مشروع مادة الحاسب سلمى شريف خان

الإنسان الآلي ، أو الروبوت (بالإنجليزية: Robot) عبارة عن أداة ميكانيكية قادرة على القيام بفعاليات مبرمجة سلفا ويقوم الإنسان الآلي بإنجاز تلك الفعاليات إما بإيعاز وسيطرة مباشرة من الإنسان أو بإيعاز من برامج حاسوبية والفعاليات التي تبرمج الإنسان على أداءها عادة تكون فعاليات شاقة أو خطيرة مثل البحث عن الألغام والفضاء الخارجي وتنظيف الفضلات الناتجة في المفاعلات النووية . تم تقديم كلمة إنسان آلي لأول مرة في مسرحية الكاتب المسرحي التشيكي كارل كابك عام 1920 .وكان عنوان المسرحية وقتها رجال آليون عالميون . وهي تعني في اللغة التشيكية تعني العمل  الشاق رغم أن كارل هو أول من استعمل هذه الكلمة، لكن ليس من اخترعها، بل أخوه جوزيف الذي اشتقها مساعدة منه لأخيه من الكلمة التشيكية “Robota” والتي تعني السُخرة أو العمل الجبري . من هذا التاريخ بدأت هذه الكلمة تنتشر في الكتب وأفلامالخيال العلمي الأولى التي أعطت فكرة وتصور علمي عن هؤلاء الرجال الآليون الذين سيغزون العالم. وأعطت أفق كبير ووعود عظيمة للإنسان الأعجوبة الذي سيتدخل في أمور كثيرة وأهمها الصناعة .

وضع الكثير من الدراسات و التوقعات عن هذا الإنسان الآلي التي فشلت فيما بعد . و لكن بعد الكثير من وضع التصاميم الجيدة و الانتباه الجاد إلى الكثير من التفصيلات و الأمور الدقيقة ، نجح المهندسون في تقديم أنظمة آلية متنوعة للكثير من الصناعات المتوقعة في المستقبل القريب . و اليوم و بسبب التطور الهائل للحواسيب و الذكاء الإصطناعي و التقنيات و الهوس في تطوير البرامج الفضائية فنحن على حافة إنجاز كبير آخر في مجال علوم تصميم الروبوتات. إذ أن الإنسان الآلي يستطيع القيام بمهام  عديدة و يخصص لتحريك مواد ، أجزاء ،و أدوات أو ماكينات معينة عبر حركات مختلفة البرمجة لأداء عدد من المهام .

نظرة عامة للروبوت الآلي

هناك جدل حول التعريف الدقيق للإنسالة فلا يعتبر البعض السيارة أو الطائرة ذات التحكم عن بعد بمثابة إنسان آلي لعدم امتلاكها وسيلة التفكير وإتخاذ القرار بنفسها ويورد البعض مثالاً بأنه إذا كان باستطاعة الإنسان الآلي ان ينفذ برنامج معد سلفا بإبتعادها عن حاجز خطوتين إلى الوراء على سبيل المثال والاتجاه نحو اليمين أو اليسار و الاستمرار بالتقدم فإن هذا يمكن اعتباره ربوت حقيقي.[1] الفكرة هي أن الربوت الحقيقي حسب اعتقاد البعض يجب ان تمتلك ذكاء اصطناعي ولها القدرة على تمييز الأنماط والتعرف على النظم و الاستدلال والاستنتاج ومع التطور يبدو أن هناك ترتيباً طبقياً حتى في  الربوتات فهناك الربوت الثابتة العاملة وهناك المتحركة المرنة وهناك الطبقة الذكية الشبه مستقلة القادرة على التعلم .

هناك أنواع عديدة من الإنسان الآلي منها ما يستعمل في القطاع الصناعي والتي هي عبارة عن أجهزة أوتوماتيكية يمكن تطويعها و إعادة برمجتها ويستعمل لأغراض عديدة بإمكانها الحركة على ثلاثة محاور أو أكثر ويستعمل هذا النوع في الشركات الصناعية الكبرى لغرض لحم المعادن و الصباغة والكوي وإلتقاط ونقل الأجسام ومراقبة جودة أو صلاحية المنتج النهائي للمصنع كما يقوم بتجميع أجزاء السياراتفي المصانع. وهذه الإنسالات مبرمجة عادةً لتنفيذ مهامها بصورة سريعة و مكررة ودقيقة [2] وتم لاحقاً إضافة مايسمى الرؤية الحاسوبية (بالإنجليزية: Computer vision) لهذه الربوتات مما جعلها تتمتع بنوع من الاستقلالية والمرونة في تنفيذ المهام المبرمجة بقدرتها على فهم وتحليل الصور التي تستقبلها في حاسوب خاص مثبت في الربوت.

وهناك من أشكال الإنسان الآلي ما هو قادر على الحركة و القيادة ومنها الطائرة بدون طيار (الطيران الآلي) والطائرات ذات التحكم الذاتي التي تستعمل شبكات عصبونية اصطناعية مثلاً و تعتبر الروبوتان الذان أرسلتهما ناسا في عام 2004 إلى سطح المريخ من أشهر الانسالات المتحركة. وهناك من  الروبوتات ما هو قادر على إعادة تجميع نفسه بصورة شبه مستقلة على سبيل المثال تصغير حجمه للمرور خلال نفق ضيق وهذه الربوتات تحوي في نموذجها على عدة روابط مع وحدة المعالجة المركزيةو ومستقبلات الإيعزات و الذاكرة وهذه الانسالات قادرة على بعض الحركات الشبه مطاطية لإحتواءها على وحدة مرنة إما عن طريق تحويل طاقة الهواء المضغوط في إسطوانات إلى حركات خطية أو دورانية يتم الحركة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية وهناك أساليب متطورة أخرى عديدة ومنها أسلوب جهاز المرآة الدقيقة الرقمي (بالإنجليزية: Digital micromirror device) التي ظهرت لأول مرة في عام 1987 وكانت فكرتها قائمة على نصب عدة آلاف من المرايا الدقيقة والصغيرة جداً في الإنسالة لتتجاوب مع عنصر الصورة لإضافة مرونة أكثر في حركة وردة فعل الإنسالة[6].

هناك أيضاً أنواع من الروبوتات تقوم بالأعمال المنزلية، و تعلم الأطفال و تلعب الشطرنج. هذا النوع من الروبوتات يطلق عليها تسمية الإنسالة الاجتماعية (بالإنجليزية: Social robot) وهي تتميز بدرجة عالية من الاستقلالية ولا يمكن إطلاق مصطلح الربوت الاجتماعي على الأداة التي يتحكم بها الإنسان من بعيد ويجب على الروبوت الاجتماعي النجاح في اختبارين رئيسيين لتصنيفه على أنه روبوت اجتماعي:

• اختبار تورنج : وهو اختبار لمعرفة ما إذا كان يمكن تسمية النظام الانسالي بالنظام الذكي. وضع هذا الاختبار عالم الرياضيات البريطاني آلان تورنج (1912 – 19544) وهو عبارة عن حوار مع الربوت وإذا لم يستطع المختبر الجزم 1000% من أن رسالة الجواب كانت من الإنسان أو من الروبوت فإن الاختبار يعتبر ناجحاً و الروبوت ذكية.

• اختبار إسحاق أسيموف وهو مدى التزام الروبوت بما يسمى قوانين الانسان آلي (بالإنجليزية: laws of robotics) وهي
  • يجب ألا يتسبب الانسان آلي في حدوث أي أذى للإنسان البشري.
  • يجب أن يطيع أوامر الإنسان البشري إلا إذا تعارضت مع القانون الأول.
  • يجب أن يدافع عن نفسه إلا إذا تعارض مع القوانين الأول و الثاني.

نادراً ما تبنى الروبوتات في شكل إنسان بشري. و يمكن القول بأن الروبوت هي جهاز أو آلة يمكنها أن تحل محل الإنسان في بعض المواقف. و يتوقف شكلها الخارجي على المهمة التي صنعت من أجلها. إن الجسم البشري جهاز عضوي ذو قدرات عالية يستطيع القيام بالعديد من الوظائف. و يمكن لروبوت أن تقوم بمهام خاصة قد تثير السأم لدى الإنسان البشري، أو تستغرق وقتاً طويلاً جداً أو تمثل خطورة إذا مارسها البشر ، و من ثم فيتم تصنيع الإنسالة لأداء أعمال محدودة.

فكرة الانسان آلي في التاريخ القديم

يمكن أن ترجع جذور الانسان آلي الحديث ، إلى أجهزة آلية اخترعت في الماضي البعيد و أطلق عليها “الآلات ذاتية الحركة”. ففي عهد قدماء المصريين حوالي عام 1500 قبل الميلاد كان يوجد تمثال للملكممنون يصدرأصواتا جميلة في الصباح. و في اليونان – في القرن الرابع ق.م. – اخترع أركيتاسعالم الرياضيات ، حمامة آلية يمكنها الطيران. و في القرن الثالث قبل الميلاد ، اخترع ستيسيبيوسالعديد من الأجهزة الآلية و منها آلة موسيقية تعمل بالمياه و ساعة مائية. و لم تكن هذه أول ساعة  مائية في التاريخ ، فقد عرفها القدماء المصريون ، و لكن تميزت ساعة ستيسيبيوس بأنها مزودة بجهاز يجعل مستوى المياه ثابتا ، و هي تعمل بنفس طريقة الغرفة العائمة في كاربريتور السيارة الحديثة.

وكان هيرون الأسكندري الذي عاش حوالي 150 ميلادي مخترعا فذاً . فقد اخترع آلات تعمل بتدفق المياه ، و بالثقل و حتى بالبخار ، و من أهم اختراعاته آلة aeolipile التي تعتبر الشكل الأول للتوربين الذي يدار بقوة البخار ، كما صمم أيضا آلة ميكانيكية توزع المياه المقدسة ، و طائرا آليا يمكنه الطيران و الشرب و الغناء ، و مسرحا آليا ، و تمثالهرقل و هو يصارع التنين و الذي يمكنه تحريكه بتدفق المياه داخله. و شرح هيرون الاسكندري معظم هذه الأجهزة الآلية في كتابه automatopoieticaa و عبر القرون التالية ، ظهرت مخترعات رائعة في الشرق الأقصى و الأوسط ، في الصين ، و في الهند و في اليابان و في الجزيرة العربية. و في كتاب رسالة الجزري الذي يتضمن سردا للأجهزة الآلية التي اخترعها العرب –  وصفا لأحد هذه الأجهزة و التي أطلق عليها نافورة الطاووس التي كانت تستخدم لغسل الأيدي ، فتقدم المياه و الصابون و المنشقة آليا.وبسبب هذا الاختراع يطلق على الجزري “أبي الإنسان الآلي”.

تشريح الروبوت :

تشريح الروبوت
الجزء	الصورة	نبذة
المستشعرات		ويسمى Sensors يستعمل لمساعدة الروبوت لتحسس المؤثرات الخارجيةفالبعض منها قادر على تحسس الحرارة العالية مثل احتراق شمعة على بعد 2 متر.[13]
معالج		ويسمى Microcontrollers وهو بمثابة عقل الروبوت و بقدرته القيام بالعديد من الوظائف كتمييز الأنماط الخارجية ويقوم المعالج أيضا بتوجيه الروبوت. كما يقوم بالتعرف على الأشكال IdentifyFormm. أي باختصار هو الجزء المكلف بتطبيق الخوارزميات المختلفة التي يحتاجها الروبوت في تأدية مهمته. و يمكن أن يحتوي كل من الروبوتات على معالج خاص به أو أن يشتركوا كلهم في معالج مركزي يسير العديد من الروبوتات
متحكم المحرك		ويسمى Motor Controllers ويتراوح فولتياتها في الروبوتات الصغيرة من 4.5 فولت إلى 366 فولت وإذا إرتفعت الفولتية المتولدة عن هذا الحد فيجب  نصب أدوات تبريد في الروبوت.
المحرك		وهو الجزء المسؤول عن حركة الروبوت ويستعمل بعض المولدات تكنولوجيانموذخ النصف خطوة half step modee مما يساعد على الدقة العالية تختلف الطاقة المستعملة في تحريك الروبوت حسب النوع و الغرض فقد تكون طاقة هوائية أو الكترونية أو قوة الموائع.
أدوات الإتصال		و هي نقاط تبادل المعلومات بين الروبوت وعالمه الخارجي. ولبعضها قدرة للتعامل في ذبذبات تصل إلى 2.4 جيجاهرتز GHzz. و يمكن تبادل المعلومات لا سلكيا أو عن طريق أسلاك باستعمال بروتوكولات GPIB و RS232.
برمجيات		ويسمى Software وهي برامج ومنها وندوز 95 ، 98 ، XP للسيطرة والتحكم  بحركات الروبوت وإحداث سلسلة من الحركات المتناسقة.
بطاريات واداة شحن		ويسمى Batteries and Chargers وهي على الأغلب خلايا شمسيةمربوطة بمحولات للطاقة وشاحنة صغيرة لإعادة شحن البطارية .

لقد كان هدف العلماء اختراع انسان آلي يستطيع القيام بالأعمال التي يؤديها الإنسان البشري ، و بالتالي احلاله محل الإنسان في وظائف معينة و خاصة في مجال الصناعة.

و يتكون الروبوت من نظم الكترونية و أجهزة حساسة تناظر الجهاز العصبي و أعضاء الحس للإنسان  البشري أحيانا. و لبروبوت أيضا عقل الكتروني هو عبارة عن حاسبة الكترونية و بتطور استخدام الشرائح الألكترونية في الحاسبة أصبح من الممكن تجهيز الروبوت بعقل الكتروني بالغ القوة ، و من ثم فمن الممكن برمجته ليكون قادرا على أداء العمليات المعقدة. و في الواقع أن تطور هذا العقل الألكتروني قد فاق النظم الأخرى من أجهزة الانسالة ، و أصبح ذا كفاءة عالية في التشغيل. إن التخاطب مع الروبوت أمر صعب ، و لا بد من استخدام إحدى لغات الحاسبة الإلكترونية ، يستفيد علماء الروبوت في تجاربهم من دراسة أوجه التشابة بين نظم الاتصال و التحكم في الإنسان البشري و نظيرها في الآلة. و يعرف هذا الفرع من العلم بإسم السايبرناتيكا (بالإنجليزية: cybernetics)، وقد اشتق هذه الكلمة لاول مرة العالم الرياضي الأمريكي نوربرت فاينر في كتاب نشر له عام 1948.

عندما يكون مطلوبا صناعة روبوتات  شبيه للإنسان العادي فإنه يمكن توظيف قواعد الالكترونيات البيولوجية (بالإنجليزية: biological electronics) (نبضات مصدرها عضوي حيوي). و باختصار بيونيك(بالإنجليزية: bionics) فمثلا تستخدم أذرع و أيدي صناعية و لكنها حساسة و تستجيب في حركتها إلى النبضات الكهربائية الدقيقة و التي تنشأ عن عضلات الجسم البشري العادية و كذلك أيضا أجزاء غير متحركة مثل العيون البلاستيكيةو الشرايين الصناعية و مفاصل الورك المصنوعة من المعدن أو الخزف.

و يعكف العلماء على اختراع المزيد من الأطراف و الأجزاء الصناعية التعويضية للجسم البشري مثل ضابطة النبض التي تعمل بالنظائر المشعة و تستخدم في تقوية القلب البشري.

الأنظمة البصرية في الروبوت

في الروبوتات القديمة كان العين عبارة عن كاميرا تنقل المعلومات المرئية إلى البرمجيات لغرض تحليلها وكان هناك صعوبة في هذا النموذج حيث كانت الانسالة يجد صعوبة في التمييز فيما إذا كان يتحرك بخطوات نحو الأمام اويتحرك بشكل دائري في حلقة مفرغة وكان سبب هذه الصعوبة هو الاعتماد على كاميرا (عين) واحدة . منذ عام 2003 يعمل الباحثون على الاعتماد على أكثر من كاميرا واحدة  ويشبه الباحثون الأسلوب القديم للرؤية في الانسالة بالنظر من خلال إسطوانة ضيقة يصعب فيها رؤية شمولية وخاصة عند الإلتفات والحل حسب الباحثين في جامعة ميريلاند في الولايات المتحدة هو نصب عين متطورة في مؤخرة الجزء العلوي من الروبوت وهذا العين عبارة عن 99 كاميرات رقمية بجم كرة قدم مصغرة وتم تسميتها بعين أرجوس (بالإنكليزية: Argus eye) تيمنا بالإله اليوناني الذي كان جسمه مغطى بمئات العيون. يختلف نظم العين في الروبوت حسب نوع الروبوت ففي الروبوتات البسيطة يكون نموذج العين عبارة عن مقاومة كهربائية إلى كاميرات فيديو فائقة الدقة مزودة ببرمجيات معالجة الضوء (بالإنكليزية: light detection and processing systems) في الروبوتات المتطورة ويفضل العلماء محاكاة نموذج عين الحشرات لصناعة وتصميم الأعين لروبوتات  وذلك لصغر حجم الدماغ و مركز معالجة المرئيات في عقل الحشرات.^[18] يحوي سبيرت Spirit الموجود على سطح المريخ على كاميرابانورامية (بالإنكليزية: Pancam) بإستطاعتها الإلتفات 360 درجة ونقل صورة شمولية للسطح المحيط بالانسالة يبلغ وزن هذه الكاميرا 2700 غرام وحجمها بقدر قبضة اليد وبإستطاعتها إنتاج صور يبلغ مقدار عنصر الصورة فيها إلى 24,000 بكسل.

لغة الروبوتات

نظام تمييز وتحليل الأصوات المسموعة في الروبوت عبارة عن تحويل إشارات صوتية يتم إلتقاطها بواسطة ميكروفون إلى مجموعة من الكلمات المكتوبة المفهومة لروبوت والمخزونة في برمجيات الروبوات التي تقوم بتحليل ومحاكاة فهم اللغات الطبيعية ويطلق على هذه العملية معالجة اللغات الطبيعيةوهناك العديد من التقنيات المستخدمة في تمييز وتحليل الأصوات منها الشبكات العصبونية الاصطناعيةو شبكات عصبونية أمامية التغذية خلفية النقل و تحويل فوريي السريع و الشبكات العصبونية . يوجد هناك برمجيات تمييز المحادثة (بالإنجليزية: Speech Recognition Software) ونموذج العتاد الصلب لتمييز المحادثة (بالإنجليزية: Speech Recognition Hardwarew Module) وتعتبر الأولى أكثر تطورا من الثانية ولكنها متوفرة للغات محدودة.

على سبيل المثال عندما يصدر إيعاز إلى الروبوت بالذهاب إلى غرفة معينة كالمطبخ مثلا فإن الروبوت سوف يلتقط كلمة المطبخ مع كل البيانات المتعلقة بكلمة المطبخ من ناحية الوظيفة و الأجواء المتعلقة بالكلمة والمخزونة في عتاد الحاسوب وعندما يعطى إيعاز غير مفهوم أو إيعاز غير منطقي كإختراق جدار مثلا فإن الروبوت  ومن خلال عملية التغذية الراجعة حسب منظور علم السيبرنيتيك سوف يرسل إيعازا  جوابيا مضمونه إما ان الإيعاز غير مفهوم أو غير منطقي . في الثمانينيات كان الباحثون يعملون بإيعزات مكونة من جملة أو جملتين مثل “تحرك” ، “إلتفت يمينا” ولكن بدأ التركيز مؤخرا على جمل طويلة ومعقدة مشابهة لأساليب التحدث في الإنسان.

المستشعرات الانسالية

المستشعرات هي نظم حسية. يقوم المستشعر بإلتقاط نمط معين من البيانات التي يجب تحليلها بواسطة البرمجيات لإنتاج ردة الفعل المناسبة و المبرمجة في الروبوت وفيما يلي بعض المستشعرات  التي لاتتوفر كلها في جميع أنواع الانسالات:

المستشعر	نموذج	الوظيفة
جيروسكوب		يقيس دوران المركز حول المحور ومدى انحرافه عنه.
نظام التموضع العالمي		يستلم إشارات من الأقمار الصناعية وغرضها تحديد البقعة الجغرافية التي تتتواجد  بها الروبوت.
مستشعر الليزر		يستخدم الليزر لقياس البعد عن جسم معين لغرض الاستدلال على الحواجز و  العوائق.
مستشعر اللمس		الكشف عن اتصال الانسالة بجسم خارجي كحائط وجسم داخلي كذراع اللروبوت ويستند هذا المستشعر على تغير الضغط المسلط.
مستشعر الضوء		يقيس مستوى الإضاءة من 0% (معتم جدا) إلى 100% (مضيئ جدا) باعتمادها على ترانزستور ضوئي. كما يمكن أن يتم استعمال مستشعرات للطيف الغير  المرئي من الضوء كالأشعة ما الحمراء.

المؤثرات في الروبوت

يحتوي أذرعت الروبوت على نظام يقوم بعملية التغذية الراجعة (بالإنجليزية: feedback-driven connection) بين الإيعاز الحسي و ردة الفعل الناتجة من ميكانيكيات الإستجابة الآلية التي يقوم بتنظيمها وحدة المعالجة المركزية كاستجابة للإيعاز المرسل من قبل المستشعرات. يختلف عدد ونوع المفاصل في ذراع الروبوات حسب الغرض ويعتبر المفاصل الدورانية rotary و الخطية linearr من أكثر الأنواع شيوعا . في الروبوت المتطورة و المتخصصة بحقل الفضاء الخارجي يحوي الذراع على نظام تطويع ذو تحكم بعيد (بالإنجليزية: Remote Manipulator System) وتقوم بإلتقاط ونقل أدوات ومعدات ، تم استعمالها لأول مرة عام 1981 وتم تطويرها و التركيز عليها بعد حادثة تحطم مركبة الفضاء كولومبيا لغرض برمجة الذراع للقيام بأعمال الصيانة والتصليح.^[22] يستخدم ذراع الانسالة في مجال الطب أيضا وخاصة الجراحة وفي يونيو 20066 قام ذراع انسالي بأول عملية جراحية كاملة بدون اية مساعدة في مستشفى مدينة بوسطن وإستغرقت عملية القلب لعلاج إرتجاف الأذينين 500 دقيقة على مريض عمره 34 سنة ^[23]. هناك محاولات لصنع مستشعرات لمسية بالغة الدقة تتمكن من قراءة الكتابات البارزة مثل الكتابات على العملات المعدنية بمجرد اللمس ^[24] وهناك محاولات لتصنيع جلد صناعي في الولايات المتحدة ولكن المشروع لايزال في الأطوار التمهيدية.^[25]

إن محاولة إنتاج جهاز يؤدي عمل الذراع البشرية ، لهو أمر بالغ الصعوبة ، إن أعقد جهاز يشبه الذراع البشرية يؤدي فقط من 10 إلى 20 حركة مستقلة ، بينما تؤدي الذراع البشرية حوالي 40 حركة مستقلة. و تتميز النماذج المتقدمة من الانسالة بأن أصابع يدها مرنة و تحتوي على أجهزة إحساس بحيث تدرك ما تلمسه ، أما البعض الآخر فيتوافق مع عيون الكترونية حتى يمكن أن يعمل مستقلا كاليد  البشرية. فاليد البشرية توجه إلى هدفها لا شعوريا وفق ما تراه العين. و يمكن بسهولة أن نجعل الانسالة يتحرك بوضعه فوق العجلات ، و لكن قد يحدث هذا إذا أردنا أن نحركه فوق سطح أملس ، أما إذا كان السطح وعرا فلا تصلح هذه الطريقة.