المحركات والحركة

المحركات: كيفية حركة الروبوتات

المحرك هو أي جهاز يتحول الطاقة إلى حركة جسدية. المحركات هي عضلات الروبوت.

المحركات الكهربائية المتثاقلة (DC Motors): أشهر محركات الكهرباء. تتميز بتطبيق التيار الكهربائي، ويتم دوران العمود. عكس التيار، يدور في الاتجاه المعاكس. السرعة متناسبة مع التيار. المحركات المتثاقلة هي رخيصة وسريعة، لكنها لا تملك طريقة بنائية لتعرف مواقعها. تستخدم في الروبوتات ذات العجلات والآليات البسيطة.

المحركات المتسلسلة (Stepper Motors): تتحرك بالخطوات المحددة، عادةً 1.8 درجات لكل خطوة (200 خطوة في الدورة). يمكنك توجيه عدد محدد من الخطوات، ويدور المحرك بمسافة محددة. المحركات المتسلسلة توفر التحكم الدقيق بدون استخدام حساس، لكنها قد تفوت الخطوات تحت الحمل الثقيل. شائعة في آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد ومكائن CNC وثنيات الكاميرا.

المحركات الخدمة (Servo Motors): محرك يجمع بين حساس للموقع (encoder) ومستقبل في نظام مغلق. يتحقق التحكم باستمرار بين الوضع المطلوب والموقع الفعلي ويصحي أي خطأ. الخدمات توفر أفضل مزيج من السرعة والجهد والدقة. تستخدم ذراعات الروبوتات الصناعية بشكل حصري تقريبًا.

المحركات الهوائية (Pneumatic Actuators): تستخدم الهواء المضغوط لخلق حركة دورانية أو خطية. سريعة وقوية لحجمها، لكنها صعبة التحكم بدقة لأن الهواء قابل للضغط. شائعة في أذرع الإمساك في المصانع ومكائن نقل المواقع.

المحركات الهيدروليكية (Hydraulic Actuators): تستخدم سائل ضغط (زيت) بدلاً من الهواء. بسبب أن السائل قريب من عدم القابلة للضغط، ينتج الهيدروليك قوة ضخمة مع التحكم الدقيق. تستخدم في معدات البناء الثقيلة ومضخات الصناعة الكبيرة وبعض الروبوتات ذات الأقدام (مثل روبوتات Boston Dynamics المبكرة). التبادل هو الوزن والتعقيد والمخاطر من التسريب.

درجات الحرية (DOF): كل محور حركة مستقل هو درجة حرية واحدة. ذراع الروبوت الصناعي العادي لديه 6 DOF: ثلاثة لتحديد موضع جهاز الاستجابة في الفضاء (X، Y، Z) وثلاثة لتحديد اتجاهه (التحول، الانزلاق، الدوران). ذراع الإنسان لديه 7 DOF. أكثر درجات الحرية يعني المرونة أكثر، لكنها تتطلب المزيد من التعقيد في التحكم والبرمجة.

اختيار المحرك المناسب

تطابق المحركات للمهمة

يتم اختيار المحرك المناسب من خلال فهم متطلبات التطبيق: السرعة والدقة والقوة والبيئة.

كيف يدرك الروبوت العالم

الحواسيب: حواس الروبوت

بدون حواسيب، الروبوت يظل عريانًا وسمعًا. توفر الحواسيب البيانات الخام التي تدير كل قرار.

مقاييس الدوران: تقيس الدوران. يحتوي مقاييس الدوران البصري على قرص يحتوي على فجوات؛ يضيء الضوء من خلال القرص ويدقق المحدد في عدد الأقواس حسب دوران القرص. هذا يخبر المضيف بالضبط كم قد تحرك مفصل. يحتوي كل محرك الخدمة على مقاييس دقيقة.

وحدات قياس المدى المدى: تجمع بين مقاييس التسارع (قياس التسارع الخطي)، والمحركات (قياس السرعة الدورانية)، وعادةً مقاييس الهداية المغناطيسية (قياس اتجاه الهداية). توفر وحدة قياس المدى المدى لروبوت إرشاده وطريقة تحركها عبر الفضاء. مهمة للطائرات بدون طيار، والروبوتات المشتركة، وكل منصة متحركة تتطلب الحفاظ على التوازن.

LIDAR (التشخيص البصري للنطاق): إطلاق موجات ليزر وتحديد وقت استجابة كل موجة. هذا ينتج عن خريطة مفصلة 2D أو 3D للبيئة المحيطة. سيارات القيادة الذاتية والروبوتات المستخدمة في المخازن تستخدم LIDAR لdeteion of obstacles وcartography. يمكن لLIDAR الملفوف أن ينتج مئات الآلاف من قياسات المسافة في الثانية.

كاميرات: توفر بيانات مرئية غنية ولكنها تتطلب عملية حسابية كبيرة للاستجابة لها. كاميرا واحدة تمنح صورة 2D؛ الكاميرات الستيريو (اثنتان مع فاصل معروف) توفر معلومات حول العمق. تتم معالجة بيانات الكاميرا بواسطة خوارزميات الرؤية الحاسوبية لتحديد الأشياء والاتباع للخطوط وSLAM المرئي (التحديد الذاتي للموقع والخريطة).

الحساسات القوة والطاقة: تقيس القوى والطواقف المطبقة في نقطة، عادةً في ذراع الروبوت أو الأداة النهائية. ضرورية للتفاعل مع المهام التي تتطلب اتصالًا محددًا: تركيب الأشياء (إدخال العمود في الفجوة) والتنقيع والروبوتات التشاركية التي يجب أن تكتشف اتصالها بالبشر وتوقفه على الفور.

توحيد الحساسات: لا توجد حساسة مثالية. LIDAR تعطى المسافة الدقيقة ولكنها لا تمنح اللون. الكاميرات توفر صور غنية ولكنها تعاني في الظلام. IMUs تتضيع مع الوقت. توحيد الحساسات يجمع بين بيانات الحساسات من عدة حساسات لإنتاج صورة أكثر دقة وأمانًا مما يمكن أن تفعله أي حساس وحده. سيجمع سيارة بدون سائق تتوحيد بيانات LIDAR والكاميرات والرادار وGPS وIMU بشكل مستمر.

تحديد حساسات المهام

تطابق الحساسات للمهمة

تعتمد تحديد الحساسات على ما يحتاج إليه الروبوت أن يعرف، والبيئة، وميزانية الحوسبة.

فتحة مفتوحة مقابل فتحة مغلقة

التحكم: جعل الروبوتات تتصرف

روبوت بدون تحكم هو مجرد مجموعة من الأجزاء. نظم التحكم هي الطبقة التي تتخذ القرارات: تجمع بيانات الحساسات وتحسب الأوامر التي تشغل المحركات.

تحكم المفتوح: إرسال أمر وآمل النجاح. محرك الخطوات المباشر الذي تم توجيهه لاتخاذ 200 خطوة سيحاول ذلك، لكن إذا فشل في خطوة واحدة تحت الحمل، لن يتم الكشف عن الخطأ. المفتوح هو بسيط واقتصادي، لكنه لا يمكن تصحيح التشوهات. فرن الميكروويف مفتوح: سيقوم بتشغيله لمدة وقت محدد، بغض النظر عن كون الطعام دافئ أم لا.

تحكم المغلوق: قياس الإخراج ومقارنته بقيمة المرغوبة وإجراء تصحيح للفرق. هذا التحكم بالفيديو هو أساس كل روبوتيات جادة. محرك السيرفو مغلق: يحتوي مقياس الحالة الفعلية، والمراقب يقرأها إلى المرغوب، ويعدّل تيار المحرك لاغلاق الفجوة.

تحكم PID: التحكم بالفيديو الأكثر استخدامًا. PID تعني المشتق المتجاوز-النظير-الدمج.

- P (المشتق): التصحيح متناسب مع الخطأ الحالي. خطأ كبير، تصحيح كبير. لكن P وحده يفوت أو يصل إلى الاستقرار مع خطأ صغير مستمر.

- I (الدمج): تراكم الخطأ الماضي عبر الوقت. إذا كان النظام قد كان قليلاً غير متساوي لفترة طويلة، سيبني I ويدفع بجدية. هذا يزيل الخطأ المستمر ولكن يمكن أن يسبب التذبذب إذا تم تعيينه بشكل كبير.

- D (المشتق): يرد على سرعة تغيير الخطأ. إذا كان الخطأ يقلص بسرعة (النظام يتجه نحو الهدف)، يقلل D من التصحيح لمنع الفوز. D يعمل كصمام.

تuning التحكم PID: العثور على قيم P و I و D الصحيحة: هو جزء من العلوم والفن. الكثير من P والنظام يتذبذب. الكثير من I والهبوط ويتجاوز. الكثير من D ويجيب على الضوضاء. الروبوتات الحقيقية غالباً تحتاج إلى tuning PID لكل مفصل.

المستقر: نظام التحكم المستقر إذا تحول إلى الحالة المرغوبة. نظام غير مستقر يتذبذب بتزايد امتلاء: الروبوت يضربه نفسه. تحليل الاستقرارية هو مهارة أساسية في الهندسة التحكم.

تطبيق مفاهيم التحكم

التفكير مثل مهندس التحكم

فهم التحكم بالفيديو وPID ليس فقط نظرية: هذا يشرح لماذا يتصرف الروبوتات على هذا النحو.

الأنظمة الحالة والروبوت العامل

البرمجيات: دماغ الروبوت

برمجيات الروبوت تختلف بشكل أساسي عن برمجيات الويب أو الأعمال. تعمل في الوقت الفعلي، وتتفاعل مع الأجهزة الفيزيائية، و必须 التعامل مع المواقف غير المتوقعة بشكل لطيف: سقوط جسم، عطل مفصل، وجود إنسان في مساحة العمل.

الأنظمة الحالة: النمط البرمجي الأكثر شيوعًا في الروبوتيات. تعرف الأنظمة الحالة على مجموعة من الحالات (مثل الجاهز، والحركة، والخoub، والخطأ) وتحديد الانتقالات بينها. لا يوجد للروبوت دائمًا أكثر من حالة واحدة. الأحداث تؤدي إلى الانتقالات.

على سبيل المثال، روبوت التقاط ونقل الأشياء:

- الجاهز: انتظار الأمر

- الحركة إلى التقاط: السفر إلى موقع التقاط

- التقاط: إغلاق المخلب على الجسم

- الحركة إلى المكان: حمل الجسم إلى الوجهة

- الإطلاق: فتح المخلب

- الخطأ: حدث شيء ما خطأ (سقوط الجسم، عطل مفصل، كشف وجود حائط)

يحتوي كل حالة على إجراءات دخول وإخراج وتحديد条件 الانتقال. تمنع أنظمة الحالة الروبوت من القيام بأشياء لا منطقية: لا يمكنك إطلاق الجسم الذي لم يتم التقاطه على الإطلاق.

ROS (نظام التشغيل الروبوتي): ليس نظام تشغيلًا بالفعل. ROS هو إطار عمل من الوسائط التي توفر بنية الاتصال، والإشارة إلى الأجهزة، ومكتبة هائلة من الحزم المعاد استخدامها. يعمل على نظام التشغيل لينكس. يُستخدم الروبوتات المبنية باستخدام ROS بنية نشر-التسجيل: تنشر خلايا الحساسr النقاط على الموضوعات، ويُشترط التحكم في الخلايا الحساسة للموضوعات التي يحتاجها. هذا التصميم النمطي يعني أنه يمكنك استبدال جهاز LIDAR بدون كتابة رمز التنقل مرة أخرى.

التخطيط للمسار: كيف يقرر الروبوت مساره من نقطة أ إلى نقطة ب بينما يبقى بعيدًا عن العقبات. تشتمل الطرق البسيطة على التنقل بالمواقع النقطة (اتباع سلسلة من النقاط المحددة مسبقًا) والتجاذيف المحتملة (العقبات ترفع، والأهداف جذابة). تستخدم الطرق المتقدمة مثل A* و RRT (شجرة التلاعب السريع) البحث عن مسارات مثالية أو متاحة عبر بيئات معقدة. تُعد سيارات القيادة الذاتية من بين أكثر الطرق استخدامًا.

تصميم سلوك الروبوت

التفكير في برمجيات الروبوت

تنتظر البرمجيات الجيدة الفشل وتتعامل معه بطريقة لطيفة.

الوظائف في مجال الروبوتات

بناء مسار مهني في الروبوتات

تستمر الروبوتات في النمو بسرعة في مجالات التصنيع والخدمات اللوجستية والرعاية الصحية والزراعة والدفاع. إليك المسارات المهنية الرئيسية.

فني الروبوتات: يثبت ويدعم ويتحقق من ويرفع أعمال الروبوتات. هذا هو المدخل الأكثر سهولة الوصول إليه. تعمل بيدك على hardware: استبدال المحركات، وتحديد الحساسات، وتعديل المضخمات، وتعديل المضخمات، وتحديد الأخطاء. يمكن أن تبدأ برامج المجتمع والشهادات المصنعة (FANUC، ABB، KUKA). الراتب المتوسط: 45,000-65,000 دولار.

مهندس التحكم: تصميم وتuning أنظمة التحكم التي تجعل الروبوتات تتصرف بشكل صحيح. تتطلب هذه الدور مهارات قوية في الرياضيات (الترتيب الخطي، المعادلات التفاضلية) وتطبيقات البرمجة. يعمل مهندسو التحكم مع التuning PID، وتحديد مسار الحركة، وتكامل الحساسات، وأنظمة الأمان. يعتبر شهادة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية أو الهندسة الميكانيكية أو الهندسة الميكاترونيكس عادة. مدى الراتب: 75,000-120,000 دولار.

مطور ROS / مهندس البرمجيات الروبوتية: يكتب البرمجيات التي تتنسي القدرة الحسية والتفكير والتوجيه. يعمل هؤلاء المطورين بلغة C++ و Python ، ويبنيون عقد ROS ، ويطبقون خوارزميات تخطيط المسار ، ويدمجون أنماط التعلم الآلي للتعرف على الأشياء. ضرورية جدًا مهارات علوم الحاسوب. هذا الدور في الطلب العالي لسيارات السيارات التابعة لذاتها ، وروبوتات المخازن ، وأنظمة الطائرات بدون طيار. نطاق رواتب: 90.000-150.000 دولار.

مكتر التكامل: تصميم وتنفيذ خلايا الروبوتات الكاملة للمصانع. يأخذ المكتر مشكلة تصنيع (التصاق هذه الجزئين معاً بسرعة 60 وحدة في الساعة) ، ويختار الروبوت ، وآلية النهاية ، ومرفق الأمان ، والمحمل ، ويبرمج الخلية بأكملها ، ويقوم بتشغيلها على الأرض في ساحة المصنع. يحتاج المكتر إلى معرفة واسعة عبر الميكانيكية والكهربائية والبرمجيات. الكثير منهم يعملون في شركات التكامل النظامي. نطاق رواتب: 70.000-110.000 دولار.

أحوال أخرى: مصممين ميكانيكية الذين يخلقون بنيات الروبوت والآليات. المهندسين الكهربائيين الذين يصممون أنظمة الطاقة ومطويات الدارات. علماء الأبحاث الذين يثبتون حدود التلاعب والتنقل والتعلم الآلي للتعرف على الأشياء. مهندسون في الروبوتات الميدانية الذين يبثون الروبوتات في بيئات شديدة: تحت الماء ، تحت الأرض ، أو في الفضاء.

النقطة المشتركة: الروبوتات تكرم الناس الذين يمكنهم التفكير عبر المجالات. شخص يعتمد بالكامل على الميكانيكية يواجه صعوبة بدون مهارات البرمجة. شخص يعتمد بالكامل على البرمجة يواجه صعوبة بدون فهم الفيزياء. أفضل روبوتات الروبوتات هي حرف T: معرفة عميقة في منطقة معينة مع معرفة عاملة عبر جميعهم.

مسارك الأمامية

التأمل

لقد غطيت الآن الحجارة الأساسية: المحركات ، والمقاييس ، والأنظمة التحكم ، ونمط البرمجة ، وأحوال المسار.