مجموعه آموزش‌ رباتیک (Robotics)

این فرادرس ضمن معرفی محیط کامپایلر به صورت پروژه محور و در طی چند درس، مخاطب را با مفاهیم اساسی زبان C، نحوه نوشتن کتابخانه و هدرفایل، استفاده از هدر فایل های شخص ثالث از جمله: avr-libc، نحوه کار با امکانات داخلی میکرو از قبیل: تایمرها، وقفه ها، پورت سریال RS-232 و ماژول RS-485، رابط SPI، I2C، ارتباط دو میکرو با یکدیگر، کار با EEPROM داخلی میکرو، کار با انواع نمایشگرها شامل: LCD گرافیکی، کاراکتری و سون سگمنت، کار با ماژول های پر کاربرد از قبیل: ماژول ساعت DS1307 و DS3231، ماژول وای فای ESP8266، ماژول GSM SIM800 برای ارسال و دریافت SMS، کار با استپر موتور و سروو موتور، کار با مموری کارت SD/MMC، مبدل آنالوگ به دیجیتال و کار با سنسور دمای LM35، کار با پورت های ورودی و خروجی میکرو، راه اندازی PWM برای کنترل موتور، نحوه تنظیم فیوز بیت ها و ده ها پروژه کاربردی دیگر آشنا می کند و هنرجو در پایان می تواند هر نوع دستگاه الکترونیکی را طراحی و برنامه نویسی کرده و از آن استفاده نماید.

ربات ها عموما دارای واحد ادراکی (Sensor) و واحد عملگر (Actuator) هستند. در این حالت برای اینکه ربات به درستی بتواند ماموریت خود را انجام دهد، نیاز به این است که برای هر کدام از واحدهای فوق کدهایی نوشته شود و ارتباط موثری بین این کدها برقرار گردد. سیستم عامل ربات ها (ROS)، بستری قدرتمند و سریع را برای یکپارچه سازی کدهای مربوط به هر یک از واحدهای ربات فراهم می سازد. به کمک سیستم عامل ربات ها می توانید تحت لینوکس کد مربوط به هر یک از واحدهای فوق را در یک گره (Node) بنویسید و ارتباط موثر بین این گره ها را از طریق پیام هایی (Topic) ایجاد کنید. در این فرادرس با مفاهیم سیستم عامل ربات ها که برای ایجاد یک سیستم رباتیک هوشمند و سریع، ضروری است، آشنا می شوید.

آردوینو یک برد کنترلی کوچک است که با برنامه نویسی درست می تواند کارهای بزرگی انجام دهد. از کنترل یک ربات گرفته تا پیاده سازی خانه های هوشمند. در این فرادرس به معرفی این وسیله کاربردی و ارزان قیمت و نحوه برنامه نویسی آن با محوریت ساخت یک ربات (مسیریاب/فاصله یاب) خواهیم پرداخت.

آردوینو بردهایی هستند که براساس برخی از میکروکنترلرها ساخته شده اند و امکان احساس کنترل فضای بیشتری از دنیای فیزیکی را فراهم می کند. در اصل یک پلتفرم متن باز برای نمونه سازی و انجام پروژه های الکترونیکی به شمار می رود. هدف این فرادرس، آموزش به شکلی است که چه کاربران مبتدی که دانش کافی از برنامه نویسی ندارند و چه برنامه نویسان حرفه ای که با پلتفرم آردوینو آشنایی دارند، به کمک این ماژول امکان ساخت مجموعه های پیچیده را داشته باشند.

در دنیای امروز، لینوکس انتخابی بی رقیب در عرصه های حرفه ای نرم افزاری به شمار می رود و جای خود را در حوزه هایی مانند: مدیریت سرورها، سوپرکامپیوترها و سیستم های پردازشی باز نموده است و هر کسی که توانایی کار و مدیریت سیستم عامل های مبتنی بر لینوکس را داشته باشد، همواره جلوتر از دیگران است. در این میان شل لینوکس به عنوان مفسر لینوکس، قابلیت هایی را مثل یک زبان برنامه نویسی در اختیار شما قرار می دهد که می توانید به کمک آن بدون هیچگونه محدودیتی کارهای سیستمی خود را از طریق آن انجام دهید. شل نقش واسط بین شما و کرنل لینوکس را ایفا می کند و ابزارهای بسیار قدرتمندی را برای بهره گیری از قدرت کرنل لینوکس در اختیار شما قرار می دهد.

امروزه استفاده از بردهایی با اندازه کوچک و قابلیت های فراوان، روز به روز در حال گسترش می باشد که یکی از دلایل آن، سادگی ارتباط این برد با انواع ماژول ها و سنسورهای مختلف می باشد، همچنین به دلیل قیمت ناچیز بردهای مذکور، علاقه مندان بسیار زیادی پیدا کرده است. یکی از معروف ترین و محبوب ترین این بردها، بردهای آردوینو می باشند و بیشترین کاربرد بردهای مذکور، در صنعت روباتیک، هوشمند سازی، اتوماسیون، اینترنت اشیا و طرح های پژوهشی و تحقیقی است.

امروزه ربات ها به دلایل مختلفی اعم از: صنعتی، پزشکی، نظامی و… پرکاربرد و حائز اهمیت هستند. قدم اول برای طراحی ربات ها به منظور انجام یک هدف مشخص، شناخت فضای مفاصل، فضای کاری ربات و درجات آزادی آن است و همچنین برای کنترل ربات به منظور پوشش هدف مورد نظر در قدم اول نیاز است تا میزان حرکت مفاصل تعیین گشته و بتوان فضای مفاصل ربات را به فضای کاری تبدیل کرد که این کار به کمک علم سینماتیک ربات صورت می گیرد. در این آموزش ضمن آشنایی با ربات و انواع آن، نحوه مدل سازی سینماتیکی و سینتیکی آن را فرا می گیرید و همچنین با الگوریتم های کنترلی مفید برای کنترل و بهینه سازی ربات ها آشنا می شوید.

امروزه، برد آردوینو یکی از محبوب ترین و پر استفاده ترین بردها به حساب می آید که یکی از دلایل آن، سادگی ارتباط این برد با انواع ماژول ها و تجهیزات دیگر می باشد؛ موتورهای پله ای (Step Motors) نیز در صنعت کاربرد فراوانی دارند به عنوان مثال، هد پرینترهای موجود مجهز به این نوع موتور می باشند که باعث می شود کاغذ را به آرامی داخل پرینتر حرکت داده و تصویر مورد نظر را بر روی کاغذ چاپ کند، یکی دیگر از موارد استفاده موتورهای پله ای، در رباتیک هستند که به عنوان دست ربات می تواند مورد استفاده قرار گیرد، با توجه به اینکه حرکت موتورهای پله ای بسیار دقیق بوده و در هر مرحله به اندازه ثابتی جا به جا می گردد، در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند.

در این آموزش ویدئویی، ابتدا مقدماتی از ربات ها آورده شده است تا با آن ها آشنایی پیدا کنیم. سپس، به آنالیز سینماتیک ربات که مطالعه و بررسی هندسه حرکت ربات بدون در نظر گرفتن عوامل مسبب حرکت است، می پردازیم. در ادامه این آموزش، با موتورها و عوامل حرکت ربات کار می کنیم. برای حرکت ربات، محرک ها چه گشتاوری را باید تولید کنند؟ چگونه روش های مختلف کنترلی را بر روی ربات پیاده سازی می کنید و برای آن چه معادلاتی مورد نیاز است؟ در نتیجه، معادلات دینامیک ربات در این آموزش به کمک ما می آید. دینامیک روبات به بحث و مطالعه دلایل حرکت سیستم می انجامد. در نهایت نیز، برای ربات مسیری را طراحی می کنیم تا ربات را مجبور کنیم در مسیر ما قرار بگیرد.

در این آموزش، در ابتدا با چند نمونه از موتورهای صنعتی آشنا خواهیم شد. سپس به مبحث اندازه گیری موقعیت و سرعت موتور جریان مستقیم با استفاده از انکودر و سخت افزار آردوینو می پردازیم. در ادامه آموزش، انواع کنترلرها برای کنترل موقعیت و سرعت موتور معرفی خواهد شد و سیستم حلقه بسته در نرم افزار آردوینو به صورت عملی اجرا خواهد شد و در نهایت روش های فرمان دادن به موتور یعنی از طریق ارسال سیگنال آنالوگ، ارسال از طریق صفحه کلید و ارسال از طریق موبایل (بلوتوث موبایل) را ارائه خواهیم داد.

مکاترونیک تجمیع هم افزای مکانیک و الکترونیک با کامپیوتر یا کنترل در جهت بهبود تولید و فرایندها است. از این تعریف دو نتیجه به دست می آید: نخست آنکه سیستم های مکاترونیکی به ضرورت تلفیق مکانیک و الکترونیک است؛ ولی کامپیوتر و کنترل از اجزای ضروری آن محسوب نمی شوند. دوم مهندس مکاترونیک یک مهندس تجمیع کننده است. به این معنی که در هنگام طراحی و ساخت یک سیستم، طرح اولیه باید توسط مهندس مکاترونیک که آگاهی لازم از شاخه های مختلف را دارد ارائه گردد. به همین دلیل دانستن مکاترونیک برای مهندسی لازم است. با توجه به حجم کاری مهندسی در صنعت و نداشتن زمان لازم برای حضور در کلاس، استفاده از آموزش های تصویری یک راه کار برای این مشکل است. فرادرس از بهترین راه های آموزش تصویری با کیفیت است.

به منظور کنترل و یافتن مکان ربات لازم است معادلات لازم برای ارتباط بین عملگرها و اتصالات به دست آید. به کمک سینماتیک مستقیم با استفاده از موقعیت عملگرها می توان مکان ربات را پیدا کرد و به کمک سینماتیک معکوس با داشتن موقعیت ربات، می توان موقعیت عملگرها را به دست آورد.

علم طراحی، ساخت و راه اندازی ماشین ها به گونه ای که جایگزین انسان ها شوند، رباتیک نام دارد. ربات ها انواع مختلفی دارند و به نوع برنامه ای که به آن ها داده می شود، کارها و حرکات متفاوتی انجام می دهند. بیشتر ربات ها امروزه در کارخانه ها و مراکز صنعتی برای ساخت محصولاتی مانند: اتومبیل، الکترونیک و در سیارات دیگر مورد استفاده قرار می گیرند. هدف این فرادرس تلفیق برنامه نویسی اندروید با برنامه نویسی میکروکنترلر است که مخاطب کاملا با طراحی ربات های پیشرفته آشنا شود.

مکاترونیک تجمیع هم افزای مکانیک و الکترونیک با کامپیوتر یا کنترل در جهت بهبود تولید و فرایندها است. از این تعریف دو نتیجه به دست می آید: نخست آن که سیستم های مکاترونیکی به ضرورت تلفیق مکانیک و الکترونیک است ولی کامپیوتر و کنترل از اجزای ضروری آن محسوب نمی شوند. دوم این که مهندس مکاترونیک یک مهندس تجمیع کننده است به این معنی که در هنگام طراحی و ساخت یک سیستم، طرح اولیه باید توسط مهندس مکاترونیک که آگاهی لازم از شاخه های مختلف را دارد، ارائه گردد.

QCA، یک فناوری جایگزین است که روش نوینی برای محاسبه در سطح نانو ارائه می دهد. مدارهای کنونی که تحت فناوری CMOS ساخته می شوند، مساحت اشغالی زیاد و توان مصرفی بالاتری را نسبت به مدارهای تحت فناوری QCA دارند و به همین دلیل است که فناوری QCA با در نظر گرفتن موارد بیان شده، تحول بزرگی در حوزه مهندسی برق، کامپیوتر و نانوالکترونیک محسوب می شود. در این فرادرس تلاش شده است تا نکات با اهمیت جهت معرفی این فناوری و استفاده از نرم افزار آن با ذکر مثال های متعدد به دانشجو منتقل گردد. از آنجا که اطلاعات مناسب و کاملی از این فناوری به زبان فارسی قابل دستیابی نیست، می توان این آموزش را یکی کامل ترین آموزش های در دسترس به زبان فارسی دانست.

در این آموزش، هدف آشنایی با ربات LEGO EV3 و نحوه برنامه نویسی این ربات با استفاده از نرم افزار لب ویو (LabVIEW) است. پیش نیاز و لازمه یادگیری هر چه بهتر این آموزش، آشنایی مقدماتی با نرم افزار لب ویو است. با توجه به گستردگی نرم افزار لب ویو در پیاده سازی الگوریتم های یادگیری ماشین و پردازش تصویر و همچنین طراحی و پیاده سازی کنترلرهای مختلف، انتظار می رود که شخص پس از سپری کردن این آموزش توانایی طراحی و ساخت انواع ربات ها را داشته باشد تا در گام های بعدی با سپری کردن آموزش های دیگر توانایی اجرای انواع الگوریتم ها را بر روی ربات EV3 به دست آورد. در انتهای این آموزش با ارائه مثال عملی برای ساخت ربات EV3 و پیاده سازی یک کنترلر ساده PID بر روی این ربات، مقدمه ای برای ادامه این مسیر فراهم خواهد شد.

برای اینکه تولیدات صنعتی و از جمله تولیدات مکاترونیک ما قابل رقابت با تولیدات سایر کشورها باشد، ما باید توانایی و دانش فنی طراحی ماژول ها را نیز داشته باشیم. برای اجرایی کردن این هدف، راهکار این است که ما مانند کشورهای پیشرفته بر اصول پایه فیزیک و ریاضی تکیه کنیم و مراحل طراحی را قدم به قدم به پیش ببریم و در نتیجه به صورت اصولی به طراحی مکاترونیک و دانش فنی طراحی ماژول های پکپارچه مسلط شویم. در گام اول از آموزش مکاترونیک ما به طراحی قسمت مکاترونیک درب قطار مترو می پردازیم و این پروژه، قابل تعمیم به درب آسانسورها، درب های اتوماتیک و... نیز است.

در این فرادرس نخست به شناخت قطعات مورد نیاز برای ساخت ربات های ساده و برنامه پذیر پرداخته شده است. سپس در درس دوم  شناخت و توانایی طراحی و تحلیل ربات های ساده با استفاده از مدارات منطقی و در درس سوم، روش های استفاده از میکروکنترلرها را به مخاطبین آموزش می دهد.

ماژول SimScape Multibody یا همان SimMechanics اسبق، یکی از نقاط قوت و از پرکاربردترین امکانات نرم افزار متلب (MATLAB) است که به مهندسین اجازه می دهد تا با صرف زمان کوتاهی، دینامیک مکانیزم های خود را تحلیل و بررسی کنند. هدف از این فرادرس، آموختن طریقه دانلود و نصب افزونه های مورد نیاز برای انجام عملیات انتقال مدل از سالیدورکس به نسل دوم ماژول SimScape Multibody متلب است و این فرایند، از طریق انجام مثال عملی ربات سه درجه آزادی اسکارا (SCARA) آموزش داده می شود و حین آن، مخاطب با نکاتی در مورد طریقه شبیه سازی و کنترل سیستم های دینامیکی در متلب آشنا خواهد شد.

با رایج شدن روزافزون زبان برنامه نویسی Processing در قالب برنامه نویسی برای بوردهای آردوینو و فراگیر شدن این زبان در میان مهندسین رشته های مختلف، شرکت توسعه دهنده این زبان برنامه نویسی، نرم افزاری برای تطبیق هر چه بیشتر بوردهای آردوینو با محیط های رایانه ای، تحت عنوان Processing 3 ارائه داد. در این فرادرس ما قصد داریم تا با محوریت پروژه طراحی صفحه رادار، به مباحث پایه و اولیه این زبان برنامه نویسی جذاب بپردازیم. در واقع در این آموزش فرض می کنیم که اطلاعات رادار توسط پورت سریال برای ما فرستاده می شوند و ما قصد داریم که با طراحی یک محیط گرافیکی، این اطلاعات را به کاربر نمایش دهیم.

دانش رباتیک روز به روز در حال پیشرفته شدن و گسترش یافتن است و هر روزه برنامه ها و چالش های بیشتری در سیستم های رباتیکی به وجود می آید، اما شاید پیاده سازی این برنامه ها توسط ما، نیاز به وقت زیادی داشته باشد، اما اگر بتوانیم از برنامه های دیگران مخصوصا تیم های رباتیک دانشگاه های کشورهای دیگر استفاده کنیم، می توانیم همراه با تکنولوژی در این زمینه پیشرفت کنیم. هدف از این آموزش در مرحله اول، رعایت استانداردهای برنامه های رباتیک است که به کمک ROS می توانیم برنامه های ربات خود را در اختیار دیگران قرار داده و در مرحله دوم، از برنامه های دیگران در ربات خود استفاده کنیم. با استفاده از ROS و رعایت استانداردهای برنامه نویسی و نیز نوشتن برنامه های موثر می توانیم هر قابلیت مهمی را به ربات خود اضافه نماییم. 

در این آموزش از طریق حل مساله های مختلف، مبانی تحلیل و طراحی سیستم های کنترلی دیجیتال (گسسته - زمان) آموزش داده می شود. در درس یکم تبدیل z به عنوان یک ابزار اساسی که در درس های بعدی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، آموزش داده می شود. در درس دوم آنالیز سیستم های کنترلی در حوزه z ارائه می گردد. طراحی سیستم های کنترلی با تکنیک های رایج در درس سوم مورد بررسی قرار می گیرد. در درس چهارم یک رویکرد جدید و مدرن در فضای حالت برای آنالیز کنترل دیجیتال بحث می شود و در نهایت در درس پنجم، جایابی قطب و رویتگر حالت، آموزش داده می شوند.

در فرایند پیاده سازی یک پروژه با استفاده از شل اسکریپت (Shell Script) لینوکس، همانند تمام زبان های برنامه نویسی، مشکلات و خطاهایی پیش می آید که حل این مسائل جزو مباحث آموزشی آن زبان محسوب نمی شود. دانشجو در طول این آموزش با ساختار یک پروژه شل اسکریپت در لینوکس آشنا می شود و می تواند همین مدل از پروژه نویسی را برای پروژه های خود به کار ببرد. لازم به ذکر است که این مسائل قابلیت ارائه در مباحث آموزش شل اسکریپت را ندارد و باید در ضمن تولید یک پروژه بیان شود. در این فرادرس، از ساختارهای شل اسکریپت لینوکس مثل: حلقه ها، جریان های داده ای، شرایط و ابزارهای تصمیم گیری، کامندهای ویرایش متن، کوتینگ ها، اعداد و رشته ها برای نوشتن پروژه استفاده می شود.