در بسیاری از سامانه‌های رباتیکی مدرن، شرایط کاری سیستم در حین عملکرد دائماً تغییر می‌کند. این تغییرات می‌تواند شامل تعویض ابزارها، تغییر چیدمان محیط کاری، اضافه شدن وظایف جدید یا حتی تغییر ساختار مکانیکی ربات باشد. در چنین شرایطی، توسعه‌دهندگان نیازمند معماری نرم‌افزاری منعطفی هستند که بدون توقف سیستم و بدون نیاز به بازسازی کامل کدها، امکان اعمال تغییرات را فراهم کند. یکی از نمونه‌های موفق این رویکرد، پروژه‌ای از شرکت MinMaxMedical در فرانسه است که در حوزه رباتیک جراحی فعالیت می‌کند.
این شرکت با استفاده از Robotics System Toolbox™ در کنار Simulink®، Stateflow® و Embedded Coder® توانسته سامانه‌ای توسعه دهد که مدل ربات در زمان اجرا (Run Time) قابل تغییر باشد. این قابلیت سطح بالایی از انعطاف‌پذیری را ایجاد می‌کند که دستیابی به آن در معماری‌های سنتی بسیار دشوار است.

بازپیکربندی ربات در زمان اجرا با استفاده از Rigid Body Tree

در بسیاری از کاربردهای رباتیکی، ساختار سینماتیکی ربات هنگام تولید نرم‌افزار تعریف می‌شود. در نتیجه، هرگونه تغییر در ساختار ربات معمولاً نیازمند تولید مجدد کدها و استقرار دوباره کنترلر است.این فرآیند نه‌تنها زمان‌بر است، بلکه در سامانه‌های حساس می‌تواند موجب توقف عملیات و افزایش هزینه‌ها شود.

شرکت MinMaxMedical با بهره‌گیری از Robotics System Toolbox مدل ربات خود را بر پایه ساختار Rigid Body Tree پیاده‌سازی کرد. در این روش، لینک‌ها، مفصل‌ها و هندسه ربات به‌صورت یک مدل نرم‌افزاری تعریف می‌شوند، نه مجموعه‌ای از کدهای ثابت و غیرقابل تغییر.

از آنجا که ساختار ربات به شکل مدل تعریف شده است، سیستم می‌تواند هنگام اجرای کنترلر، پیکربندی ربات را به‌صورت پویا تغییر دهد. این ویژگی امکان توسعه سامانه‌های تطبیق‌پذیر و هوشمند را فراهم می‌کند.

مزایای این رویکرد

• اتصال یا جداسازی ابزارها بدون نیاز به بازسازی نرم‌افزار
• به‌روزرسانی دینامیکی مدل سینماتیکی ربات
• تغییر هندسه برخورد (Collision Geometry) در زمان اجرا
• استفاده مجدد از یک کنترلر برای چندین پیکربندی مختلف ربات
• کاهش زمان توسعه و افزایش مقیاس‌پذیری سامانه

این معماری باعث می‌شود که توسعه‌دهندگان برای هر پیکربندی جدید،
نیازی به ایجاد نرم‌افزار مستقل نداشته باشند و بتوانند از یک ساختار یکپارچه برای چندین مدل ربات استفاده کنند.

حفظ ایمنی در هنگام تغییر ساختار ربات

در حوزه رباتیک جراحی، ایمنی یکی از حیاتی‌ترین الزامات طراحی محسوب می‌شود. هرگونه تغییر در ساختار ربات باید همچنان تمامی استانداردهای ایمنی و عملکرد بلادرنگ (Real-Time) را حفظ کند.

با استفاده از Robotics System Toolbox، اشیای برخوردی (Collision Objects) و هندسه محیط نیز می‌توانند در زمان اجرا به‌روزرسانی شوند.این قابلیت موجب می‌شود سیستم تشخیص برخورد، حتی پس از تغییر ابزارها یا تغییر چیدمان محیط کاری، همچنان با دقت بالا عمل کند.

از آنجا که تمامی این تغییرات در یک چارچوب نرم‌افزاری یکپارچه انجام می‌شوند، سامانه می‌تواند ضمن حفظ عملکرد بلادرنگ، تغییرات مورد نیاز را نیز اعمال کند. این موضوع در کاربردهای پزشکی، صنعتی و ربات‌های حساس اهمیت بسیار زیادی دارد.

کاربردهایی فراتر از رباتیک جراحی

اگرچه این مثال در حوزه رباتیک جراحی مطرح شده است، اما نیاز به بازپیکربندی پویا در بسیاری از سامانه‌های رباتیکی دیگر نیز وجود دارد.

امروزه از ربات‌ها انتظار می‌رود که بتوانند با ابزارهای مختلف، پیکربندی‌های متنوع و محیط‌های متغیر کار کنند. این موضوع در حوزه‌های زیر بسیار رایج است:

• ربات‌های صنعتی در خطوط تولید انعطاف‌پذیر
• ربات‌های تحقیقاتی با ابزارهای انتهایی قابل تعویض
• ربات‌های خدماتی که در کنار انسان فعالیت می‌کنند
• سامانه‌های خودران در محیط‌های غیرساخت‌یافته
• پلتفرم‌های رباتیکی پزشکی، هوافضا و صنایع دفاعی

در تمامی این کاربردها، استفاده از مدل Rigid Body Tree در Robotics System Toolbox به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تا سامانه‌هایی منعطف، مقیاس‌پذیر و قابل استفاده مجدد طراحی کنند.

به‌جای ایجاد نرم‌افزارهای مجزا برای هر ربات یا هر ابزار جدید، یک معماری واحد می‌تواند از چندین ربات، ابزار و چیدمان مختلف پشتیبانی کند. این رویکرد نه‌تنها هزینه توسعه را کاهش می‌دهد، بلکه نگهداری و توسعه آینده سامانه را نیز ساده‌تر می‌سازد.

طراحی مبتنی بر مدل؛ آینده توسعه سامانه‌های رباتیکی

رویکرد طراحی مبتنی بر مدل (Model-Based Design) به‌عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های توسعهسامانه‌های هوشمند شناخته می‌شود. ابزارهایی مانندMATLAB وSimulinkاین امکان را فراهم می‌کنند که مهندسان بتوانند پیش از پیاده‌سازی نهایی،رفتار ربات را شبیه‌سازی، تحلیل و اعتبارسنجی کنند.

ترکیب این ابزارها باRobotics System Toolbox باعث می‌شود توسعه‌دهندگان بتوانند سامانه‌هایی طراحی کنند که:

• در برابر تغییرات محیطی مقاوم باشند
• بدون توقف سیستم تغییر پیکربندی دهند
• از قابلیت استفاده مجدد برخوردار باشند
• هزینه توسعه و نگهداری را کاهش دهند
• استانداردهای ایمنی و عملکرد بلادرنگ را حفظ کنند

با گسترش رباتیک هوشمند و افزایش نیاز به سامانه‌های تطبیق‌پذیر،
استفاده از چنین معماری‌هایی به یکی از الزامات اصلی توسعه ربات‌های نسل آینده تبدیل خواهد شد.

جمع‌بندی

استفاده از Rigid Body Tree در Robotics System Toolbox نشان می‌دهد که چگونه می‌توان سامانه‌های رباتیکی را به‌گونه‌ای طراحی کرد که در زمان اجرا قابلیت تغییر و سازگاری داشته باشند.

این رویکرد امکان بازپیکربندی پویا، تغییر ابزارها، به‌روزرسانی مدل سینماتیکی و حفظ ایمنی سیستم را فراهم می‌کند.
در نتیجه، توسعه‌دهندگان می‌توانند نرم‌افزارهایی انعطاف‌پذیرتر، مقیاس‌پذیرتر و قابل استفاده مجدد ایجاد کنند.

با توجه به روند رو‌به‌رشد رباتیک در صنایع پزشکی، صنعتی و خودران،
چنین فناوری‌هایی نقش کلیدی در توسعه نسل آینده ربات‌های هوشمند خواهند داشت.