Published in: التحكم الآلي

ما هي مكونات أنظمة التحكم في الروبوتات؟

Author د. عماد الدين قلالة

Published on: 4 أبريل، 2024

د. عماد الدين قلالة

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تلعب أنظمة التحكم في الروبوت دورًا أساسياً في جعل الروبوتات تنبض بالحياة. إنها العقل المدبر الذي يسمح للروبوت بتخطيط الأعمال، وتنفيذها في العالم الحقيقي، وهي التي تمكّن الروبوت من أداء مهام مختلفة سواءً كانت بسيطة، مثل: رفع صندوق، أو معقدة مثل التغلب على التضاريس الوعرة على الكواكب البعيدة.

مثلما يرسل دماغ الإنسان إشارات إلى أجزاء مختلفة من الجسم لأداء مهام معينة، فإن نظام التحكم في الروبوت يرسل تعليمات للروبوت لتنفيذ عمليات محددة. في هذا المقال سيتمُّ استخدام تشبيهاتٍ بسيطة ولغة سهلة الفهم لفك رموز هذا العلم الرائع الذي يعتمد عليه عمل الروبوتات.

ما هي مكونات أنظمة التحكم الأساسية في الروبوتات؟

يتكون نظام التحكم الآلي عادةً من عدة مكونات تعمل معاً بطريقة متناسقة لتحقيق السلوك الآلي المرغوب، وهذه المكونات هي: ^[1]

1- الحساسات (Sensors)

هي عيون وآذان الروبوت، تقوم بتزويده بمعلومات البيئة التي حوله، مثل:

● الموقع والاتجاه: تقوم أجهزة الاستشعار، مثل: جهاز التشفير (الأنكودر Encoder) والجيرسكوب بقياس موقع الروبوت، واتجاهه في الفراغ، مما يسمح بتحديد موقع الروبوت، وتتبع تحركاته.

● القوى والضغوط: تكتشف أنواع من الحساسات كل من القوة والضغط، مما يمكّن الروبوت عند استخدامها مثلاً من الإمساك بالأشياء بالقوة المناسبة، كما تستخدم لتمكين الروبوت من تجنب العوائق.

● الرؤية واللمس: توفر الكاميرات والحساسات التلامسية معلومات مرئية وملموسة، مما يسمح للروبوت بإدراك الأشياء، والأشكال، والأنسجة.

2- المحركات (Actuators)

المحركات هي عضلات الروبوت المسؤولة عن حركته، فهي تحول الطاقة إلى حركة جسدية، مما يمكّن الروبوت من أداء إجراءات، مثل:

● تحريك المفاصل: تتحكم المحركات ومتحكمات السيرفو في زوايا دوران المفاصل في ذراع الروبوت، مما يسمح له بالوصول إلى الأشياء لمسكها والمناورة بها.

● الحركة: العجلات أو السكك أو أجهزة الحركة الأخرى تمكن الروبوت من التحرك في البيئة المحيطة به، والتنقل من مكانٍ إلى آخر.

● الإمساك بالأشياء: يمكن تركيب عنصر الفعل النهائي (End effector)، عند نهاية ذراع الروبوت، يزوّد عنصر الفعل النهائي بمحركات للإمساك بالأشياء، أو لتطبيق القوة، أو لأداء مهام محددة أخرى.

3- المتحكمات (Controllers)

المتحكم هو الدماغ المسؤول عن تحليل بيانات الحساسات، واتخاذ القرارات، وإرسال الأوامر إلى المحركات، فهو يحدد كيفية تفاعل الروبوت مع بيئته المحيطة، وينفذ الإجراءات اللازمة. يوجد ثلاث أنواع من المتحكمات حسب مستوى التعقيد في التحكم:

المتحكمات منخفضة المستوى (low-level controllers)

هي المتحكمات التي تتعامل مع دارات تحكم وقيادة المحرك لتضمن الحصول على حركاتٍ دقيقة ومضبوطة لكل مفصل منفرداً.

المتحكمات عالية المستوى (High-level controller)

تقوم بالتنسيق بين العديد من المحركات والحساسات، وتقوم بتخطيط الحركات المعقدة، والتكيف مع البيئات المتغيرة.

متحكمات الذكاء الاصطناعي (Artificial intelligence controllers)

يتمُّ دمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي في المتحكمات الروبوتية، لتمكينها من التعلم، واتخاذ القرارات، وأداء المهام بشكلٍ مستقل.

4- البرامج (Software)

يؤمّن البرنامج الإطار العام لنظام التحكم في الروبوت، مثل: بروتوكولات الاتصال، وإدارة البيانات، وواجهات المستخدم، فهو يدمج جميع الأجهزة وخوارزميات التحكم، مما يجعل الروبوت نظامًا عملياً ومفيداً، وتحتوي البرامج على:

أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS)

التي تؤمن إدارة مهام التحكم في الوقت الحقيقي، وتقوم بالجدولة، مما يضمن الاستجابة في الوقت المناسب لكل من إشاراتٍ دخل الحساسات، وأوامر التشغيل.

البرامج الوسيطة

تعمل على تسهيل الاتصال بين مكونات البرامج، مما يسمح بتبادل البيانات بشكلٍ سلس، والتحكم في نقل الإشارة.

واجهات المستخدم

تسمح للبشر بالتفاعل مع الروبوت، وتحديد المهام، ومراقبة الأداء، وضبط المتغيرات.

إن التفاعل بين هذه المكونات الأساسية لنظام التحكم يمكّن الروبوت من إدراك بيئته المحيطة، واتخاذ القرارات، وتنفيذ المهام والإجراءات بطريقةٍ منسقة وصحيحة، مما يؤدي إلى تحقيق الهدف المقصود منه، وهو تحقيق السلوك المرغوب من الروبوت.

ماذا يتطلب تصميم نظام التحكم في الروبوت؟

يتطلب تصميم نظام التحكم في حركة الروبوت الإلمام بعلم الحركة وتقنية الاستيفاء (والتي تقوم بحساب متغيرات الحركة والمسار بين نقطتين)، وتقنيات الحساسات، وتقنية التوأمة الرقمية، والتي تدمج تقنية التحكم في الحركة وتقنية التخطيط (Planning) من خلال إنترنت الأشياء (IOT).

تتيح تقنية التحكم في الروبوت لأذرع الروبوتات الصناعية القيام بأعمال محددة، وتتضمن هذه التقنية التحكم في الحركة بسرعةٍ ودقةٍ عاليتين، من خلال تنسيق عمل عدة محركات لمنع اهتزاز الذراع الروبوتية، كما تتضمن تقنية تخطيط المسارات، والتي تحسب المسار الفعّال والأمثل، مثل: إيجاد مسار الذراع مع تجنُّب العوائق. ^[2]

1- علم الحركة (Kinematic)

في التحكم في الروبوتات، يجب تطبيق علم الحركة لتمثيل العلاقة بين زوايا أذرع الروبوت (زوايا المفاصل) وطول أذرع الروبوت وموقعه، والتعبير عنها بعلاقاتٍ رياضية، وتتكون مسألة الحركة من مسألتين، مسألة الحركة الأمامية التي تحدد موضع الروبوت ووضعيته بناءً على قيمة زوايا المفاصل، ومسألة الحركية العكسية التي تحدد قيمة زوايا المفاصل بناءً على موقع الروبوت.

2- تقنية الاستيفاء (interpolation technology)

يتمُّ حساب متغيرات المسار بين نقاط الحركة أثناء حركة الروبوت عن طريق تقنية الاستيفاء، ممكن أن يكون الاستيفاء خطي عند الاستيفاء بين نقطتين بخط مستقيم، أو استيفاء منحنى عند الاستيفاء بين نقطتين بمنحن.

3- تقنية الحساسات (sensors technology)

تعدُّ عاملاً مهمًا آخر في التحكم في الروبوتات الصناعية، مثلاً: يمكن لتقنية التصوير (الرؤية) ثنائية أو ثلاثية الأبعاد التعرف على مواقع العمل بدقة عالية. أيضاً باستخدام حساسات القوة أو الضغط مثلاً، يصبح من الممكن إجراء أعمال تلميع عالية الجودة، وإجراء عمليات تركيبٍ دقيقة للبراغي.

4- التوأمة الرقمية (Digital Twin)

هي تقنية تقوم بالحصول على نفس الفراغ (الجسم) ثلاثي الأبعاد كبيئة حقيقية ضمن منصة افتراضية، مثل: الحاسوب الشخصي، ويتمُّ تخطيط حركات الروبوت الدقيقة في بيئةٍ افتراضية، وإدخالها إلى موقع التصنيع الحقيقي، وتكرار الحلقة والمزامنة بين “التخطيط في بيئة افتراضية والتشغيل في بيئة حقيقية”.

الخلاصة

تلعب أنظمة التحكم دورًا حاسمًا في تمكين الروبوتات من أداء المهام، والتفاعل مع بيئتها، وتعمل مكونات نظام التحكم معًا في الروبوت لمراقبة وقياس وضبط قيم مخرجات النظام التحكمي بناءً على المدخلات أو بناءً على القيم المضبوطة مسبقاً.