ربات‌ها باید برای هدایت سطوح نوینی از اتوماسیون و تولیدات خودکار صنعتی، هوشمندتر شوند

فناوری رباتیک تولیدات خیره‌کننده‌ای در سال‌های اخیر داشته است. با این وجود سطح انتظارات متقاضیان همچنان بالاتر است. بنابراین ربات‌ها باید هوشمندتر، انعطاف‌پذیرتر و ایمن‌تر شوند. این یکی از جدی‌ترین چالش‌هایی است که دکتر شیکوان وانگ به مدت ده سال در پی رفع آن بوده است. مقاله‌ی منتشر از وی در RBR (اخبار تجارت رباتیک) به بررسی محدودیت‌های فناوری موجود پرداخته و مفهوم جدیدی تحت عنوان ربات‌های انطباق‌پذیر را معرفی کرده است. به نظر می‌رسد ربات‌های انطباق‌پذیر آینده‌ی علم رباتیک را تعریف خواهد کرد. با مجله‌ی فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

محدودیت‌های ربات‌های امروزی

خودکارسازی خطوط تولید کارخانه‌ها با ربات‌ها سابقه‌ای ۶۰ ساله دارد. دقت بالا ربات‌ها را به گزینه‌ی مناسبی برای جابجایی دقیق اشیا از نقطه‌ای به نقطه دیگر، برش‌کاری‌های ظریف،‌ جوشکاری، رنگ‌کاری و غیره تبدیل کرده است. این امر با توجه فناوری‌های بکار رفته در ساخت ربات‌ها طبیعی است.

با این وجود دکتر وانگ معتقد است که همچنان سه محدودیت بزرگ در مورد ربات‌ها وجود دارد: “ایمنی، پشتیبانی و محدودیت وظایف قابل انجام ”

ایمنی در ربات‌ها به معنای قرار گیری در فضایی مجزا است. این روش احتمال مصدومیت و خطراتی جانی را کاهش می‌دهد. پشتیبانی به معنای برنامه‌نویسی توسط گروهی از برنامه‌نویسان است. این امر با هدف برقراری ارتباط ربات با خط تولید، سایر ربات‌ها و بخش‌های انسانی انجام می‌شود. با این وجود طراحی ربات‌ها به خودی خود تعداد وظایف قابل انجام توسط ربات را محدود می‌کند. این گفته شامل هدایت موقعیت دقیق و دنبال کردن مسیرها نیز هست. انجام اموری مانند صافکاری سطوح دشوار، ‌سرهم‌بندی قطعات پیچیده، وظایف ارتباطی با سایرین و غیره همچنان چالش‌برانگیز است.

ربات های مشارکت جو یا Cobots

ایده‌ی ربات‌های مشارکت‌جو یا کوبات‌ها (collaborative robots: cobots) در اواخر دهه ۹۰ میلادی پیشنهاد شد. امروزه شرکت‌های بزرگ بسیاری همانند KUKA، ABB و Fanuc مشغول راه اندازی کوبات‌ها هستند. شرکت‌های سازنده ربات‌های مشارکت‌جو همانند Universal Robots، Rethink و Franka در این زمینه شناخته شده‌اند. انتظار می‌رود که بازار کوبات‌ها از ۷.۱۰ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۸ به ۱۲.۳ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۵ افزایش پیدا کند. با این وجود تردیدی جدی در میان مالکان صنایع نسبت به بکارگیری کوبات‌ها و به‌صرفه بودن هزینه‌های بکارگیری آنها وجود دارد.

دستیابی به سطح قابل قبولی از مشارکت برای cobot با کاهش عملکرد در بعضی جهات مانند سرعت، دقت موقعیت و غیره همراه است. از طرفی بکارگیری cobot توسط افراد غیرحرفه‌ای آسان نیست. این مورد به هماهنگ‌کننده‌هایی با مهارت‌های بیشتری نیز نیاز دارد. این حقیقت که کوبات‌ها برای انجام کارهای دشوار بطور جدی نیاز به انسان‌ها دارند برای تولیدکنندگان صنعتی غیرمطلوب است.

تعریف یک ربات انطباق پذیر

با این شرایط نسل بعدی ربات‌ها باید چیزی فراتر از مفهوم “مشارکت‌جو” باشند. مورد ذکر شده امکان حل مشکلات فعلی را بطور ریشه‌ای فراهم می‌کند.

نسل جدید ربات‌ باید بتواند:

• ایمنی و عملکرد ذاتی بدون سازشی داشته باشد.
• همانند یک کارآموز وظایف جدید را آموخته و انجام دهد.
• توانایی انجام وظایفی را داشته باشد که ربات‌های سنتی قادر به انجام آنها نیستند . به دلیل کمبود نیروی کار و شرایط خطرناک محیط‌های کاری، تقاضای زیادی برای اتوماسیون چنین وظایفی وجود دارد.

یک بازوی رباتیک که برآورده‌کننده‌ی این شرایط است باید توانایی انطباق با شرایط پیچیده را داشته باشد. بنابراین نسل بعدی ربات‌ها تحت عنوان “ربات‌های انطباق‌پذیر” شناخته می‌شوند. انطباق‌پذیر لغتی است که خصوصیات نسل جدید ربات‌ها را بطور دقیق توصیف می‌کند. ربات‌های سنتی بدون سازگاری یا انطباق‌پذیری کار می‌کنند. قطعات باید در یک موقعیت و جهت‌گیری ثابت قرار گیرند ‌و هیچ اختلالی در حین کار مجاز نیست.

با داشتن بینایی رایانه‌ای می‌توان به انعطاف‌پذیری آنها افزود. این امر اما نیاز به دقت بالا و شرایط مناسب از نظر طراحی نوری دارد. از طرفی استفاده از سامانه‌های بهبود تصویری در خطوط تولید توجیه اقتصادی ندارد. همچنین با استفاده از آشکارساز برخورد، ربات در بیشتر مواقع در حین کار بجای تطبیق‌پذیری، متوقف خواهد شد.

ربات‌های صنعتی به علت عدم انطباق‌پذیری، از هوشمندی واقعی بسیار دور هستند

سه راهکار برای دست‌یابی به ربات‌های هوشمند انطباق‌پذیر پیشنهاد شده است:

• تحمل پذیری نسبت به تغییرات جابجایی: توانایی ادامه کار با وجود عدم قطعیت در موقعیت یابی
• قابلیت رد کردن بالای اختلال: توانایی حفظ عملکرد با وجود تغییرات قابل توجه در شرایط محیط
• انتقال هوشمندی: قابلیت اداره‌ی بازه‌ی گسترده‌ای از وظایف مشابه و پشتیبانی از بکارگیری وظایف جدید

چگونه یک ربات می تواند سازگارپذیر شود؟

مفهوم cobot بیشتر شبیه به نوعی سازش با عدم کفایت فناوری سخت‌افزاری و نرم‌افزاری موجود است. برای نیل به یک ربات انطباق‌پذیر، پیشرفت‌های اساسی در دو فناوری مهم مورد نیاز است:

• فناوری هدایت نیرو با دقت بالا و پاسخ سریع
• هوش سلسله‌مراتبی بر مبنای فناوری بینایی و حسگری نیرو

هدایت نیرو

عمده‌ی فعالیت‌های روزانه انسان بر مبنای قابلیت‌های حس نیرو و هدایت نیرو است. ویژگی هدایت نیرو به مدت بسیار طولانی در بازوهای رباتیک غایب بوده است. این ادوات آنها اغلب قادر به انجام بیشتر کارهای نیرو-محور نیستند.

پژوهش در مورد هدایت نیرو به مدت ۳۰ سال است که در جریان است، اما این فناوری تاکنون بطور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است. علت آن است که سخت افزارها و نرم افزارهای موجود استاندارهای صنعتی را برآورده نمی‌کنند.

برای تولید ربات‌های هدایت نیرو مجبور به مواجهه با چندین چالش هستیم:

نخست، طراحی‌های موجود از حسگر گشتاور از نظر عملکرد و هزینه ناکارآمد هستند. هر دو حسگر گشتاور مفصلی و حسگر ۶ درجه آزادی نیرو/گشتاور باید بازطراحی شوند.

دوم، هرگونه ساخت و سرهم‌بندی مفصل می‌بایست به شکل منحصربفرد بهینه‌سازی شود تا اثر جفت‌شدگی کمتر شده و دینامیک بهتری برای هدایت نیرو داشت.

سوم، هدایت گشتاور مفصل سطح پایین باید با بهره‌برداری از الکترونیک بهینه و الگوریتم‌های مناسب برای دستیابی به عملکرد نهایی، اجرا شود.

سرانجام، یک چارچوب نرم افزاری هدایت نیروی بدنه پیشرفته که با استفاده از همه این پیشرفت‌ها و بهینه‌سازی‌ها ساخته شده است،‌ می‌تواند پتانسیل کاملی از بازوی هدایت نیرو را به اجرا بگذارد.

در نتیجه‌ی این موارد ربات می‌تواند آماده پاسخ‌گویی به حس نیرو در حین دستکاری یا برهمکنش با اشیا و محیط اطراف باشد. درست مانند چیزی که انسانها در امور روزمره انجام می‌دهند.

هوش سلسله مراتبی

هدایت نیرو تنها گام اول به سمت تطبیق‌پذیری یا سازوار شدن است. ربات باید بداند که چطور هدایت نیرو را با سایر اطلاعات مجموع‌سازی کند. این ما را به مفهوم هوش سلسله‌مراتبی رهنمون می‌گرداند. این مفهوم بطور ذاتی به فعالیت‌های روزانه انسان‌ها اعمال می‌شود.

برای نمونه، در هنگام تمیز کردن شیشه ابتدا شیشه را در درون قاب پنجره تشخیص می‌دهیم. پس از آن دست خود را با استفاده از یک دستمال مرطوب و اعمال مقداری نیروی عمود بر شیشه برای افزایش اصطکاک مالشی، به جلو و عقب حرکت می‌دهیم. در همین زمان با سعی می‌کنیم همه چیز را پوشش دهیم. در این مثال بعضی از توانایی‌های ما بصورت آگاهانه مورد استفاده قرار می‌گیرند. توانایی‌هایی همانند بینایی، تشخیص و آشکارسازی لکه‌ها. سایر توانایی‌هایمان همانند حرکت دست و اعمال نیرو در ناخودآگاه ما رمز گذاری می‌شوند.

کارکرد مغز انسان و هوش سلسه مراتبی

مغز انسان مسئول برنامه‌ریزی مسیریابی بر اساس اطلاعات بینایی و حسی بدن است و برای انجام یک کار هرگز نیاز به تفکر در مورد سیگنال‌های الکتریکی مورد نیاز برای تحرک یک ماهیچه خاص بمنظور تکمیل یک وظیفه مشخص ندارد.

باور بر این است که سامانه‌ی هوشمند یک ربات نیز عملکرد مشابهی دارد.  هوش مصنوعی که مسئول بازشناخت پنجره و لکه است نباید بطور مستقیم درگیر تشخیص موقعیت مفصل یا جریان موتور باشد. حتی نباید درگیر حرکت ابتدایی در حرکت عقب و جلو در هنگام اعمال نیرو باشد.

پایین‌ترین لایه هوش مصنوعی حرکت اولیه‌ی بازو را هدایت می‌کند و ثبات را حفظ می‌کند. لایه‌ی میانی هوش، توالی و ترتیب متفاوتی از حرکات را رمزگذاری می‌کند. بالاترین لایه‌ی هوش مسئول آگاهی، درک، برنامه‌ریزی و سایر وظایف پیچیده شناختی است. این چیزی است که آن را هوش سلسله‌مراتبی می‌نامیم.

در سامانه‌ی با هوش سلسله‌مراتبی هر لایه از هوش نسبتا مستقل است. لایه‌های هوشی پایین‌تر نمی‌توانند به شکل مستقیم بر لایه‌ی هوش بالاتر تاثیر بگذارند. خروجی هوش لایه‌ی بالاتر توسط لایه‌ی پایین‌تر اجرا می‌شود. هر هوش سطح پایین توسط هوش سطح بالاتر راهنمایی و تنظیم می‌شود.

بطور کلی یک ربات انطباق‌پذیر باید یک سامانه هوش سلسله‌مراتبی داشته باشد. این امر چه برای ایمنی ذاتی واقعی، بازده کاری و موثر بودن آن و چه برای انتقال‌پذیری مهارت بطور مناسب لازم است. با ترکیب قابلیت‌های هدایت نیروی پیشرفته و یک سامانه‌ی هوش سلسله‌مراتبی قادر هستیم تا یک ربات انطباق‌پذیر واقعی داشته باشیم.

ربات‌های انطباق‌پذیر چه ارزشی برای صنعت ایجاد می‌کنند؟

• فراتر از اتوماسیون‌های سنتی

همانطورکه اشاره شد، سطح اتوماسیون و دامنه کاری ربات‌های سنتی کاملا محدود است. ربات‌های انطباق‌پذیر می‌توانند سطح کاملا وسیعی از وظایف را ایفا کنند. قابلیت‌های مورد اشاره‌شان در بخش قبل باعث می‌شوند که این ربات‌ها در محیط های بازتر، پیچیده‌تر و غیرمطمئن‌تر با سهولت کار کنند. در نتیجه بسیاری از چالش‌های اتوماسیون فعلی از بین خواهند رفت.

• انعطاف‌پذیری بیشتر نسبت به تولید

با وجود هوش قابل انتقال، برای سرمایه‌گذاران اجرای فرآیندهای مشابه بسیار آسان‌تر خواهد بود. همچنین پیاده‌سازی ربات‌ها برای خطوط تولید جدید بسیار آسان‌تر از قبل می‌شود. انطباق‌پذیری ربات‌ها از طریق کاهش ابزارهای متداول اضافی و مکانیسم‌های سفارشی موجب ساده‌تر شدن خط تولید می‌شوند. این موارد معمولا در راه‌حل‌های اتوماسیون صنعتی مرسوم مورد نیاز هستند. بنابراین هم انعطاف‌پذیری تولید و هم صرفه‌ی اقتصادی به طور چشمگیری بهبود می‌یابد.

ربات‌های انطباق‌پذیر قدرت هوش مصنوعی را نشان می‌دهند

یادگیری عمیق به سرعت در حال پیشرفت است و باعث ایجاد ویژگی درک پیشرفته‌تر ماشین و توانایی تصمیم‌گیری بیشتر آن نسبت به گذشته می‌شود. با این حال، ذات این روش همیشه منجر به یک رقابت بین دقت جزئی و عمومیت‌پذیری می‌شود. ترکیب هوش مصنوعی با ربات‌های سنتی و خطوط تولید مرسوم محدودیت‌های شدیدی ایجاد می‌شود. این خطوط تولید حساسیت بالایی به خطاهای موقعیت دارند. یک ربات با انطباق‌پذیری بالا می‌تواند از قدرت فناوری پیشرفته‌ی هوش مصنوعی بخوبی بهره ببرد. علاوه بر این قابلیت هدایت نیروی مناسب، احساس لامسه و مهارت بهتر را برای ماشین فراهم می‌کند. نتیجه فضایی بهتری برای قدرت‌نمایی هوش مصنوعی در زمینه‌ی رباتیک است.

دنیای بهتر با ربات‌های انطباق‌پذیر

صحبت از ربات‌هایی که شغل افراد را تصاحب می‌کنند همواره نگران‌کننده است. با این وجود که محیط بسیاری از مشاغل و حرفه‌ها برای کارگران بصورت جسمی و ذهنی بسیار خطرناک است. این دلیل امر دلیل کمبود نیروی کار در بسیاری صنایع است. آن‌چه فرآیند ماشینی شدن را تسهیل می‌بخشد، انتخاب انسان است. درنهایت فناوری همیشه باید در خدمت انسان‌ها باشد. انجام خودکار کارهای خسته‌کننده و مضر با خلق فرصت‌های جدیدی همراه است. این فرصت‌ها می‌تواند ما را به سمت دنیای بهتری سوق دهد.

---

در همین زمینه در مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی:
ساخت ربات های یاری رسان توسط شرکت تویوتا
ترکیب کنترل انسانی و اتوماسیون برای هدایت یک دست مصنوعی هوشمند

---

منبع: roboticsbusinessreview
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»