دانلود تحقیق ربات

فصل اول
ساختمان عمومی یک روبات :
یک روبات متشکل از 5 عضو تقریبا ثابت در ارتباط با هم است که به قرار زیر اند :سیستمهای مفصل بندی -1
که متشکل ازعضوهایی مانند بازوها ،اتصالات وعوامل انتهایی بوده انتهایی بوده که دریک مجموعه به هم وابسته ومرتبط با هم جمع شده اند که بطور اختصاربه انها
می گویند.

2- تحریک کننده ها
که توان لازم را تحت یک سری شرایط کنترل شده وبسیار دقیق برای
فراهم می آورد .این توان می تواند الکترونیکی ،نیوماتیکی ویا هیدرولیکی باشد.

3- ابزارها یا سیستمهای انتقال
که تحریک های ایجاد شده توسط تحریک کننده ها را به
منتقل کرده وبدین وسیله تحریک کننده ها باعث ایجاد تحریک هایی درمفاصل مختلف می گردند.این سیستمها ی انتقال نیرو می توانند اجزایی همانند تسمه، نواریاچرخ دنده وغیره باشد.

4- سنسورها
یکی از مهم ترین بخش های سیستم یک روبات متحر ک،سنسورهای آن می باشد.

سنسورهاوسایلی می باشندکه روبات به کمک انها ازمحیط خارج اطلاعات کسب می کند وهمچنین کسب اطلاع از موقعیت مفاصل وهدفهای موجود درمحیط یک روبات که می توانند متشکل از ابزارهای دیگر مورد استفاده قرار گیرند.

سنسورها ی روباتیک بسیارمتنوع بوده وبرای کاربردهای مختلفی طراحی شده اند .

به عنوان مثال درسنسورهای فاصله ،فاصله یک جسم تا روبات اندازه گیری می شود درحالی که درسنسورهای نزدیکی ، فقط نزدیکی یک شئ تا روبات تشخیص داده می شود .کاربردهای یسنسورها ی فاصله درمواردی مانند مسیر یابی وناوبری روبات می باشد .که این سنسور درانها نقش بسارحیاتی دارد.زیرا اطلاعات کافی از محیط وجایگاه
موانع وفاصله آنها تا روبات را در اختیار قرار می دهند.

در حالیکه سنسورهای نزدیکی بیشتر برای جلوگیری از برخورد روبات با موانع بکار می روند.

5- مغز یا کامپوتر روبات
این واحد اطلاعات دریافت شده توسط سنسورها وحساسه های روبات را مورد پردازش وتجزیه وتحلیل قرار می دهدد.

در بعضی از روباتها که دارای ساختمانی ساده تر می باشند ،این قسمت روبات تنها دارای یک برنامه ثابت می باشد.

ولی در روباتها یی که دارای ساختمانی پیشرفته ترمی باشند این قسمت متشکلاز یک کامپوتر یا یک میکروپروسسور دیجیتالی است که بطور کامل قابل برنامه ریزی می باشند.

محیط روبات
محیط روبوت ،محدوده اطراف یک روبات می باشد که در آن قرار گرفته است وعمل می نماید.

برای روبات هایی که در محل ثابتی قرار می گیرند ، محیط فضایی محسوب می گردد که توسط تمامی حالات ممکن وعامل های انتهایی قابل دسترسی باشد.

درمحیط خود ی روبات نیز ممکن است روبات به موانعی برخورد کند که باید از آنها پرهیز کند ویا با اهدافی روبه رو می گردد که از لحاظ عملیاتی که روی آنها انجام می دهد دارای اهمیت می باشند.

بنابراین شناخت وتبادل اطلاعات بین یک روبات ومحیط اطرافش بسیار ضروری به نظر می رسد.

به عنوان مثال فرض کنید یک روبات باید لیوانی را از وسط یک میز بردارد او باید ابتدامیز را با محدوده آن تشخیص داده وسپس عمل محوله را انجام دهد.در غیر این صورت باید ازمیز عبور کند وبا میز برخورد خواهد کرد.

آینده، انسان و روبات
آیا یک روبات می تواندخواسته ای داشته باشد؟

افراد خویشتن ،معتقدندکه چنین چیزی دراصل محال نیست.

آیا غیر از این است که انسانها هم دستگاهها یی هستند متشکل از مولکولهای ارکانیک که تصور می رود تمام حرکاتشان قابل بازسازی با کامپیوتر های قوی باشد.

عملکردما درخلق روباتهای زنده وهوشمند چگونه بوده است؟

ما از همه لحاظ پیشرفت کرده ایم ،هم درکل وهم درجزئیات .

پژوهشگران برای رسیدن به درک بهتر ازفرایند زندگی در سطح مولکول ، درحال تجزیه ساده ترین باکتری زنده یعنی میوپلازما هستند وتوانسته اند کرموزومها ی جنسی آن را در کمتر از یک چهارم مگابایت ذخیره کنند در عین حال ،برنامه های کامپیوتری که تکثیر ومتحول می شوند به نحوی عمل می کنند که ما معمولا از موجودات زنده ساده انتظار داریم.

مانندفعل وانفعال با محیط های پیچیده و زاده و ولد .اشکال زنده مصنوعی که در داخل کامپیوتر "زندگی" می کنند به قدری متحول شده اند که می توانند شکارهای خود را تعقیب کنند ،جانوران درنده را گمراه سازند ،برای بدست آوردن منابع کمیاب با یکدیگر به رقابت بپردازند.

از سوی دیگر، علاقه به روباتهایی که مانند انسان راه میروند وصحبت می کنند ،چهره انسان ها را دارند ومی توانند واکنشهای اجتماعی بسیارساده راتقلید کنند دوباره احیا شده است.

البته روباتهایی را که ما در دست ساخت داریم توانائیهای یک کودک یک ساله راهم ندارد وروبات های امروزی نمی دانند ودرک نمی کنند که همان روبات های دیروزی هستند.در بهترین حالت ،این روبات ها به موجودات سرگشته ای می مانند که دریایی از اشکال ورنگهای غیر قابل تشخیص آنها را احاطه کرده است.

با این حال ،آینده روشن است ،روباتها روز به روز بیشتر به انسان شباهت پیدا می کنند وآیا تلاش دانشمندان ما سرانجام به ساختن روباتهایی منجر خواهد شد که بایدتمامی حقوق انکار ناپذیرانسان ها راداشته باشند؟

روباتهای هوشمند
رایانه های متفکروسخنگو ،زمانی طولانی به داستانهای علمی محدود شده بودند.

ولی امروزه نسل جدید روبات های هوشمند پا به عرصه وجود نهادده اند.

آنها به زودی در اینجا حضور پیدا کرده وبه هنگام کار در منازل ،اداره ها وخیابانها ساکت وبی صدایند.

کمپانی سوئدی الکترولوکس تولید کننده لوازم منزل ،یک نمونه از این روبات ها را برای جارو زدن فرش شما درهنگام استراحتتان به بازار عرضه کرده است.

بعضیاز افراد نابینا در ژاپن ازآنها به مثابه سگ راهنما برای عبور از خیابانها استفاده می کنند.وبسیاری از جراحان از آنها به مانند دکتری مجرب به هنگام عمل در اتاق جراحی استفاده می کنند.

"کوین وارویک" استاد دانشگاه فراصوت انگلستان می گوید:"روباتهافقط کامپیوتر هایی هستند که دارای احساس اند ،ولی این دلیل نمی شود که آنها مانند بشر باشند." وارویک بهتر از دیگران می داند که داستانهای علمی بخشی از حقیقت علم اند.

او به همراه گروه خود در آزمایشگاه مطالعات فراصوت ، سیستمها یی را طراحی کرده است که یادگیری روباتها (همانندانسان)از طریق آزمون وخطا در مورد اسام اطرافشان انجام می پذیرد.

هفت روبات کوتوله از گروه روباتهای تخته چرخدار که در 15 سال گذشته تحت بررسی ،توسعه وتجهیز بوده اند ،در آزمایشگاه به سرعت گام برمی دارند.

چه چیز جالبی در مورد گروه ماشین های چرخدار در آزمایشگاه وجود دارد؟هفت روبات کوتوله برای نمایش کارهای غیرمتعارف توله سگ ها وجوجه اردک ها دارای برنامه نیستند.

آنها یاد گرفته اند که کار خودرا توسط خودشان انجام دهند.اما ماشینهای معمولی هر آنچه را که ما به آنها می گوییم انجام می دهند.

ویژگی هوشمندبودن هفت روبات کوتوله مربوط به شبکه ای عصبی است که گروه وارویک به آنها اعطا نموده است.

شبکه عصبی مزبور شکل الکترونیکی مغزاست که در آن تراشه های رایانه جایگزین شبکه داخلی ارتباطی نورونها ی عصبی درسرانسان شده است.

هر یک از هفت روبات کوتوله دارای 40 تراشه درنقطه گره عصبی هستند، این تراشه ها به شش چشم مصنوعی متصل شده اند وحسگرهای فراصوت نصب شده در مقابل روبات به او امکان مشاهده محیط اطراف را می دهند.

روباتهای مذکور درنتیجه پژواک فراصوت در اطراف خود، همانند خفاشانی که از سیستم ردیابی مکان در طول پرواز بهره می گیرند ،برای راه یاب خودبهرهمی جویند.

آنها با دقتی بسیاربرای اجتناب از برخورد با هرجسم قابل تصور درهنگام حرکت برنامه ریزی شده اند ،این کار در ابتدا امکان ناپذیر می نمود .

به هفت روبات کوتاه قدماموریت ساده ای محول شده است.به حرکت خود ادامه دهند ولی به چیزی برخورد نکنند .

چگونه آنها ازپس چنین چیزی برمی آیند؟

روباتهای کوتاه قد برای چنین الگوهای رفتاری ساخته نشده اند .آنها درپی روبات راهنما حرکت می کنند .درصورتی که هرگز برای چنین عملی برنامه ای نداشته اند.آنها به سادگی روبات دیگر را مشاهده می کنند وبا موفقیت از کنار اشیا میگذرندواگر چیزی آنها را تعقیب کند آن را کشف می نمایندوبه چیزی برخورد نمی کنن«د .از طریق تکرار این فرایندروباتها یادمیگیرند که بازی تعقیب روبات راهنما یک راه خوب برای به انجام رسانیدن مامور یتشان است.

هر روبات دارای حلقه ای مدور ودر جریان پرتو مادون قرمز است که آن را ازتماس با دیگرروبات ها باز می دارد.

یک روبات مساله عبور ازمکان های شلوغ راحل نموده است.

به طور مثال روبات می تواند این اطلاعات را به روبات های دیگرانتقال دهد وبا آموزش اساسی وموثربه آنها بیاموزد که چگونه به کار بپردازند.

درنتیجه روبات های دیگرنیازی به تکراراشتباه استاد راهنمایشان ندارند.

استفاده نمودن از این روش در روباتی که در دانشگاه مطالعـــات قرار دارد، برای آموزش نمایش حرکات مشخص شده به روبات های دیگر در نیویورک وتوکیو ،از طریـــق اینترنت انجام پذیرفت.

این نوع از حرکات ورفتارها مربوط به توانایی روباتهای هوشمـــند برای به انجام رساندن کارهایی است که آنها برای آن برنامه ای در دسترس نداشــــته اند.فن آوری مشابهی درموشک اسرام هوا به هوابه کار گرفته شده است.اسرام موشکی است که درســال 77 وارد سرویس خدماتی نیروی هوایی ســلطنتی انگلســــتان شده است ومی تواند توسط رادار هواپیما ویانصب برروی کلاه ایمنی خلبان عمل نماید.

اما از زمانی که سرعت ودقت تسلیحات هوشمند دوربرد از متصدیان بهتر عمل می کند، این موشک می توانددراقدامات اولیه خود به تنهایی وارد عمل شودوبا استفاده از ردیابی وکاربرد پرتومادون قرمز به طور مستقل مقاصد دشمن را نابود سازد.

به غیر از جنگ افزارهای تعقیب گر دیجیتالی (شبیه این موشک )وارویک وگروهـــش وظایفی همراه با سکوت و آرامش را برای ماشینهای هوشمند مجسم ساخته اند.

برای مثال ،نوع اولـــیه ای از روبات های آتش نشان که مجهز به حســــگر های دود وگرماست ،می تواند آزادانه اطراف ساختمان بچرخد وآتش را تشخیص دهدوردیابی نماید.

جذابیت مشاهده هفت روبات کوتاه قد درحین کاروفریبنده بودن آنها برای تعمق در احساسات وکوشا بودن بشر است.

پس از مشاهده یکی از روباتها ی تعیین شده که مکرر خود را به دیواری پرتاب می کند ، ساده است که آن را یک روبات لجباز ویک دنده تلقی کنیم .روبات کم شانس دیــگری بی هدف در میان طبقه وحواشی آن حرکت می نماید ،به نظر می رسد کـه کاملا گیج وسرگردان شده است.

"وارویک" چنین نظراتی را منتفی می داند ومی گوید:"ماشــــین هوشمند متـــفاوت از انسان هوشــــمند است ،همان طور که راهی راکه یک هواپیــــما در آن پـرواز می کنــد متفاوت از راهی است که یک پرنده آن را طـــی می کند .با این حال او امـــــروزه شاهد روبات های جراح ونظافتگر است که شروع به کار انها را فرزندانشان مشاهده نموده اند.

وارویک معتقد است که دقت افزونتر وهوشمندی قراتر از امروز، بزودی اتفاق خواهد افتاد وماشین ها می توانند کارهایی را انجام دهند که ما هرگز فکرش را هم نکرده ایم.

یک تاریخچه ی کوتاه در این فصل یاد می گیرید: روبات چیست و از کجا آمده؟

آینده ی آن چیست؟

چه انتظاری از روبات ها می توان داشت؟

مسئولیت ما در قبال آن ها چیست؟

کلمه روبات ((robat اولین بار در سال 1921 در نمایشنامه ای بنام «روبات های جهانی روسام» اثر کارل چاپک (نویسنده چک) بکار برده شد؛ این کلمه از روبوتا که در زبان چک معنای «کار شاق و اجباری» می دهد، مشتق شده است.

در این نمایشنامه روباتها موجوداتی هستند که توسط دانشمند زیست شناس نابغه ای بنام روسام از یک خمیر مایه ی اسرار آمیز تولید می شوند تا جای کارگران را بگیرند.

این نمایشنامه پایانی تراژیک و ترسناک دارد، چون روباتها بتدریج کاملتر و هوشمندتر شده، و بعنوان موجود برتر نسل انسان را منقرض می کنند.

در اسطوره های قوم بهود موجودی افسانه ای بنام گولوم وجود دارد که از گل ساخته شده، و توسط نیرویی جادویی جان می گیرد.

هیولای رعب انگیز داستان معروف دکتر فرانکنشتین (اثر مری شلی) را نیز می توان یک وربات دانست: مخلوق هولناکی که از بخیه زدن قطعات بدن مرده های مختلف ساخته شده و با الکتریسیته روح حیات در آن دمیده می شود.

چیزی که در همه ی این داستان ها مشترک است، پایان غم انگیز آنهاست: روبات، گولوم یا هیولا سرانجام خالق خود را نابود می کند.

در این افسانه ها حیات مصنوعی معادل وحشت و دردسر است.

این داستان ها در واقع انسان را از پیشرفت بیش از حد منع می کنند، و نسبت به عواقب وخیم آن هشدار می دهند.

اما وحشت نکنید؛ روبات هایی که ما می سازیم فقط ماشین های هوشمندی هستند که دستورات ما را بطور خودکار اجرا می کنند.

اما اجازه دهید ببینیم ایده ی موجود مصنوعی هوشمند از کجا آمده، و انسان ها در طول قرون و اعصار جگونه آن را دنبال کرده اند.

فصل دوم ابزار ها و مواد: یک کارگاه کوچک بر پا کنیم در این فصل یاد میگیرید: به چه ابزاری برای ساخت روبات نیاز داریم؟

مواد اولیه ی مورد نیاز برای ساخت روبات کدامست؟

چگونه می توان یک کارگاه کوچک و مرتب بر پا کرد؟

برای ساخت روبات ها به وسایل، ابزارها و مواد مختلفی نیاز داریم.

اصولی ترین روش آن است که یک کارگاه کوچک با تهویه و نور مناسب برای خود بسازیم، تا بتوانیم با خاطری آسوده به کار ادامه دهیم.

در این فصل اقدامات لازم برای تجهیز یک کارگاه روباتیک را توضیح می دهیم.

اما بیاد داشته باشید که مهمترین (و شاید دشوارترین!) نکته برای داشتن یک کارگاه خوب، تمیزی و مرتب بودن آن است.

ابزارها از آنجاییکه مهمترین مواد بکار رفته در ساخت روبات ها فلز (مخصوصا آلومینیم) و پلاستیک سخت است، اولین ابزاری که به آن نیاز داریم، اره ی آهن بر است.

یکی از ابزارهای دیگری که برای ایجاد برشهای صاف و دقیق کاربرد بسیار دارد (مخصوصا در جاهایی که زاویه ی برش اهمیت دارد)، گونیای فارسی بر است.

اگر می خواهید بطور جدی روبات سازی را دنبال کنید (و در ضمن وضع مالی خوب دارید)، بهتر است به فکر یک اره ی نواری ایستاده باشید.

با این وسیله می توان قطعات را با دقت و سرعت بیشتری برش داد.

یک کارگاه خوب هرگز بدون گیره کامل نیست.

بدون گیره بریدن، سوراخ کردن، خم کردن و یا سوهان زدن قطعات کاری بسیار دشوار است.

از گیره، که به میز کار بسته می شود، می توان برای کارهای مختلف استفاده کرد.

برای سوراخ کردن فلزات و بوردهای مدار چاپی به یک مته ی برقی هم نیاز دارید.

اگر روباتیک را فقط برای سرگرمی دنبال می کنید، یک مته ی برقی دستی کفایت می کند.

اما اگر می خواهید حرفه ای کار کنید، بهتر است به فکر یک مته ی برقی ثابت (ایستاده) باشید.

مزیت مته ی ثابت (علاوه بر دقت و ایمنی بیشتر) در این است که می توان از آن بعنوان دستگاه فرز (تراش و شکل دادن به فلزات) نیز استفاده کرد.

مته ی برقی بدون مته کامل نیست، پس به یک مجموعه از مته های مختلف نیز نیاز دارید.

برای قسمت های فلزهای پروژه های این کتاب اغلب از مته های "ی سوراخ کردن فلزات و بوردهای مدار چاپی به یک مته ی برقی هم نیاز دارید.

برای قسمت های فلزهای پروژه های این کتاب اغلب از مته های "32/1 و "64/3 نیاز داریم.

(برای یافتن اندازه ی معادل میلیمتری مته یا پیچ _ مهره، بیاد داشته باشید که 1”=25.4mm؛ البته گاهی یک مته یا پیچ – مهره ی اینچی معادل دقیق میلیمتری ندارد، و باید از نزدیکترین اندازه ی موجود استفاده کرد.) وقتی با پیچ و مهره سروکار داریم، بدون شک به آچار و پیچ گوشتی (آچار فرانسه، انبردست، سیم چین، دم باریک، پیچ گوشتی های دو-سو و چهار-سو) هم نیاز پیدا خواهیم کرد.

چند ابزار دیگر که داشتن آن ها اغلب مفید است که عبارتند از: چگش، سوهان، خط کش فلزی، گونیای فلزی، عینک ایمنی، سرنگ تزریق اپوکسی (که در ایران به چسب دوقلو معروف است)، ابزار تزریق چسب حرارتی، تیغ کارگاهی (که در ایران بنام تیغ موکت بری شناخته می شود)، و گیره ی قابل تنظیم (یا دست سوم).

ابزارهایی که تا اینجا دیدید، برای کارهای مکانیکی یکار می رفتند؛ اما در روباتیک الکترونیک نیز نقش مهمی بازی می کند.این ابزارها عبارتند از: سیم لخت کن، سیم چین کوچک، لحیم، ICکش (وسیله ای برای خارج کردن IC از سوکت)، و هویه ی قابل تنظیم (هویه ای که می توان درجه حرارت نوک آن را تنظیم کرد).

بوردهای الکترونیکی قطعات حساسی هستند که اغلب در ساخت آن ها مشکلاتی پیش می آید.

برای عیب یابی بوردهای الکترونیک (و همچنین کالیبره کردن آنها) به یک مالتی متر دیجیتال با قابلیت اندازه گیری فرکانس نیاز داریم.

اگر بتوانیم مقاومت، ظرفیت و القای عناصر یک مدار را بطور جداگانه اندازه گیری کنیم، عیب یابی آنها بسیار ساده تر خواهد شد؛ (البته این ابزار فقط به درد کارهای حرفه ای می خورد، و داشتن آن چندان الزامی نیست).

اگر قصد دارید الکترونیک را بطور جدی و حرفه ای دنبال کنید، داشتن یک اسیلوسکوپ با پهنای باند حداقل MHz100 ضروری است.

یک منبع تغذیه ی متغیر DC تثبیت شده، و دستگاه تولید شکل موج های مختلف (موسوم به فانکشن ژنراتور) نیز از ضروریات یک کارگاه الکترونیک مجهز است.

البته برای اجرای پروژه های این کتاب به هیچیک از این وسایل حرفه ای نیاز ندارید، اما داشتن آنها (در صورت استطاعت مالی) کار شما را بسیار راحت تر خواهد کرد.

ساعت ها صرفه جویی در وقت با ارزش – و انرژی عصبی- برای پیدا کردن عیب یک باتری یا اسیلاتور خراب از کمترین مزایای این وسایل (نسبتا گران قیمت) است.

مواد مصرفی برای ساخت روباتهایی که در این کتاب خواهید دید، اغلب از انواع تسمه ها، مفتولها، پروفیلها و ورقهای آلومینیمی استفاده کرده ایم.

در این میان تسمه ی آلومینیمی به ابعاد "8/1 × "2/1 بیشترین کاربرد را دارد.

این تسمه ها اغلب در بازار به طول 2 متر عرضه می شوند.

مفتول آلومینیمی (با مقطع مربع) به ابعاد "4/1 × "4/1 یکی دیگر از موادی است که از آن استفاده خواهیم کرد.

برای ساخت بعضی از قسمت های روبات های کتاب به دو نوع نبشی آلومینیمی به ابعاد "2/1 × "2/1 و "4/3 × "4/3 (و ضخامت "16/1) نیاز داریم.

ورق آلومینیمی به ضخامت "16/1 از دیگر موادی است که به آن نیاز داریم.

مقاطع دیگری نیز هست که به علت کاربرد کمتر توضیح می دهیم آن های را با تغییر دادن و بریدن پروفیل های موجود تهیه کنیم.

برای اتصال قطعات آلومینیم نیز از پیچ، مهره و واشرهای آلومینیمی و پلاستیکی "32/6 استفاده می کنیم.

فصل سوم مقدمه ای بر کنترل در این فصل یاد میگیرید: کنترل فعال و غیرفعال چیست؟

سیستم های کنترلی حلقه ی باز، حلقه ی بسته، و پسماند چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

انواع کنترل های تناسبی کدامند؟

آیا سیستم های کنترلی می توانند روباتها را هوشمند کنند، و به آن ها توانایی یادگیری کنترل یکی از مهمترین جنبه های ماشین های هوشمند است.

آیا می توانید روباتی را تصور کنید که هیچ کنترلی بر رفتار آن نداشته باشید؟

پاسخ این پرسش مطمئنا منفی است.

در این فصل مفاهیم کنترلی (حلقه های کنترل، هوش مصنوعی و یادگیری) را بررسی کرده و به این نکته پی می بریم که آیا روباتها اساسا می توانند باهوش باشند، یا فقط قادرند بر طبق یک الگوی مشخص رفتار کنند.

مفاهیم اساسی کنترل چه چیزی رفتار یک روبات را جالب می کند؟

و اصولا چرا یک روبات می تواند چنین رفتاری داشته باشد؟

آنچه رفتار کی روبات (یا هر سیستم دیگر) را تعیین می کند، سیستم کنترل (control system) آن است.

وقتی صحبت از کنترل روبات صحبت می شود، بلافاصله به یاد کامپیوتر و برنامه نویسی می افتیم.

اما، در واقع بهترین سیستم های کنترلی آنهایی هستند که بطور خودکار و بدون هر گونه مدار الکترونیکی یا برنامه ی کامپیوتری کار کنند.

کنترل غیرفعال بهترین سیستم کنترل آن است که فقط به قوانین طبیعت متکی باشد، و لازم نباشد کاری از خارج صورت گیرد.

بهترین نمونه برای چنین سیستمی، تعادل یک شی ء است.

یک مداد را در نظر بگیرید.

با کمی دقت می توان این مداد را از طرف پاک کن آن روی میز نگه داشت.

نیروی جاذبه مداد را به سمت پایین می کشد، ولی از آنجاییکه مرکز ثقل مداد از پاک کن عبور می کند، بصورت ثابت روی میز خواهد ایستاد.

اگر نیروی خارجی به این مداد وارد نشود، می تواند صدها سال به همین حالت باقی بماند.

اما چنین سیستمی پایدار نیست.

کافیست میز کمی تکان بخورد، باد مختصری بوزد، یا یک آدم کنجکاو (که از دیدن مداد در چنین وضعیتی تعجب کرده) به آن دست بزند؛ مداد به سادگی سقوط خواهد کرد!

در 4-1 می بینید که وقتی مرکز ثقل مداد از دایره ی کوچک پاک کن خارج شود، مداد سقوط می کند.

این یک قانون غیرقابل تغییر است که می توان همیشه به آن متکی بود: تا زمانی مرکز ثقل جسم از تکیه گاه آن عبور کند، جسم ثابت و پایدار خواهد ماند؛ و اگر چنین نباشد، جسم بدون شک سقوط خواهد کرد.

نیروی جاذبه یکی از آن چیزهایی است که همیشه می توان به تأثیر آن مطمئن بود.

اما چگونه می توان کاری کرد که جاذبه باعث سقوط مداد نشود، بلکه آن را به حالت پایدار برگرداند؟

از فصل 2 (مقدمه ای بر مکانیک) بیاد دارید که وقتی مرکز ثقل یک جسم بالا می رود، انرژی پتانسیل در ان ذخیره می شود.

چیزی که باعث سقوط مداد می شود، همین انرژی پتانسیل است که مایل است مرکز ثقل جسم را دوباره به پایین ترین نقطه برگرداند.

برای آن که یک جسم در برابر سقوط مقاومت کند، باید مرکز ثقل آن زیر تکیه گاه قرار گیرد.

در مثال مداد، مرکز ثقل (نقطه ای در وسط مداد) بالای تکیه گاه (پاک کن) قرار دارد.

اگر کاری کنیم که مرکز ثقل یک جسم زیر تکیه گاه قرار داشته باشد، هر تلاشی برای تغییر وضعیت جسم باعث می شود تا مرکز ثقل جسم بالاتر برود، و در اینجاست که جاذبه وارد عمل شده و آن را دوباره پایین می آورد ( و تعادل دوباره برقرار میشود).

در شکل 4-2 سیستمی را میبینید که در آن مرکز ثقل زیر تکیه گاه قرار گرفته، و به همین دلیل تعادل بهتری دارد.

سیستم های هوشمند وقتی از روبات حرف میزنیم، اولین چیزی که به ذهنمان می رسد، رفتار هوشمندانه ی آن است.

البته استفاده از کلمه هوش ((intelligence در اینجا مشکلاتی را پیش می آورد: آیا روبات های جوشکار از کارشان لذت می برند؟

آیا دستگاه هایی برش هوشمند فلزات (موسوم به CNC که به نوعی روبات محسوب می شوند) خسته و بی حوصله می شوند؟

پیداست که چنین احساساتی در این ماشین ها راه ندارد؛ پس هوشمندی آنها در چیست؟

اگر سیستم های هوشمند را ماشین هایی تعریف کنیم که براساس نوعی منطق ((Iogic عمل می کنند، باز هم پرسش هایی مطرح می شود: آیا توانایی بکارگیری منطق هوش محسوب می شود؟

پس آیا برنامه های کامپیوتری که بوضوح از منطق پیروی می کنند، هوشمند هستند؟

یکی از تعریف های ارائه شده برای هوش «فرآیند درک پدیده ها» است.

اما چگونه می توان یک پدیده را درک کرد؟

آیا دیدن و تشخیص خواص فیزیکی آن کافیست؟

با این توضیح پیداست که بهتر است بجای تعریف هوش توجه خود را روی رفتار هوشمندانه متمرکز کنیم.

در این قسمت انواع سیستم های کنترلی که می توانند رفتارهای هوشمندانه ایجاد کنند، را توضیح می دهیم.

کنترل انعکاسی سیستم های کنترل انعکاسی ((reflexive control از نوعی پس خور منفی برای حفظ حالت سیستم استفاده می کنند.

برای مثال، بدن انسان برای حفظ دمای ثابت خود به کنترل انعکاسی متکی است.

در شکل 4-10 شماتیک یک سیستم کنترل انعکاسی را مشاهده می کنید.

در سیستم های کنترل انعکاسی یک تابع کنترلی وجود دارد- ((X,Y f- که پارامترهای ورودی ((Y , X را گرفته و یک خروجی ((Z تولید می کند.

در مثال دمای بدن انسان، تابع کنترلی f(X,Y)=Y-X است: اگر این عدد منفی شود (تب یا فعالیت بدنی شدید)، بدن با عرق کردن باعث دفع گرما می شود؛ اگر این عدد مثبت شود (سرما)، بدن با ایجاد لرزش در عضلات باعث بالا رفتن دما خواهد شد.

ترموستات یکی از سیستم های کنترل انعکاسی ترموستات ((thermostat است.

ترموستات وسیله ایست که با قطع / وصل کردن مولد حرارتی دمای یک سیستم (محیط یا ماشین) را در محدوده ای مشخص حفظ می کند.

برای تعریف تابع کنترلی ترموستات ابتدا باید محدوده ی کار آن را (که به باند تثبیت دما – Dead Band – معروف است) تعریف کرده، و سپس ثابتی بنام b را بدست آوریم: و از آنجا می توان تابع کنترلی ترموستات را بصورت زیر تعریف کرد: Z = 1 : X Z = 0 : X > (Y + b) که در اینجا 1 یعنی روشن کردن مولد حرارت، و 0 یعنی خاموش کردن آن.

در شکل 4-11 طرز رفتار چنین سیستمی را مشاهده می کنید.

همانطور که در شکل 4-11 می بینید، نمودار حرارت سیستم در نقاط متوقف نمی شود، بلکه کمی از آنها بالاتر یا پایین تر می رود (که بترتیب به آناه بالازنی -overshoot- و پایین زنی – undershoot – گفته می شود).

علت این رفتار آن است که در طبیعت هیچ سیستمی نمیتواند حالت خود را بلافاصله تغییر دهد و برای این کار به زمان نیاز دارد (اصطلاحا گفته می شود که سیستم داری اینرسی است).

کنترل PID موتور سیستم کنترل انعکاسی جالبتری که در روباتیک نیز کاربردهای فراوان دارد، کنترل موقعیت یک محور یا بازو توسط موتور است.

در این سیستم می توان X و Y را مکان فیزیکی بازو یا محور، و Z را قدرت الکتریکی داده شده به موتور فرض کرد.

تابع کنترلی چنین سیستمی را می توان بصورت زیر تعریف کرد: Z = KP × (Y – X) از آنجاییکه خروجی این سیستم نسبت مستقیم با خطای آن دارد (به Y-X اصطلاحا خطای سیستم گفته می شود)، این سیستم به کنترل تناسبی ((proportional control معروف است.

به KP نیز بهره ی کنترل ((control gain می گویند.

در سیستم های کنترل تناسبی دقت رفتار سیستم به انتخاب صحیح بهره ی کنترل بستگی دارد.

در شکل 4-12 نمودار رفتار سیستم را به ازای دو KP مختلف می بینید.

همانطور که می بینید، هر چه KP بزرگتر باشد، سیستم در نهایت (حالت پایدار) به وضعیت دلخواه نزدیکتر است ولی در ابتدای کار (حالت گذاری سیستم) مقدار زیادی نوسان و بالازنی خواهد داشت.

از طرف دیگر، اگر (برای جلوگیری از نوسان و بالازنی در حالت گذرا) KP را کوچک انتخاب کنیم، حالت نهایی سیستم از وضعیت دلخواه دورتر خواهد شد.

برای بهتر کردن رفتار این سیستم، بجای در نظر گرفتن خطای سیستم در هر لحظه از مجوع خطای سیستم در طول زمان استفاده می شود.

در این حالت سیستم بنحو بهتری (و با نوسان کمتر) به حالت دلخواه میل خواهد کرد.

اگر خطای سیستم در هر لحظه را e فرض کنیم: e = Y – X مجموع خطای سیستم در طول زمان e1 خواهد شد: E1 = e1 + e و تابع کنترل این سیستم (که به کنترل تناسبی – انتگرالی – proportional-integral control – معروف است) چنین بدتس می آید: Z = KP × (e + K1 × e1) که در آن K1 بهره ی انتگرالی ((integral gain سیستم است.

با انتخاب مقادیر کوچک برای K1 می توان از نوسانات حالت گذاری سیستم جلوگیری کرد (شکل 4-13 را ببینید).

اما همانطور که دیده می شود، سیستم های PI برای رسیدن به حالت پایدار به زمان زیادی نیاز دارند.

با معرفی یک عامل جدید، بنام بهره ی مشتق ((derivative gain یا KD، می توان کاری کرد که سیستم (علاوه بر نوسانات ناچیز) بسرعت به حالت پایدار برسد.

این سیستم کنترلی، که به کنترل تناسبی –انتگرالی- مشتقی (( proportional-integral-derivative control یا PID معروف است، از تاریخچه ی خطاهای سیستم استفاده کرده و به نوعی حالت بعدی را پیش بینی می کند: et = Yt – Xt EI = eI + e ED = et – et-1 Z = KP × (e + KI × eI) + (KD × eD) در شکل 4-14 نمودار رفتار یک سیستم PID را مشاهده می کنید.

شبکه های عصبی شبکه ی عصبی ((neural network یکی دیگر از ابزارهای تشخیص الگوست که براساس طرز کار نرون ها (یاخته های تشکیل دهنده ی مغز) ساخته شده است.

طرز کار نرون ((neuron به این شکل است که: هر نرون یک یا چند ورودی را گرفته و بعد از مقایسه ی آنها با یک الگوی داخلی، یک خروجی تولید می کند که دامنه ی آن به شدت شباهت ورودیها با این الگو بستگی دارد.

طرز کار نرون مک کالوک – پیتس بدین صورت است: نرون یک بردار (یا لیست) از ورودیها- موسوم به بردار x- می گیرد.

در داخل این نرون بردار یا فهرستی – بنام w- وجود دارد که ارزش (یا وزن) هر ورودی را مشخص می کند.

نرون هر ورودی را در وزن (ارزش) آن ضرب کرده، و سپس مقادیر حاصله را با هم جمع می کند.

برای مثال، اگر این نرون سه ورودی داشته باشد، خروجی آن بصورت زیر محاسبه خواهد شد: Y = (w(1) × x(1)) + (w(2) × x(2)) + (w(3) × (3)) [از درس های ریاضیات جدید بیاد دارید که این تابع به ضرب داخلی – یا ضرب داخلی – یا ضرب نقطه ای – بردارها معروف است.] در عمل برای آن که شبکه ی عصبی دارای یک خروجی بین 0.0 و 1.0 باشد، لازمست که هر دو بردار نرمال شده باشند.

برای نرمال کردن یک بردار باید هر عنصر آن را بر طول بردار تقسیم کنیم.

طول هر بردار از تابع زیر بدست می آید: برای مثال طول یک بردار سه بعدی چنین محاسبه می شود: و از آنجا می توان عناصر بردار را نرمال کرد: برای تشخیص یک الگوی خاص می توان ورودی ها را همزمان به چند نرون (با الگوهای داخلی متفاوت) داد و سپس خروجیها را مقایسه کرد: هر یک از خروجی ها که بزرگتر باشد، نشاندهنده ی تطبیق ورودی ها با الگوی آن سلول است؛ چنین ساختاری یک شبکه ی عصبی ساده را تشکیل می دهد.

همانطور که می توان حدس زد، با اضافه شدن لایه های بیشتر می توان شبکه های عصبی بسیار پیچیده تولید کرد.

کارایی یک شبکه ی عصبی به پیچیدگی و نوع ارتباط نرون های آن بستگی دارد.

در واقع، تعداد ترکیبات ممکنه آن چنان زیاد است که بررسی عملی تمامی آنها امکانپذیر نیست، و مهمترین چالش پیش روی دانشمندانی که در این زمینه فعالیت می کنند، یافتن بهترین ترکیب ممکن برای هر مسئله است.

اما یک روبات برای اینکه محیط خود و قوانین حاکم بر آن را بشناسد، چه کارهایی باید انجام دهد؟