده و از این نظر نیز در سطح کشور منحصر به فرد و بدون رقیب شناخته شده است.

برای کنترل و ناوبری ربات از سنسورها یا حسگرهای سنجش سرعت زاویه ای و سنجش شتاب خطی دینامیک و استاتیک استفاده شده است که یکی از عوامل ساده کردن معادلات دینامیکی لازم برای ناوبری سیستم است و از این نظر نیز اقدامی جدید در سطح کشور در زمینه طراحی ربات های انسان نما محسوب می شود.

تیم ایرانی و مسابقات جهانی

به گفته هاشمی ، از آنجایی که سطح دشواری و میزان پیچیدگی در پیاده سازی و کنترل دینامیکی ربات های دوپا متناسب با بدن انسان ، با افزایش ارتفاع بسیار بیشتر می شود، به همین جهت در مسابقات جهانی رباتیک ، ربات های شرکت کننده در دو گروه کوتاهتر از 60 سانتی متر (ربات های کوتاه قد) و بلندتر از 80 سانتی متر (ربات های بلندقد) قرار می گیرند و تاکنون کمتر از 10 کشور صاحب نام مانند آلمان ، ژاپن ، اسپانیا، چین ، امریکا، ایتالیا و کانادا و همچنین کشور ایران در گروه ربات بلندقد حضور داشته اند.براساس بررسی های انجام شده ، سطح پیچیدگی عوامل مرتبط با توانایی راهپیمایی و تعادل ربات ها، به طور تقریبی از رابطه ای توان 4با ارتفاع ربات برخوردار است.

تیم رباتیک ایران فن آوران ، پس از 4 سال تلاش با تکیه بر فناوری و توان مهندسی بومی و امکانات داخلی به نمایندگی از کشور ایران در رقابت های بین المللی روبوکاپ 2006 آلمان در لیگ ربات های انسان نما در گروه ربات های قدبلند در میان 5 تیم شرکت کننده از کشورهای دیگر حضور پیدا کرد و در جایگاه چهارم این رقابت ها قرار گرفت. این ربات که با همکاری سعید عبدالشاه ، حمید شاکری ، مهدی مرادی نسب ، مصطفی علیئی و علی عباسی از محققان دانشگاه سمنان و راهنمایی مهندس ناصر اسکندریان ، عضو هیات علمی این دانشگاه طراحی و ساخته شده است ، در مقایسه با نمونه های مشابهی که در داخل کشور ساخته شده اند، از ویژگی های منحصر به فردی برخوردار است.

در گذشته نیز تلاش های مشابهی توسط دیگر پژوهشگران داخلی در این زمینه انجام شده بود که متاسفانه ربات های ساخته شده هنگام ایستادن روی یک پا در حفظ تعادل با مشکلات جدی مواجه بودند و این در حالی است که در مواردی برای ساخت این ربات ها از موتورهای خودتنظیمی بسیار پیشرفت استفاده شده بود.

این گروه از محققان در سال 1386 پس از تلاش برای رفع نواقص موجود و بهبود مکانیسم های حرکتی و کنترلی ربات طراحی شده ، توانستند به موفقیت کامل در ساخت ربات انسان نمایی به ارتفاع 100 سانتی متر دست یابند و توانایی راه رفتن ، تغییر جهت و حفظ تعادل روی یک پا و مدت زمان طولانی را در مسابقات Iran Open سال 2007 به نمایش گذارند.

در این مسابقات که با نظارت ناظر بین المللی روبوکاپ ، پروفسور Zhoj Chaongjiv انجام شد، ربات طراحی شده که در سطح خاورمیانه بی رقیب است ، مقام نخست را به خود اختصاص داد.هاشمی در پایان خاطرنشان ساخت: تاکنون تنها یک شرکت از امارات عربی متحده با حمایت مالی 2.5 میلیون دلاری از یک تیم اسپانیایی مدعی انجام این سطح از این پروژه تحقیقاتی شده است.

از انسان نماهای اولیه تا امروزی در سال 1938 نخستین الگوی قابل برنامه ریزی رباتیک که یک دستگاه سمپاشی بود، از سوی دو محقق امریکایی طراحی شد.

رایانه های نسل اول نیز در سال 1946 طراحی و به بازار عرضه شدند و بنابراین زمینه مناسبی برای طراحی انسان نماهایی که از قابلیت برنامه ریزی و کنترل توسط سیستم های رایانه ای برخوردار هستند، به وجود آمد.با راه اندازی آزمایشگاه های هوش مصنوعی در سراسر جهان ، ربات های کاوشگر فضایی راهی فضا شدند و در سال 1997 نخستین تصاویر ارسالی از ربات انسان نمای راه یافته به مریخ دریافت شد.

سال 2000 نخستین رباتی که شباهت زیادی به انسان دارد، از سوی شرکت سونی طراحی و ساخته شد و از آن به بعد انسان نماهای بسیاری با قابلیت ها و ویژگی های متفاوت توسط محققان طراحی شده اند، اما ربات آسیمو که از آن به عنوان ربات انسان نمای قرن بیست ویکم نام برده شده است ، از پیشرفته ترین ربات انسان نمایی است که می تواند در کنار انسان ها زندگی کند و فعالیت اجتماعی داشته باشد.