تعد برمجة الروبوت من أهم التخصصات الحديثة التي اصبحت مرغوبة بشكل كبير، فما هو المقصود ببرمجة الروبوت؟ وما هي أنواع ولغات البرمجة التي تستخدم لهذا الغرض؟
ما هي برمجة الروبوت؟
تعد برمجة الروبوت من بين المهن الأسرع نمواً والأكثر تأثيراً من الناحية التكنولوجية في العالم. يمكن أن يطلق عليها اسم مهنة لأنها تتطلب قدراً كبيراً من توافر الموارد البشرية المتنوعة تقنياً. عدا عن التخطيط الدقيق، والتنفيذ، والتعديلات الدقيقة بناءً على الملاحظات الخاضعة للرقابة لإنشاء روبوت ناجح للتطبيق العسكري أو الصناعي أو المدني.
أثناء برمجة الروبوتات، عادةً ما يستلهم مطوروا الروبوتات من النماذج البشرية، وغالباً ما يطلق على الروبوتات التي تحاكي الأنماط الوظيفية البشرية اسم humanoids.
في المقطع العرضي للهندسة والتكنولوجيا والعلوم، أصبحت الروبوتات صناعة خاصة بها. مما أدى إلى تقليص المنافسة (البشر) بلا رحمة من خلال تقديم خدمات أرخص وأسرع وموثوق بها ودؤوبة بجزء بسيط من التكلفة.
أحد الأمثلة لاستخدام الروبوتات في الصناعة هو استضافة أمازون لواحد من أكبر أساطيل الروبوتات المتنقلة المستقلة لأتمتة الأعمال الروتينية، مثل حمل الرف، واختيار الطلبات. كما تمتلك أمازون حالياً أسطولاً يضم أكثر من 200000 روبوت منتشر في شبكة مستودعاتها التي تعمل جنباً إلى جنب مع مئات وآلاف من العاملين من البشر.
بينما تستثمر الشركة المزيد والمزيد من الموارد البشرية من أجل روبوتات أفضل وأكثر مرونة، فإنها تخطط لاستثمار أكثر من 300 مليون دولار في التأكد من ضمان سلامة وصحة العمال الذين توظفهم. كما تهدف إلى تقليل معدلات الحوادث في شبكة مستودعاتها بنسبة 50٪ بحلول عام 2025.
تصنيف الروبوت.
قبل أن نتعرف على المزيد حول برمجة الروبوتات أو لغات البرمجة المستخدمة في الروبوتات، من المهم تصنيف الروبوتات نظراً لأن جميع الروبوتات ليست كذلك قدم المساواة. يتم تصنيف الروبوتات عادةً حسب المكونات (البرامج والأجهزة)، ونوع الخدمة (الصناعية والمدنية والعسكرية)، وصناعة التطبيقات (الدفاع والرعاية الصحية والتصنيع واللوجستيات والترفيه وما إلى ذلك).
تتميز الروبوتات المصنفة حسب المكونات بالكفاءة وتكلفة البناء وتحمل الأخطاء. في الروبوتات من نوع الخدمة، من المهم مراعاة مستوى العدوانية أو الود والدقة والتوقعات. في الروبوتات القائمة على التطبيقات، تعد الدقة والفصل والتخصص والإدراك والتشغيل والتعلم أو التكيف عوامل مهمة يجب مراعاتها.
عند تعلم أو تنفيذ برمجة الروبوت، من الأهمية بمكان معرفة التصنيف المناسب للعملية المقصودة للروبوت بحيث تكون التوقعات المناسبة فيما يتعلق بالتخطيط ووقت التنفيذ وأداء الروبوت والإنفاق المالي والمشاركة البشرية والخبرة، وبشكل عام يمكن تحقيق الأهداف.
تتكون الروبوتات من مكونات الأجهزة والبرامج التي يجب أن تعمل معاً، وتخفيف قيود بعضها البعض، لتحقيق هدف مشترك يتمثل في إدراك البيئة وفهمها وتشغيلها أو الاستجابة لإشارة الإدخال عبر إشارة التحكم.
أجهزة الروبوت.
في سياق برمجة الروبوتات، لا تشير أجهزة الروبوت إلى الأذرع والأرجل المعدنية أو الوجه الأسطواني أو أي هيكل دعم معدني آخر. بدلاً من ذلك، تشير أجهزة الروبوت في سياق برمجة الروبوت إلى المستشعرات، أو أجهزة الحاسوب الصغيرة، أو المحركات، أو الصفارات، أو الأضواء، أو أي مدخلات ومخرجات وجهاز حسابي آخر لازم للتأكد من أن الروبوت يعمل على النحو المنشود.
يتم تعيين الروبوتات على مستوى التجريد المماثل مثل أجهزة الحاسوب. وبالتالي في أي نوع من الروبوتات، فإن الأقسام الثلاثة الرئيسية لا مفر منها. محرك إدخال ومحرك حساب ومحرك إخراج.
يجب أن يتأكد مبرمج الروبوت من أن هذه الأقسام الثلاثة مترابطة جيداً ومبرمجة جيداً وتم اختبار الأخطاء وتقليلها للاستفادة الكاملة من الروبوت. يتم شرح لمحة موجزة عن كل محرك في الأقسام التالية:
1. محرك الإدخال.
يتكون محرك الإدخال للروبوت من أجهزة استشعار متعددة تعمل كمجموعة حسية للروبوت. تشمل هذه المستشعرات على سبيل المثال لا الحصر الكاميرات وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية وأجهزة ترميز العجلات واللمس ومستشعرات الدخان ومستشعرات درجة الحرارة والضغط والضوء (المرئي وكذلك الطيف غير المرئي) ومستشعرات المسافة على سبيل المثال لا الحصر.
باستخدام المدخلات من هذه المستشعرات، يحاول برنامج التحكم في الروبوت تحديد الكائنات الموجودة في البيئة والتعرف عليها. يتم إرسال هذه المدخلات إلى المحرك الحسابي الذي يعمل كعقل للإنسان الآلي. تتضمن البرمجة الروبوتية التفاعل بين هذه المستشعرات وتمكينها ومعايرتها وضبطها لأخذ المدخلات وتحويلها إلى نموذج قابل للاستخدام لمحرك الحساب.
يحدث التحدي العملي الرئيسي الأول في البرمجة الروبوتية أيضاً هنا حيث تسود تأخيرات الإدخال والحساب الميت والأخطاء الحسية وفقدان المعلومات في التحويل التناظري إلى الرقمي. يجب تكوين البرمجة الروبوتية بطريقة للتغلب على الأخطاء في أجهزة استشعار الروبوت عبر برنامج التحكم في الروبوت.
2. محرك الحوسبة.
محرك الحوسبة هو عقل الروبوت، ويتضمن تلقي مدخلات من أجهزة الاستشعار، وتفسير هذه المدخلات، وتخزين وإصدار أوامر لمحرك الإخراج من أجل تنفيذ الإجراءات المناسبة طوال الوقت أثناء البقاء في الحلقة للحصول على تغذية راجعة من المدخلات والمخرجات محركات.
يتكون محرك الحساب من واحد أو أكثر من الشرائح القابلة للبرمجة مثل Microcontrollers و SoCs (نظام على رقاقة) و PLCs (وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة).
يقع محرك الحوسبة بين محرك الإدخال ومحرك الإخراج، وهو مسؤول عملياً عن كل ما يستشعره الروبوت ويعمل عليه. بمجرد أن يقرر محرك الحساب اتخاذ أي إجراء، يتم إصدار الأمر إلى محرك الإخراج الذي يقوم بأمرين:
- التصرف وفقاً لأمر محرك الحساب عبر الأمر.
- إعادة الحالة إلى محرك الحساب على الإجراء المنجز.
غالباً ما يتم أيضاً تأكيد الحالة التي يتم إرجاعها بواسطة محرك الإخراج بواسطة محرك الإدخال للتحقق من نجاح الأمر.
3. محرك الإخراج.
محرك الإخراج هو قسم الروبوت الذي ينفذ الأوامر الصادرة عن محرك الحساب بناءً على المدخلات الواردة من محرك الإدخال. على سبيل المثال، عندما يتلقى محرك الحوسبة لروبوت تجنب الاصطدام تحذيراً من الاصطدام عبر مستشعر المسافة. قد يصدر محرك الحساب أمراً لمشغل (محرك) في محرك الإخراج ليأخذ منعطفاً أو إلى فرامل لدفع الفرامل.
يتكون محرك الإخراج من أجهزة مثل شاشة العرض (شاشة LCD ، وشاشة عرض سبعة أجزاء) وأضواء ومحركات (محرك متدرج ومحرك مؤازر ومحرك تروس DC ومخرجات رقمية في شكل رسائل.
إقرأ أيضاً… كيف تتم برمجة الروبوتات؟ وما هي لغات البرمجة المستخدمة لفعل ذلك؟
اختيار محرك الحوسبة / دماغ الروبوت.
اعتماداً على الاستخدام المقصود وظروف البيئة والتنقل وطول العمر، يتغير اختيار دماغ الروبوت بشكل كبير. بالنسبة إلى النماذج الأولية الأبسط، يتم استخدام Arduino و أو Raspberry Pi بسبب واجهة أبسط ومجتمع واسع وتكلفة منخفضة ومجموعة واسعة من الاختلافات على الرقاقة.
عندما يتم استخدام العديد من أجهزة الإدخال / الإخراج في الروبوتات، يمكن استخدام لوحة نماذج أولية متطورة. عند الحاجة إلى تحكم فائق في الذاكرة ووقت التنفيذ، يتم استخدام المعالجات الدقيقة حيث يمكن التحكم في العديد من أجهزة الإدخال / الإخراج بكفاءة عالية.
أخيراً، في حالة وجود روبوت قوي مع نطاق أوسع من أجهزة الاستشعار القوية التي تجمع آلاف نقاط البيانات في الثانية، يمكن أيضاً استخدام PLC. في النهاية، كل هذا يتلخص في التطبيق حيث سيتم استخدام الروبوت في النهاية. سلالة خاصة أخرى من الروبوتات، حيث تسود الكفاءة وخصوصية المهام والملكية في الروبوتات الصناعية.
برمجة الروبوت الصناعي.
مع الروبوتات اليومية الشائعة، تكمن المشكلة في أنها ليست مصممة للاستخدام القاسي. على سبيل المثال، في درجات الحرارة المرتفعة أو الضغط أو السرعة أو انسكاب السوائل، لا تكون الروبوتات المدنية كافية على الإطلاق.
هذه البيئات طبيعية في الصناعة مثل اللحام وتصنيع السيارات والتعبئة والتغليف ومناولة المواد. تتميز الروبوتات الصناعية بقدرة الحمولة والتسارع والدقة والتكرار. ومع ذلك، فإن الروبوتات الصناعية لها بعض العيوب.
تكمن مشكلة الروبوت الصناعي في أنه مصنوع لمجموعة محددة جداً من الإجراءات، وبالتالي يحتاج إلى دقة أعلى من المعتاد. لتلبية هذا الطلب، يصنع صانعوا الروبوتات روبوتات بلغات برمجة خاصة يمكن أن تخدم غرض الاستشعار والحساب والتشغيل المحسن والفعال والفعال من حيث التكلفة.
تعد لغات برمجة الروبوت المستخدمة في الروبوتات الصناعية واحدة من مشكلات التكيف الرئيسية. ومع ذلك، فإن الفوائد تطغى بسرعة على العيوب. يتم هنا ملاحظة بعض هذه اللغات:
1. ABB
ABB Robotics هي علامة تجارية للروبوتات الصناعية تستخدم لغة برمجة الروبوت الخاصة بها والتي تسمى RAPID. لغة RAPID هي لغة برمجة عالية المستوى وهي ST (نص هيكلي) تماماً مثل لغة البرمجة في الأسلوب والتجريد. تجسد اللغة الوظائف وحسابات المعلمات والمقاطعات لتوفير إمكانيات متنوعة لمطوري البرامج لإضافتها إلى برنامج الروبوت. تم تقديم اللغة في عام 1994 إلى جانب نظام التحكم S4.
2. Kuka
تستخدم لغة Kuka Robot (KRL) للتحكم في روبوتات Kuka وتشغيلها. إنها لغة برمجة روبوت مملوكة لها وهي مطابقة لأسلوب لغة برمجة باسكال. تحتوي اللغة على 4 أنواع بيانات أساسية وكل رمز ينتج ملفين (.dat و. src).
3. Yaskawa
تستخدم روبوتات Yaskawa لغة البرمجة INFORM II دون اتصال بالإنترنت لروبوتاتها. ومع ذلك، فإن الطريقة الأسرع لبرمجة الروبوت في وضع الاتصال بالإنترنت هي استخدام قلادة التدريس. يتم استخدام طريقة التدريس في ما يقرب من 90٪ من الروبوتات الصناعية. يمكن أيضاً برمجة بعض روبوتات Yaskawa باستخدام PLC، في حين يمكن برمجتها كلها تقريباً باستخدام برنامج Yaskawa الخاص المسمى MotoSim. تنتج MotoSim خلية عمل روبوتية ثلاثية الأبعاد افتراضية تشبه العالم الحقيقي. هذا هو المكان الذي يمكن فيه لمبرمجي الروبوت إنشاء الحركات والحركات المطلوبة للروبوت.
4. Kawasaki
تقدم Kawasaki robotics 3 برامج برمجة روبوت على النحو التالي. أحد هذه البرامج (KCong)، هو برنامج برمجة غير متصل بالإنترنت (OPL)، في حين أن K-Roset هو برنامج محاكاة روبوت.
برمجة الروبوت المدني.
برمجة الروبوت هي طريقة للتفاعل والوصول والحساب لمعلومات البيئة الخارجية والداخلية المستلمة من أجهزة الاستشعار المتصلة بالدماغ الحسابي للروبوت باستخدام لغة برمجة الروبوت الأكثر ملاءمة.
وهو يتألف أيضاً من تحويل المعلومات المستلمة والاحتفاظ بها في تنسيق رقمي (من التنسيق التناظري) باستخدام ADC المناسب (محول تناظري إلى رقمي) وإصدار أوامر لأجهزة الإخراج بناءً على المعلومات الواردة لتحقيق هدف الروبوت. هناك العشرات من لغات برمجة الروبوت المستخدمة، وبعضها لغات برمجة للأغراض العامة ويتم استخدامها عبر العديد من الروبوتات التي تم إنشاؤها من مكونات.
ومع ذلك، نظراً لأن الروبوتات الصناعية أكثر انتشاراً وأكثر ربحية، فإن لغة برمجة مخصصة ومملوكة ترافق كل روبوت صناعي. هنا، يتم سرد لغات البرمجة ذات الأغراض العامة المستخدمة في برمجة الروبوت أولاً.
اختيار لغة برمجة الروبوت.
تعتمد لغة البرمجة المستخدمة في الروبوت إلى حد كبير على اختيار محرك الحساب وأجهزة الإدخال / الإخراج. لأغراض التعلم، يتم استخدام Arduino و FPGA (مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة الميدانية) و Raspberry Pi كمحركات حسابية حيث يتم استخدام لغة البرمجة بايثون Python.
تستخدم المعالجات الدقيقة لغة برمجة التجميع ، كما تستخدم C / C ++ على نطاق واسع لبرمجة الروبوتات. تعد MATLAB و Simulink المصاحبة لها واحدة من أكثر لغات البرمجة شهرة حيث يمكن تحليل تطبيقات الأجهزة والبرامج في وقت واحد.
إقرأ أيضاً… أنواع لغات البرمجة.
نظام تشغيل الروبوت (ROS).
لبرمجة الروبوتات ، بخلاف استخدام لغات البرمجة العامة ، يمكن أيضًا استخدام نظام تشغيل مخصص (وغالبًا ما يوصى به) لبرمجة الروبوت. أحد أنظمة التشغيل يسمى نظام تشغيل الروبوت (ROS Robot Operating System (ROS. والذي يحتوي على مجموعة من مجموعات البرامج المستخدمة لبناء الروبوت الخاص بك.
ROS هو برنامج مجاني مفتوح المصدر يدمج محركات الإدخال والإخراج والحساب بسلاسة. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام ROS في توفر روبوتات المحاكاة بدلاً من الروبوتات الحقيقية.
غالباً ما لا يستطيع المتحمسون والمتعلمون في جميع أنحاء العالم تحمل تكاليف أجهزة الاستشعار أو محركات الحوسبة أو أجهزة الإخراج باهظة الثمن وغالباً ما يواجهون صعوبات في استكشاف أخطاء الروبوت بمجرد برمجته.
يساعد روبوت المحاكاة في هذه المواقف حيث يمكن اختبار تصميم المفهوم واستكشاف الأخطاء وإصلاحها افتراضياً، وفي كثير من الحالات يوصى به قبل الانتقال إلى الروبوت الفعلي.
تساعد البرمجة غير المتصلة بالإنترنت أيضاً المتعلمين على التخطيط والتنفيذ والتصحيح وتحديث نفس الكود والأجهزة الخاصة بالروبوت الخاص بهم جميعاً في نفس النظام الأساسي.
فوائد أخرى لـROS.
فائدة أخرى لمحاكاة ROS هي أنه في مجموعة من الباحثين في مجال الروبوتات، أو المتعلمين المتحمسين، يتم تقسيم العمل العام بين مختلف الأشخاص. على سبيل المثال، قد يعمل عدد قليل من الأشخاص على إشارات الإدخال (القادمة من أجهزة الاستشعار). وبعضهم يتعامل مع الإخراج (التشغيل أو الرسائل) والبقية قد يعمل على تحسين محرك الحساب لتوفير الطاقة وزيادة الكفاءة.
في مثل هذا السيناريو، قد يكون لدى كل باحث نسخته من الروبوت الأصلي في محاكاة للعمل معها. هذا ليس فقط أسهل وأكثر فعالية من حيث التكلفة ولكنه أيضاً دقيق لبيئة العمل التعاونية هذه.
يمتلك مجتمع ROS مجموعة مواهب عالمية يمكن أن تساعد المتعلمين والممارسين على تحقيق تصميم المفهوم بشكل لا تشوبه شائبة. يشتمل نظام تشغيل الروبوت على العديد من المكتبات والبرامج الضرورية للوصول إلى وحدات برمجة الروبوت. تشمل هذه الوحدات على سبيل المثال لا الحصر:
- التحكم في الأجهزة.
- الوصول إلى الجهاز الأساسي والتحكم فيه.
- تنفيذ الوظائف المشتركة.
- التواصل بين المدخلات والمعالجة والمخرجات للروبوت.
إقرأ أيضاً… ما هو روبوت الدردشة التفاعلي؟ كيف يعمل, وما هي أهميته للأعمال التجارية؟
التحديات في برمجة الروبوت.
التحدي الأكبر في برمجة الروبوتات هو عدم اليقين أو هامش الخطأ في إشارة الإدخال التي تكتشفها المستشعرات. ضع في اعتبارك مثالاً على مستشعر القرب الذي يكتشف المسافة بين المستشعر والعائق.
إذا كانت القراءة عن طريق مستشعر القرب معطلة ببضعة سنتيمترات، فلا بد أن يصطدم الروبوت بالعائق قبل أن يرسل محرك الحساب الخاص به أمراً للضغط على الفرامل أو الابتعاد. وبالمثل، فإن الحساب الذي يتم إجراؤه لتحويل درجة معينة للتحرك في اتجاه معين قد يكون قصيراً أو طويلاً من المنعطف المطلوب، وبالتالي ينتج عنه تشغيل غير صحيح عند الإخراج.
على مستوى الأجهزة، تؤثر الظروف البيئية (درجة الحرارة والرطوبة والضغط وما إلى ذلك) بشكل سيء على أجهزة الاستشعار والمشغلات. لذلك، على الرغم من صحة الكود، فقد لا تتحقق النتائج المتوقعة.
للمبتدئين في برمجة الروبوتات ، يجب أن يبدأوا بروبوتات أبسط مثل تلك التي تم إنشاؤها باستخدام SOCs. وتشمل هذه Arduino و Raspberry Pi وغيرها. فهي مترابطة بشكل جيد، ومكوناتها وأكوادها النموذجية متاحة بسهولة بفضل مستخدمي مجتمعهم النابضين بالحيوية.
سيساعد تمرين بناء الروبوت هذا في فهم تحديات فهم النظام المنسق وتأخير إشارة الإدخال والفساد واستكشاف الأخطاء وإصلاحها بالإضافة إلى تشغيل الإخراج. يعد فهم رسم الخرائط في العالم الحقيقي على الخرائط ثلاثية الأبعاد للروبوت أحد أصعب الأجزاء بالنسبة للمبتدئين.
من خلال ممارسة بناء روبوت أبسط، يمكن للمرء التغلب على هذه المشكلة بسرعة إلى حد ما. بمجرد الانتهاء من ذلك، يمكن للمبتدئ الآن الانتقال إلى الروبوتات الصناعية حيث سيتم استخدام تعليقة التدريس وبرامج المحاكاة ولغات البرمجة غير المتصلة بالإنترنت لبرمجة الروبوتات الصناعية.
يمكن أيضاً دمج التعلم الآلي المستخدم في الروبوتات ذات لغات البرمجة عالية المستوى مع الروبوتات الصناعية، لتحقيق مرونة أعلى ومجالات تطبيق أوسع.
في نهاية اليوم، تعتبر الخلفية التقنية وشبكة المجتمع هي الأدوات التي يمكن أن تساعد في برمجة روبوت صناعي مثل تلك المستخدمة في المؤسسات الكبيرة مثل تصنيع السيارات والخدمات اللوجستية الدقيقة المستخدمة في مستودعات أمازون.
