نام درس: اصول رباتیکز

(Fundamentals of Robotics)

توسط: دکتر آرمین سلیمی بدر

۱- هدف درس

رباتیک شاخه‌ای میان‌رشته‌ای است که ریشه در زمینه‌های علمی گوناگون شامل مهندسی کامپیوتر، مهندی مکانیک، مهندسی برق و الکترونیک، مهندسی کنترل، مهندسی هوش مصنوعی، علوم اعصاب، علوم شناختی و علوم اجتماعی دارد. هدف از ارائه‌ی این درس، ارائه‌ی مقدمه‌ای بر کلیات حیطه‌ی رباتیک و پوشش جنبه‌های مختلف این حوزه‌ی میان‌رشته‌ای، شامل پایه‌های طراحی، مدلسازی، مکان‌یابی، مسیریابی، کنترل ربات و راهبری آن با تأکید بر حیطه‌ ربات‌های متحرک خودگردان و استفاده از روش‌های هوش‌مصنوعی است.

این درس با هدف پوشش سه جنبه‌ حائز اهمیت ربات‌های متحرک و خودگردان (Autonomous Mobile Robots) شامل شیوه حرکت (Locomotion)، ادراک (Perception) و استدلال (Reasoning) به مروری بر مباحثی از جمله: ساختار و اجزاء ربات‌های صنعتی و متحرک، سینماتیک ربات، حسگرها و پردازش سیگنال‌های بینایی و غیربینایی، کنترل هوشمند ربات، سینماتیک و دینامیک ربات، مکان‌یابی و نقشه‌سازی (SLAM) و مسیریابی و راهبری ربات ارائه می‌پردازد.

۲- برخی پروژه‌های تعریف شده

رباتیک حوزه‌ای عملی بوده و هدف آن به عمل در آوردن دانش نظری است. از این روی، درس اصول رباتیکز با تمارین مبتنی بر برنامه‌نویسی و شبیه‌سازی ربات همراه است. برای شبیه‌سازی ربات، شبیه‌ساز‌های Webots و V-Rep پیشنهاد می‌شوند که در آن‌ها امکان ساخت ربات با جزئیات بالا وجود دارد. همچنین، نمونه‌های شبیه‌سازی‌‌شده ربات‌های مشهور متحرک و صنعتی نیز در این شبیه‌ساز در اختیار است. پروژه‌ی درسی، با موضوعی واحد برای کلیه‌ی دانشجویان تعریف می‌شود. هدف نهایی پروژه، شبیه‌سازی یک ربات متحرک با توانمندی راهبری مناسب از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر، ادغام حسگرها و اجتناب از موانع و SLAM خواهد  بود. در ادامه نمونه‌هایی از تمارین و پروژه‌های تعریف شده در این درس به‌طور خلاصه بیان می‌شوند:

۲-۱- حرکت ربات چرخدار هدایت تفاضلی در یک محیط شلوغ

هدف از این پروژه راهبری یک ربات چرخدار هدایت تفاضلی در یک محیط شلوغ است. لازم است ربات توانایی ادراک محیط از طریق حسگرهای فاصله (نظیر سونار)، مسیریابی، کنترل و حل مسئله سینماتیک معکوس را برای رسیدن به مقصد و اجتناب از موانع داشته باشد.

۲-۲- ناوبری ربات همه‌جهته چرخدار

هدف این پروژه پیاده‌سازی الگوریتم‌های ناوبری کور (نظیر الگوریتم‌های Bug) برای یک ربات چرخدار با چرخ‌های سوئدی است در یک محیط دارای موانع است. چالش اصلی این پروژه، استفاده از مجموعه محدودی از حسگرهای فاصله (سونار و لیزر) برای یافتن دیوار و موانع است. شکل زیر تصویری از محیط این پروژه را نمایش می‌دهد.

 

۲-۳- پروژه ربات امداد پرنده:

در این پروژه، هدف طراحی و پیاده‌سازی واحد راهبر یک ربات پرنده با هدف یافتن اشیاء خاص مختلف پراکنده در در یک محیط می‌باشد. لازم است ربات قابلیت برخواستن از نقطه شروع، مسیریابی، تولید مسیر، حفظ تعادل، کنترل حرکتی و اجتناب از موانع مناسب برای جابجایی در محیط را داشته باشد. همچنین لازم است یک عامل بینایی ماشین جهت تشخیص مجموعه‌ای از اشیاء خاص (به نمایندگی از مجروحان یک حادثه) برای ربات پیاده‌سازی شود. ربات با حرکت در محیط سعی در شناسایی اشیاء مورد نظر و حرکت به سمت آن‌ها و ارسال یک سیگنال مبتنی بر شناسایی شئ خواهد کرد.

 

۳- سرفصل درس

۳-۱- مقدمه‌

• تعریف عامل هوشمند و ربات
• آشنایی با اهداف رباتیک در حیطه‌های مختلف شامل صنعت، پزشکی، آموزش و غیره
• آشنایی با مفهوم ربات‌های متحرک (Mobile Robots)
• آشنایی با ربات‌های صنعتی (Manipulators)

۳-۲- مروری بر کلیات مسائل مهم رباتیک

• آشنایی با مفهوم طرح‌ریزی مسیر (Path Planning) برای ربات نقطه‌ای (Point Robot)
• آشنایی با مفهوم موقعیت‌یابی (Localization) برای ربات نقطه‌ای
• ادراک و حسگر برای ربات نقطه‌ای
• نقشه‌سازی برای ربات نقطه‌ای
• SLAM برای ربات نقطه‌ای

۳-۳- تحرک

• آشنایی با رویکردهای مختلف تحرک (Locomotion)، مزایا و معایب هر یک
  • چرخ، پا و سایر موارد (خزش، لغزیدن، پرواز، شنا و غیره)

۳-۴- سینماتیک ربات

• مفهوم سینماتیک و دینامیک
• تفاوت سینماتیک مستقیم و معکوس
• نگاهی به مفهوم ماتریس‌های دوران و سینماتیک مستقیم و معکوس در بازوها
• سینماتیک ربات متحرک
• تولید تراژکتوری و نگاهی به کلیت تئوری کنترل
  • آشنایی با کنترل حلقه‌باز و حلقه‌بسته
  • آشنایی با مفهوم پایداری
  • آشنایی با کنترلگر PID

۳-۵- ادراک ربات

• مفهوم ادراک (Perception) و حسگر (Sensor)
• انواع حسگرها
• مفاهیم و معیارهای ارزیابی حسگرها
• حسگرهای داخلی (Proprioceptive)
  • ژیروسکوپ، قطب‌نما و انکدر (مفهوم اودومتری (Odometry))
• حسگرهای تعیین فاصله
  • لیزر (Laser) و سونار (Sonar)
• دوربین و پردازش تصویر
  • نگاهی به برخی روش‌های پردازش تصویر اولیه نظیر استخراج لبه و قطعه‌بندی رنگ (Color segmentation)
  • مروری بر شبکه‌های عصبی با تمرکز بر شبکه‌های عصبی پیچشی (CNN)

۳-۶- موقعیت‌یابی ربات

• چالش‌های حسگرها، مفهوم عدم قطعیت و مفهوم ادغام حسگر
• موقعیت‌یابی مبتنی بر مدل و مبتنی بر رفتار
• انواع موقعیت‌یابی بر مبنای تعداد باور
• انواع روش‌های نمایش نقشه
• مفهوم landmark و beacon
• ادغام حسگرها
• رویکرد احتمالاتی تعیین موقعیت
  • مدل حسگر
  • قانون بیز
  • فیلتر کالمن
  • فیلتر ذره‌ای
• روال موقعیت‌یابی

۳-۷- راهبری ربات

• مفهوم طرح‌ریزی (مسیریابی) (Planning)
• رویکرد تجزیه سلولی (Cell decomposition)
• مرور الگوریتم‌های جستجوی آگاهانه و ناآگاهانه (A^*, BFS, DFS)
• الگوریتم Wavefront planner
• الگوریتم Potential Field
• اجتناب از اشیا (Obstacle Avoidance)
  • الگوریتم‌های Bug
  • الگوریتم Vector Field Histogram (VFH)
• یادگیری تقویتی با تمرکز بر روش‌های مبتنی بر ارزش نظیر Q-Learning