رباتیک چیست؟ اهمیت، ارتباط آن با برنامه نویسی و روش یادگیری

رباتیک یک رشته جذاب در علوم کامپیوتر است. رباتیک و برنامه نویسی دو مفهوم در هم تنیده و جدایی ناپذیرند. آموزش رباتیک به کودکان یک روش عالی برای معرفی یادگیری مبتنی بر ایده در سنین پایین است. قبل از ورود به حوزه رباتیک و کدنویسی باید درباره ربات ها بیشتر دانید.

ربات یک ماشین خودگردان است که می تواند کارهای خاصی را براساس ورودی های گرفته شده از حسگرهای خود انجام دهد. ربات فقط یک قطعه مکانیکی است تا قبل از اینکه برنامه نویسی شود.

در دورانی زندگی می کنیم که بسیاری از کارهای بشر با استفاده از رباتیک به طور خودکار انجام می شود. هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی جنبه های کلیدی رباتیک هستند به همین دلیل ربات های هوشمند دقیق تر و کم خطاتر از انسان ها عمل می کنند.

ممکنه شگفت زده شوید وقتی بدانید که هم اکنون یک ربات در عربستان سعودی یک شهروند رسمی است! در اکتبر سال 2017 سوفیا اولین رباتی بود که تابعیت کشوری را دریافت کرد. همچنین اولین غیر انسانی بود که عنوان سازمان ملل متحد را دریافت کرد.

رباتیک و کد نویسی را کاوش کنید.

این را درک کنید که چرا برنامه نویسی برای ربات ها بسیار مهم است و کدام زبان برنامه نویسی را باید انتخاب کنید. بهترین ابزارها و برنامه ها را برای شروع یادگیری رباتیک پیدا کنید.

مفید برای ساخت ربات: آموزش میکروکنترلر از صفر تا صد با 17 درس رایگان

چرا کدنویسی مهم است؟

کدنویسی مهم است زیرا در یک دنیای دیجیتالی با رشد پیوسته فناوری های دیجیتال زندگی می کنیم. آموزش مانند قبل فقط استفاده از روش های سنتی و حفظ یک سری حقایق نیست. با داشتن اطلاعات در دسترس باید به فرزندانمان یاد دهیم که چگونه فکر کنند نه اینکه چه چیزی را فکر کنند. یکی از بهترین راه ها این است که ابزارهایی در اختیار کودکان قرار دهیم که از طریق آنها بتوانند بهترین راه حل های ممکن را پیدا کنند و کدنویسی یکی از این ابزارها است.

سن مناسب برای شروع کدنویسی چه زمانی است؟

سن مناسب برای شروع نوشتن کد و برنامه نویسی زمانی است که کودک در دوره ابتدایی تحصیل می کند. در حال حاضر کدنویسی بیش از هر زمان دیگری برای آماده سازی دانش آموزان برای آینده ضروری است. پس از یادگیری اصول کدنویسی درهای یک دنیای کاملا جدید پر از فرصت های هیجان انگیز پیش روی دانش آموزان باز خواهد شد. یادگیری محدودیت سنی ندارد اما معتقدیم که ذهن های جوان فعال ترند و چیزهای جدید را راحتتر یاد می گیرند. زمانی که کودکان شروع به یادگیری خواندن و نوشتن می کنند، سن بسیار خوبی برای شروع کدنویسی است.

آیا رباتیک به کدنویسی نیاز دارد؟

بله، قطعا کدنویسی برای رباتیک الزامی است. کدها مجموعه دستوراتی است که یک ربات می تواند آنها را بخواند و اجرا کند. رباتیک ها ترکیبی از الکترونیک، مکانیک و نرم افزار کدنویسی برای برنامه ریزی ربات ها برای انجام کارهای خاص است. ربات ها به راحتی می توانند کارهایی را انجام دهند که برای انسان ها غیرقابل انجام و یا سخت و پرهزینه است.

یادگیری همه زبانهای برنامه نویسی در اینجا (رایگان و به زبان ساده)

از کدام زبان برنامه نویسی برای رباتیک استفاده می شود؟

هر دو برنامه نویسی مبتنی بر بلوک و مبتنی بر متن برای رباتیک استفاده می شود. برنامه نویسی راه ارتباط با کامپیوتر است. به عبارت دیگر برنامه نویسی مجموعه ای از دستورات با قوانین خاص است. زبان های برنامه نویسی مختلفی در دسترس است: C/C ++ ، پایتون، جاوا، فرترن و …. پایتون به دلیل استفاده از آن در یادگیری ماشین در رباتیک نیز زبان محبوبتری است.

1- برنامه نویسی مبتنی بر بلوک: برنامه نویسی مبتنی بر بلوک یک روش عالی برای شروع برنامه نویسی است. کدنویسی مبتنی بر بلوک شامل مجموعه ای از شکل های مختلف بلوک ها است که به راحتی به یکدیگر وصل شوند. اشکال زدایی در کدنویسی مبتنی بر بلوک خیلی ساده تر است. زبان های برنامه نویسی اسکرچ(Scratch) ، Blockly و VEXcode Vr چند نمونه از کدنویسی مبتنی بر بلوک هستند.

2- برنامه نویسی مبتنی بر متن: برنامه نویسی مبتنی بر متن بر اساس گرامر از پیش تعریف شده است: لیستی از کدها که توسط یک زبان خاص قابل خواندن است. احتمال خطا بیشتر است زیرا باید هر خط کد را تایپ کنید. بنابراین زمان بیشتری نسبت به کدنویسی مبتنی بر بلوک نیاز دارد. C/C ++ ، پایتون، جاوا نیز چند نمونه از این زبان ها هستند.

مفاهیم و اصول اولیه رباتیک

با یادگیری همین چند اصل کلی از رباتیک رو یاد گرفتین! همین که بلد باشید رباتیک یکی از حوزه‌های جذاب و چندرشته‌ای است که ترکیبی از علوم کامپیوتر، مهندسی برق، مکانیک و حتی علوم شناختی است. در این آموزش، به مفاهیم پایه‌ای رباتیک، اجزای اصلی ربات‌ها و مراحل طراحی و ساخت ربات می‌پردازیم.

۱. مفاهیم پایه‌ای

• ربات: یک ماشین programmable است که می‌تواند به طور خودکار یا نیمه‌خودکار کارهای خاصی را انجام دهد.

• رباتیک: علم طراحی، ساخت، برنامه‌نویسی و استفاده از ربات‌ها.

• اتوماسیون: استفاده از ربات‌ها برای انجام کارها بدون دخالت انسان.

۲. اجزای اصلی ربات

الف. سخت‌افزار (Hardware)

۱. بدنه (Chassis): ساختار فیزیکی ربات که سایر اجزا را نگه می‌دارد.
۲. موتورها (Actuators): برای حرکت و انجام کارهای فیزیکی استفاده می‌شوند مثل موتورهای DC، سروو موتورها، استپر موتورها.
۳. سنسورها (Sensors): برای جمع‌آوری اطلاعات از محیط استفاده می‌شوند مانند سنسورهای مادون قرمز، اولتراسونیک، تماسی، نور، دما و غیره.
۴. کنترل‌کننده (Controller): مغز ربات که معمولاً یک میکروکنترلر یا کامپیوتر کوچک است. مثال: Arduino، Raspberry Pi.
۵. منبع تغذیه (Power Supply): باتری یا منبع برق برای تأمین انرژی ربات.

ب. نرم‌افزار (Software)

۱. برنامه‌نویسی ربات: کدهایی که رفتار ربات را کنترل می‌کنند. زبان‌های برنامه‌نویسی رایج: C/C++، Python، ROS (Robot Operating System).
۲. الگوریتم‌های کنترل: برای تصمیم‌گیری و انجام وظایف. مثال: الگوریتم‌های مسیریابی، تشخیص اشیا، تعادل.

۳. انواع ربات‌ها

الف. بر اساس کاربرد

۱. ربات‌های صنعتی: برای انجام کارهای تکراری و دقیق در خطوط تولید. مثال: ربات‌های جوشکاری، رنگ‌پاشی.
۲. ربات‌های خدماتی: برای کمک به انسان‌ها در کارهای روزمره. مثال: ربات‌های نظافت، ربات‌های پزشکی.
۳. ربات‌های نظامی: برای انجام مأموریت‌های خطرناک. مثال: ربات‌های جاسوسی، ربات‌های نجات.
۴. ربات‌های اکتشافی: برای کاوش در محیط‌های ناشناخته. مثال: ربات‌های فضایی، ربات‌های زیردریایی.

ب. بر اساس ساختار

۱. ربات‌های متحرک (Mobile Robots): می‌توانند حرکت کنند. مثال: ربات‌های چرخ‌دار، ربات‌های پرنده (Drone).
۲. ربات‌های ثابت (Stationary Robots): در یک مکان ثابت کار می‌کنند. مثال: ربات‌های بازوی صنعتی.

۴. مراحل طراحی و ساخت ربات

الف. تعیین نیازها و اهداف

• هدف ربات چیست؟ (مثلاً نظافت، حمل بار، اکتشاف)

• محدودیت‌ها چیست؟ (مثلاً هزینه، اندازه، وزن)

ب. طراحی مفهومی

• طراحی اولیه ربات (شکل، اندازه، اجزای اصلی).

• انتخاب سنسورها، موتورها و کنترل‌کننده.

ج. ساخت نمونه اولیه

• مونتاژ اجزای سخت‌افزاری.

• برنامه‌نویسی اولیه برای کنترل ربات.

د. تست و بهینه‌سازی

• تست عملکرد ربات در شرایط مختلف.

• رفع اشکالات و بهبود طراحی.

ه. تولید نهایی

• ساخت نسخه نهایی ربات با توجه به نتایج تست‌ها.

۵. مفاهیم پیشرفته در رباتیک

الف. هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

• استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای تصمیم‌گیری هوشمند.

• مثال: تشخیص اشیا، یادگیری تقویتی (Reinforcement Learning).

ب. بینایی ماشین (Computer Vision)

• توانایی ربات برای دیدن و تفسیر تصاویر.

• مثال: تشخیص چهره، ردیابی اشیا.

ج. شبکه‌های عصبی (Neural Networks)

• استفاده از شبکه‌های عصبی برای یادگیری و تصمیم‌گیری.

• مثال: ربات‌های خودران.

د. اینترنت اشیا (IoT)

• اتصال ربات‌ها به اینترنت برای کنترل و نظارت از راه دور.

• مثال: ربات‌های نظارت بر خانه.

رباتیک و کدنویسی چه مهارت هایی را به دانش آموزان یاد می دهند؟

کودکانی که رباتیک و کدنویسی یاد می گیرند، مهارت های زیادی مثل مهارت تفکر انتقادی قوی به دست می آورند. راه های مختلفی برای حل مشکلات وجود دارد اما کسانی که رباتیک یاد گرفته اند راه حل های بهینه را انتخاب می کنند. علاوه بر این فعالیت های یادگیری عملی باعث افزایش تمرکز و توجه دانش آموزان می شود. مهارت های دیگر عبارتند از:

• آمادگی: تکنولوژی هر روز در حال تغییر است و دانش آموزان باید آمادگی بیشتری برای تغییرات تکنولوژی داشته باشند.
• کار گروهی: کودکان به صورت تیمی کار می کنند تا ربات های خود را برای رقابت در چالش های مختلف آماده کنند.
• مهارت های برنامه نویسی: فراتر از یادگیری نوشتن خطوط کد، کودکان راه های جدید برای حل مشکلات پیدا می کنند.
• تفکر تحلیلی: برای حل مشکلات رباتیک باید مشکل را به بخش های کوچکتر تقسیم کرده و سپس راه حل را هر بخش را پیدا کنند. در نتیجه به بهبود تفکر و تحلیل مسائل در زندگی واقعی نیز کمک می کند.
• بهبود مهارت های ارتباطی نوشتاری و زبانی: ارتباطات یک مهارت کاملا ضروری در طول زندگی است.

یادگیری رباتیک: آموزش رباتیک از صفر تا صد با 20 درس رایگان