رباتیک شاخه ای از مهندسی و علوم کامپیوتر است که شامل ایده، طراحی، ساخت و بهره برداری از ربات ها می شود. هدف از رشته رباتیک ایجاد ماشین‌های هوشمندی است که می‌توانند به روش‌های مختلف به انسان کمک کنند. رباتیک می تواند اشکال مختلفی داشته باشد. یک ربات ممکن است شبیه یک انسان یا به شکل یک برنامه کاربردی رباتیک باشد، مانند اتوماسیون فرآیند رباتیک، که شبیه سازی نحوه تعامل انسان با نرم افزار برای انجام وظایف تکراری و مبتنی بر قوانین است. در حالی که زمینه رباتیک و اکتشاف کاربردهای بالقوه و عملکرد روبات‌ها در قرن بیست و یکم رشد قابل توجهی داشته است، این ایده مطمئناً جدید نیست.
تاریخچه رباتیک
اصطلاح رباتیک پسوندی از کلمه ربات است. یکی از اولین استفاده‌های آن از نویسنده چک، کارل چاپک بود که در نمایشنامه‌اش در سال 1920 با نام ربات‌های جهانی راسوم، از این کلمه استفاده کرد.
با این حال، در دهه 1940، فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد، نویسنده داستان های علمی تخیلی، ایزاک آسیموف را به عنوان اولین فردی که این اصطلاح را به کار برد، معرفی کرد. در داستان آسیموف، او سه اصل را برای هدایت رفتار روبات‌های خودران و ماشین‌های هوشمند پیشنهاد کرد:
- ربات ها هرگز نباید به انسان آسیب برسانند.
- ربات ها باید دستورالعمل های انسان ها را بدون نقض قانون 1 دنبال کنند.
- ربات ها باید بدون نقض قوانین دیگر از خود محافظت کنند.
سه قانون رباتیک او تا به امروز باقی مانده است. با این حال، تا چند دهه بعد، در سال 1961، اولین ربات قابل برنامه ریزی – به نام Unimate، برگرفته از اتوماسیون جهانی بر اساس طرح هایی از دهه 50 برای جابجایی قطعات فلزی سوزان از یک قالب ساخته شد.
ماشین ریخته گری ربات مؤسسه تحقیقاتی استنفورد به نام Shakey در سال 1966 به عنوان اولین ربات متحرک، به لطف نرم افزار و سخت افزاری که به آن امکان می داد محیط را حس و درک کند، البته با ظرفیت محدود، از این روش پیروی کرد.
برنامه های کاربردی رباتیک
امروزه از ربات های صنعتی و همچنین بسیاری از انواع دیگر ربات ها برای انجام کارهای تکراری استفاده می شود. آنها می توانند به شکل یک بازوی رباتیک، یک ربات مشارکتی (cobot)، یک اسکلت بیرونی رباتیک یا روبات های انسان نما سنتی باشند.
ربات های صنعتی و بازوهای ربات توسط تولید کنندگان و انبارها استفاده می شود، مانند آنهایی که متعلق به آمازون و Best Buy هستند.
برای عملکرد، ترکیبی از برنامه‌نویسی کامپیوتری و الگوریتم‌ها، یک دستکاری‌کننده کنترل‌شده از راه دور، محرک‌ها، سیستم‌های کنترل – عمل، پردازش و ادراک – حسگرهای بلادرنگ و عنصری از اتوماسیون به اطلاع رسانی به آنچه که یک روبات یا سیستم رباتیک انجام می‌دهد، کمک می‌کند.
کاربردهای رباتیک در بخش های مختلف
- لوازم الکترونیکی خانگی
با استفاده از رباتیک می توان جاروبرقی ها و ماشین های چمن زنی را طوری برنامه ریزی کرد که به طور خودکار وظایف را بدون دخالت انسان انجام دهند.
مانیتورینگ خانه شامل انواع خاصی از ربات‌ها می‌شود که می‌توانند مصرف انرژی خانه را نظارت کنند یا خدمات نظارت بر امنیت خانه را ارائه دهند، مانند Amazon Astro.
- هوش مصنوعی
رباتیک به طور گسترده در فرآیندهای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (ML) به ویژه برای تشخیص اشیا، پردازش زبان طبیعی، نگهداری پیش بینی و اتوماسیون فرآیند استفاده می شود.
- علم داده
حوزه علم داده برای انجام وظایفی از جمله تمیز کردن داده ها، اتوماسیون داده ها، تجزیه و تحلیل داده ها و تشخیص ناهنجاری ها به رباتیک متکی است.
- مجری قانون و نظامی
هم نیروهای مجری قانون و هم ارتش به شدت به رباتیک متکی هستند، زیرا می توان از آن برای ماموریت های نظارتی و شناسایی استفاده کرد. همچنین از رباتیک برای بهبود تحرک سربازان در میدان جنگ استفاده می شود.
- مهندسی مکانیک
رباتیک به طور گسترده در عملیات تولیدی مانند بازرسی خطوط لوله برای خوردگی و آزمایش یکپارچگی ساختاری ساختمان ها استفاده می شود.
- مکاترونیک
رباتیک به توسعه کارخانه های هوشمند، دستگاه های جراحی با کمک رباتیک و وسایل نقلیه خودران کمک می کند.
- فناوری نانو
رباتیک به طور گسترده در ساخت سیستم های میکروالکترومکانیکی استفاده می شود، که فرآیندی است که برای ایجاد سیستم های یکپارچه کوچک استفاده می شود.
- مهندسی زیستی و مراقبت های بهداشتی
ربات‌های جراحی، ربات‌های کمکی، ربات‌های آزمایشگاهی و ربات‌های پزشکی از راه دور همگی نمونه‌هایی از رباتیک هستند که در زمینه‌های بهداشت و مهندسی زیستی استفاده می‌شوند.
- هوافضا
از رباتیک می توان برای حفاری، رنگ آمیزی، پوشش، بازرسی و نگهداری اجزای هواپیما استفاده کرد.
انواع رباتیک
ربات ها برای انجام وظایف خاص و عملکرد در محیط های مختلف طراحی شده اند. در زیر به برخی از انواع رایج ربات ها که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند اشاره شده است.
- ربات های صنعتی
این ربات‌های بزرگ قابل برنامه‌ریزی که اغلب در تنظیمات تولید و انبار استفاده می‌شوند، زنجیره تامین را با انجام کارهایی مانند جوشکاری، رنگ‌آمیزی، مونتاژ و جابجایی مواد تغییر می‌دهند.
- روبات های خدماتی
این ربات ها در زمینه های مختلف در سناریوهای مختلف مانند کارهای خانگی، مهمان نوازی، خرده فروشی و مراقبت های بهداشتی استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به ربات های تمیز کننده، ربات های سرگرم کننده و ربات های کمک شخصی اشاره کرد.
- ربات های پزشکی
این ربات ها به روش های جراحی، توانبخشی و تشخیص در محیط های مراقبت های بهداشتی کمک می کنند. سیستم های جراحی رباتیک، اسکلت های بیرونی و اندام های مصنوعی چند نمونه از ربات های پزشکی هستند.
- وسایل نقلیه خودران
این ربات ها عمدتاً برای اهداف حمل و نقل استفاده می شوند و می توانند شامل اتومبیل های خودران، هواپیماهای بدون سرنشین و ربات های تحویل خودکار باشند. آنها با استفاده از حسگرهای پیشرفته و الگوریتم های هوش مصنوعی هدایت می شوند و تصمیم می گیرند.
- روبات های انسان نما
این ربات ها طوری برنامه ریزی شده اند که حرکات و اعمال انسان را تقلید کنند. آنها شبیه انسان هستند و در تحقیقات، سرگرمی و تعاملات انسان و ربات به کار گرفته می شوند.
- کوبات‌ها
برخلاف اکثر انواع دیگر ربات‌ها که وظایف خود را به تنهایی یا در محیط‌های کاری کاملاً مجزا انجام می‌دهند، کوبات‌ها می‌توانند محل کار خود را با کارکنان انسانی به اشتراک بگذارند و آنها را قادر می‌سازد تا با بهره‌وری بیشتری کار کنند. آنها معمولاً برای حذف کارهای پرهزینه، خطرناک یا وقت گیر از جریان های کاری معمول استفاده می شوند. کوبات ها گاهی اوقات می توانند حرکت انسان را تشخیص دهند و به آن پاسخ دهند.
- ربات های کشاورزی
از این روبات ها در کشاورزی استفاده شده که می توانند کاشت، برداشت، سموم دفع آفات و سلامت محصول را بررسی کنند.
- ربات های اکتشافی و فضایی
این ربات ها در ماموریت های کاوش در فضا و همچنین در مناطق سخت روی زمین استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به روبات های اکتشافی زیر آب و مریخ نوردهایی اشاره کرد که در سفرهای مریخ استفاده می شوند.
- روبات های دفاعی و نظامی
این روبات ها به وظایف و عملیات نظامی از جمله نظارت، خنثی سازی بمب و ماموریت های جستجو و نجات کمک می کنند. آنها به طور خاص برای کار در زمین های ناشناخته طراحی شده اند.
- ربات های آموزشی
این ربات ها برای آموزش افراد در ارتباط با رباتیک، برنامه نویسی و حل مسئله ساخته شده اند. کیت‌ها و پلتفرم‌ها برای یادگیری عملی در دانشگاه نمونه‌های متداول ربات‌های آموزشی هستند.
- ربات های سرگرمی
این ربات ها که برای مقاصد سرگرمی ساخته شده اند، به شکل حیوانات خانگی رباتیک، همراهان انسان نما و اسباب بازی های تعاملی هستند.
یادگیری ماشین در رباتیک
یادگیری ماشین و رباتیک در زمینه ای به نام یادگیری ربات تلاقی می کنند. یادگیری ربات مطالعه تکنیک هایی است که ربات را قادر می سازد دانش یا مهارت های جدیدی را از طریق الگوریتم های ML کسب کند.
برخی از کاربردهایی که توسط یادگیری ربات مورد بررسی قرار گرفته اند عبارتند از: گرفتن اشیا، دسته بندی اشیا و حتی تعامل زبانی با همتایان انسانی. یادگیری می تواند از طریق خودکاوی یا راهنمایی یک اپراتور انسانی اتفاق بیفتد.
برای یادگیری، روبات های هوشمند باید حقایق را از طریق ورودی یا حسگرهای انسانی جمع آوری کنند. سپس، واحد پردازش ربات، داده‌های تازه به‌دست‌آمده را با اطلاعات ذخیره‌شده قبلی مقایسه می‌کند تا بر اساس داده‌هایی که به دست آورده، بهترین اقدام را پیش‌بینی کند. با این حال، درک این نکته مهم است که یک ربات تنها می تواند مشکلاتی را حل کند که برای حل آنها ساخته شده و توانایی تحلیل کلی ندارد.
چند نمونه از کاربردهای فعلی یادگیری ماشین در رباتیک عبارتند از:
- بینایی کامپیوتر
ربات ها می توانند با کمک بینایی ماشین که از الگوریتم ها و حسگرهای ML استفاده می کند، محیط خود را درک، شناسایی و هدایت کنند. بینایی کامپیوتر در طیف وسیعی از تنظیمات، از جمله رویه‌های ساخت، مانند بازرسی مواد و تشخیص الگو و امضا استفاده می‌شود.
- یادگیری خود نظارتی
با استفاده از مجموعه‌های بزرگی از داده‌ها، می‌توان به ربات‌ها آموزش داد که وظایفی را بدون آموزش خاصی برای انجام آن کار، مانند شبکه‌های عصبی، انجام دهند. می توان از یادگیری خود نظارتی برای افزایش توانایی روبات ها برای سازگاری با محیط های متغیر استفاده کرد.
- یادگیری تقلیدی
این نوع یادگیری مستلزم آموزش ربات ها برای تکرار رفتار انسان با نشان دادن اقدامات مطلوب به آنها است. این می تواند برای بهبود سرعت و دقت رویه های خودکار استفاده شود.
- رباتیک کمکی
از یادگیری ماشینی می توان برای ساخت دستگاه های رباتیکی استفاده کرد که به افراد در انجام کارهای روزمره مانند تحرک و وظایف خانگی کمک می کند. به عنوان مثال، بازوهای روباتی روی صندلی چرخدار می توانند استقلال بیشتری را برای افراد دارای تحرک محدود در اندام فوقانی خود ارائه دهند.
- یادگیری تقویتی
این امر مستلزم آموزش به روبات‌ها است که چگونه وظایف چالش برانگیز را از طریق استفاده از تکنیک‌های آزمون و خطا انجام دهند تا سیستم‌های رباتیک مؤثرتر و کارآمدتر شوند.
مزایا رباتیک
سیستم های رباتیک در بسیاری از صنایع مورد علاقه هستند زیرا می توانند دقت را افزایش، هزینه ها را کاهش و ایمنی را برای انسان ها افزایش دهند.
مزایای رایج رباتیک شامل موارد زیر است:
ایمنی
مسلماً ایمنی یکی از بزرگترین مزایای رباتیک است، زیرا بسیاری از محیط‌های خطرناک یا ناسالم دیگر نیازی به عنصر انسانی ندارند. به عنوان مثال می توان به صنعت هسته ای، فضا، دفاع و تعمیر و نگهداری اشاره کرد. با استفاده از روبات‌ها یا سیستم‌های رباتیک، کارگران می‌توانند از قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی خطرناک اجتناب کنند و حتی خطرات سلامت روانی و ارگونومیکی را محدود کنند.
افزایش بهره وری و صرفه جویی در هزینه
ربات ها مانند انسان ها به آسانی خسته یا فرسوده نمی شوند. آنها می توانند به طور مداوم بدون وقفه در حین انجام کارهای تکراری کار کنند، که باعث افزایش بهره وری می شود. همچنین با خودکار کردن کارهای تکراری، روبات ها می توانند هزینه های نیروی کار را کاهش دهند.
دقت و انعطاف پذیری
ربات ها می توانند وظایف دقیق را با ثبات و دقت بیشتری نسبت به انسان انجام دهند که این امر خطر خطاها و ناهماهنگی ها را از بین می برد. همچنین ربات ها را می توان برای انجام کارهای مختلف برنامه ریزی و به راحتی با موارد استفاده جدید سازگار کرد.
معایب رباتیک
با این حال، علیرغم مزایای بسیار، رباتیک دارای معایبی نیز است:
تناسب کار
برخی وظایف به سادگی برای انسان ها مناسب تر هستند – برای مثال، مشاغلی که به خلاقیت، سازگاری و مهارت های تصمیم گیری حیاتی نیاز دارند.
مشکلات اقتصادی
از آنجایی که ربات‌ها می‌توانند اکثر کارهایی را که انسانها انجام می‌دهند با دقت و سرعت بیشتری انجام دهند، همیشه این خطر بالقوه وجود دارد که در نهایت جایگزین مشاغل انسانی شوند.
هزینه و انرژی بالا
اکثر سیستم های رباتیک هزینه اولیه بالایی داشته و تعمیر و نگهداری آنها نیز شامل صرف هزینه های گزاف می شود. همچنین ربات ها انرژی زیادی برای کار کردن مصرف می کنند که این امر هم موجب افزایش هزینه ها و هدر رفت منابع می شود.
افزایش وابستگی
اتکای بیش از حد به روبات ها می تواند منجر به کاهش استعدادهای انسانی و توانایی های حل مسئله و همچنین افزایش وابستگی به فناوری شود.
خطرات امنیتی
همیشه خطر هک شدن یا ربوده شدن دستگاه های رباتیک وجود دارد، به خصوص اگر برای اهداف دفاعی و امنیتی استفاده شوند.
آینده رباتیک
با پیشرفت فناوری‌های هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و حسگرها، روبات‌ها کارآمدتر، انعطاف‌پذیرتر و مستقل‌تر شده، به گونه ای که پیش‌بینی می‌شود در آینده نقش مهم تری در صنایع و کاربردهای مختلف ایفا کنند. یک مطالعه توسط Spherical Insights and Consulting تخمین زده است که اندازه بازار جهانی رباتیک از 25.82 میلیارد دلار در سال 2022 به 115.88 میلیارد دلار تا سال 2032 افزایش خواهد یافت.
با این حال، نگرانی‌های احتمالی در مورد از دست دادن شغل مرتبط با پذیرش تصاعدی رباتیک در صنایع مختلف وجود دارد. بر اساس گزارش Oxford Economics تا سال 2030، حدود 20 میلیون شغل تولیدی ممکن است به دست ربات‌ها از بین برود. از طرف دیگر، ربات‌ها احتمالاً فرصت‌های حرفه‌ای جدیدی را علیرغم احتمال از دست دادن شغل در زمینه‌هایی مانند برنامه‌نویسی و نگهداری ایجاد می‌کنند.
کلام پایانی
رباتیک امروزه از صنایع گرفته تا زندگی روزمره انسان ها را در بر گرفته است. چرا که ربات‌ها به انجام فعالیت‌های تکراری و پیچیده کمک کرده و موجب افزایش کارایی و دقت فرآیندها می‌شوند. سازمان های تولیدی از رباتیک و هوش مصنوعی برای بهبود عملیات و افزایش بهره وری استفاده می کنند، چرا که استفاده از ربات‌ها در فعالیت‌های خطرناک، مانند کارهای صنعتی و ساختمانی، به افزایش ایمنی کارگران کمک می‌کند. در پایان باید به این نکته اشاره کرد که استفاده از رباتیک در صنایع و سازمان های مختلف باید با توجه به بررسی های دقیق صورت گرفته توسط کارشناسان نسبت به نیازهای آن صنعت یا سازمان باشد تا بتواند موجب بهبود کیفیت محصولات و خدمات آنها شود.