مجموعه آموزش رباتیک (Robotics)

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 این فرادرس به صورت جامع و پروژه محور، برنامه نویسی برد رزبری پای با استفاده از زبان پایتون آموزش داده شده است، لازم به توضیح است این آموزش در ۳ درس آماده گردیده است که در درس اول، زبان محبوب پایتون به صورت جامع و کاربردی به صورت پروژه محور آموزش داده شده است و درس دوم، راه اندازی برد رزبری پای به صورت صفر تا صد آموزش داده شده است. سرانجام در درس سوم، برنامه نویسی قسمت های مختلف برد رزبری پای با پایتون آموزش داده شده است که برخی از آن ها عبارتند از: برنامه نویسی GPIO ها به صورت جامع، برنامه نویسی واحدهای داخلی رزبری پای، راه اندازی و برنامه نویسی برخی از سنسورها و ماژول های کاربردی مثل ماژول مسافت سنج، سنسورهای کاربردی، راه اندازی انواع موتورها، برنامه نویسی واحد PWM و… .

آردوینو (Arduino) و پایتون (Python) دو ابزار قدرتمند و کابردی در پروژه های صنعتی، پژوهشی و آموزشی هستند. آردوینو به دلیل سهولت برنامه نویسی و در دسترس بودن سخت افزارهای سازگار با آن و پایتون به دلیل جامعه آماری بالای برنامه نویسان و کاربرد گسترده آن، محبوبیت ویژه ای پیدا کرده اند. در این فرادرس، علاوه بر این که مهارت های آردوینو و پایتون خود را به سطح بالاتری ارتقا می دهید، تفاوت زبان های برنامه نویسی آن ها را نیز بهتر درک خواهید کرد و همچنین با نحوه برقراری ارتباط با پورت سریال توسط پایتون، راه اندازی ماژول های مختلف با آردوینو، ایجاد محیط های گرافیکی و واقعیت مجازی با پایتون نیز آشنا خواهید شد.

در این فرادرس نحوه استفاده از برد رزبری پای (Raspberry Pi) آموزش داده شده است. راه اندازی رزبری با استفاده از روش های مختلف بیان گردیده است، انواع ماژول ها و قطعات الکترونیکی مختلف با استفاده از رزبری پای راه اندازی شده است (مانند راه اندازی ماژول دوربین و تاچ LCD) لازم به توضیح است، این فرادرس در قالب ۲ درس به صورت کاملا پروژه محور و از سطح پایه تهیه و تدوین گردیده است و برای یادگیری این آموزش نیاز به پیش نیاز خاصی نمی باشد و برای دوستانی که به مباحث اینترنت اشیا (IOT) و هوشمند سازی علاقه مند هستند، توصیه می گردد این فرادرس را از دست ندهند.

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.

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.

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.

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.

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.

هدف از این آموزش، برقراری ارتباط با برنامه‌های تحت ROS (Robot Operating System) به صورت گرافیکی است. استفاده از گرافیک در بسیاری از مواقع باعث بالا رفتن درک انسان از اطلاعات داخل برنامه و افزایش سرعت برقراری ارتباط با برنامه‌ها می‌شود. این نوع ارتباطات گرافیکی می‌توانند به صورت ورودی و خروجی باشند، یعنی کاربر می‌تواند اطلاعات ورودی به برنامه‌ها را به صورت گرافیکی تعیین کرده و نیز می‌تواند اطلاعات تمامی قسمت‌های ربات را در خروجی مشاهده کند. همچنین می‌توان از ویژگی‌های گرافیکی برای شبیه‌سازی ربات‌های مختلف یا محیط‌های متفاوت استفاده کرد تا بتوان برنامه‌های ربات را بهتر توسعه داد.

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.