مکاترونیک

1-     مقدمه

این مقاله کاربردهای فن‏آوری پیش رو را که ماهیت برنامه‏های تقویت شده (AR) نامیده می‏شود، مطرح می‏نماید. این موضوع از حقیقت مجازی (VR) که به خوبی شناخته شده است، استخراج می‏شود. می‏توان گفت که اولین سیستم‏های AR در صفحه‏ی نمایش جلو (HUD) در هواپیماهای جنگنده به کار گرفته شد. ایده‏ی اصلی AR انجام آسان بعضی کارها توسط کاربر در دنیای واقعی می‏باشد. با فراهم آوردن مقداری از داده‏های اضافی در دسترس که توسط چند کانال اطلاعات به شکل‏های مختلف پیغام انتقال داده می‏شوند، می‏توان به این هدف دست یافت. انتخاب کانال اطلاعات خاص، به علاوه شکل پیغام تحویل داده شده به کاربر، یک مهارت اضافی بهینه‏سازی می‏تواند باشد. پژوهش در کاربردهای AR در مهندسی مکانیک در بخش علوم در سال 2004 آغاز شد. قبل از آن، روش AR برای آموزش پرسنل و برای پشتیبانی اشخاصی که در کار سیستم‏های مونتاژ مکانیکی بودند به کار گرفته می‏شد. در اینجا نویسنده‏ها بطور اجمال کارهای پژوهشی خود را گزارش می‏دهند. اولین کاربرد سیستم AR امکان‏پذیری کمک به کاربر در فرایند طراحی می‏باشد. دوم، پیاده‏سازی سیستم قابل حمل AR در تعمیر و نگهداری/شیوه‏های عیب‏یابی تجهیزات مکاترونیکی است. در آخر، سیستم AR برای بررسی و تشخیص عیب در ماشین‏آلات مطرح می‏شود. مقاله با نتیجه‏گیری و بیان کارهای پیش‏رو به پایان می‏رسد.

2-     رابط AR در سیستم‏های هوشمند

در سیستم‏های خُبره‏ی امروزی و دیگر سامانه‏های هوشمند، برای کمک به پرسنل انسانی در انجام کارهای پیچیده، عملیات بر مبنای دانش به طور وسیع استفاده می‏شود. کاربر توسط ابزار رابطی با برنامه‏های اجرایی مرتبط می‏شود. فن‏آوری AR خلق ارتباط عالی و دوستانه‏ی کاربر با اطلاعات در دسترس برای حل مسئله با دسترسی خیلی آسان و راحت را فراهم می‏سازد. مقدار اطلاعات با روش اتوماتیک انتقال داده می‏شود به طوریکه سیستم بر پایه‏یAR می‏تواند با دست‏یابی یا حتی تشخیص این که چه مسئله‏ای را کاربر می‏بایست حل نماید و مقدار اطلاعاتی که بیشترین ارتباط با این مسئله را دارد، دریافت نموده یا حتی تشخیص دهد.

سیستم‏های AR مبنای اصلی در اطلاعات (مجازی) گرافیکی به ویژه پوشش‏دهنده‏ی منظر دنیای واقعی می‏باشد. نقش موضوع مجازی برای نمایش بعضی اطلاعات به کاربر برای آسانی کارهای او می‏باشد. اما رابط AR نه تنها می‏تواند اطلاعات مجازی را انتقال دهد بلکه می‏تواند آن را قابل دیدن توسط کاربر نماید. AR هم‏چنین کانال‏های ورودی/خروجی اطلاعات کاربرهای دیگر را به کار می‏گیرد. به علاوه اطلاعات مجازی، کاربر می‏تواند توسط دیگر رابط‏های خروجی مثل وسایل لمسی، صوتی یا سیستم‏های حرکتی تحت تأثیر قرار گیرد. منظور از رابط‏های ورودی، سیستم‏های ردگیری، سیستم‏های تصویر‏برداری و وسایل ورودی (دستکش‏های الکترونیکی انتقال اطلاعات، موش‏های کنترل‏کننده‏ی سه بعدی، توپک‏های ردگیری و دسته‏های فرمان) می‏باشند. رابط‏های ورودی، منابع اطلاعات برای سیستم‏های هوشمند می‏باشند. سیستم‏های ردگیری اطلاعات مربوط به وضعیت/ جهت بعضی از ارگان‏ها (اندام انسانی) را فراهم می‏سازد. سیستم‏های تصویر‏برداری برای ثبت مناظر دنیای حقیقی که توسط کاربر دیده می‏شود، استفاده می‏شوند. با بکارگیری وسایل ورودی، ارتباط بین سیستم و کاربر بیشتر تعاملی شده است.

3-     مثال‏هایی از نحوه کار

در زیر سه کاربرد ارتقاء یافته در موسسه ارائه می‏شود. تمام سه پروژه در قالب MSc انجام گرفته و به سرپرستی ماسزلسکی[1] می‏باشند.

3-1- کاربرد AR در طراحی ماشین‏آلات

روش AR برای دیدن متفاوت مدل و فهم کامل محتوای مدل، مؤثرتر، شهودی‏تر و روشن‏تر از نوع سنتی می‏باشد. بنابراین، فن‏آوری AR، می‏بایست به عنوان یک نوع رابط کاربر جدید، منظره‏ی کاملا جدیدی برای سیستم‏های طراحی به کمک کامپیوتر معرفی نماید. پژوهش ما بر سیستم AR متمرکز شده که کاربر را به دیدن آسان مدل از هر منظر قادر می‏سازد.

مهم‏ترین و سخت‏ترین بخش از سیستم AR که پیشنهاد می‏شود نرم‏افزار است. نرم‏افزار نمایش AR به کاربر اجازه می‏دهد تا مدل‏های سه بعدی مجازی را افزون بر دنیای واقعی ببیند. اساس کار ما بر مبنای خط مشی عمومی کتابخانه‏ی ردگیری  ARاست که ARToolKit با  LibVRML97برای خواندن و دیدن، فایل‏های  VRMLرا ایجاد می‏نماید.

ARToolKit کتابخانه‏ی نرم‏افزاری است که از فن‏آوری بینایی کامپیوتر برای مدل‏های VRML به دقت و شفاف در دنیای واقعی بکار می گیرد. به این منظور نرم‏افزار از شاخص‏ها استفاده می‏نماید. هر شاخص شامل نمونه‏ی کد‏گذاری شده‏ی دیجیتالی متفاوت می‏باشد، به طوریکه مشخصه‏ی منحصر به فرد هر شاخص ممکن باشد. این شاخص‏ها در کتاب فهرست نرم افزار چاپ شده‏اند. ما می‏توانیم موقعیت کاربر را هم‏زمان با ردگیری که شاخص توسط سیستم ردگیر اپتیکی می‏دهد، محاسبه نماییم. درنتیجه یک نمایش از دنیای حقیقی با مدل‏های سه بعدی VRML به طور دقیق در جهت و وضعیت کاربر تحت پوشش قرار می‏گیرد.

برای دیدن مدل‏های سه بعدی VRML در کارت‏ها، کاربر به یک ویدئو یا صفحه نمایش اپتیکی (HMD) متصل به کامپیوتر توسط یک کابل یا بطور بی سیم و یکپارچه شده با دوربین نیاز دارد. کاربر HMD با دوربین ویدئویی متصل به آنرا می پوشد، آنگاه وقتی او در کارت ردگیر در میان HMD نگاه می­کند، شیء مجازی در کارت دیده می‏شود. یک طراح می‏تواند کاتالوگ را بردارد و به طور دستی مدل را برای یک بازبینی درست نماید.

به تصور ما از سیستم AR ، کاربر با HMD روی سر خود، روبه‏روی کامپیوتر می‏نشیند. به علاوه یک کتاب فهرست با کارت‏هایی برای ردگیری ضروری است. کاربر روی کتاب فهرست با قسمت‏های استاندارد نگاه می‏کند (برای مثال یاتاقان‏های غلتشی، موتورهای سرو و غیره) و با تغییر صفحات می‏تواند تمام قسمت‏ها را مرور نماید. وقتی کاربر بهترین بخش را انتخاب می‏کند، او می‏تواند این بخش را به نرم‏افزار مدل‏سازی (CATIAV5R16) بفرستد. با داشتن انتخاب دکمه‏یEXPORT، طراح در صفحه‏ی کار CATIA وارد شده و می‏تواند آن را ببیند. بعد از آن، کاربر به مدل‏سازی در CATIA برمی_گردد یا می تواند در ادامه‏ی فرایند، به بخش دیگر گزارش دهد. وقتی فرایند طراحی تکمیل شد، کاربر مدل سه بعدی نهایی را به نرم‏افزار AR برمی­گرداند و نتایج کارش را مرور می­نماید.

3-2- کاربرد AR در تعمیر و نگهداری تجهیزات

مثال سیستم AR برای کمک به پرسنل در مدت تعمیر و نگهداری تجهیزات سیستم بر مبنای PDA، برای پشتیبانی تعمیر و نگهداری وسایل بازی الکترونیکی (EGD) پیشرفته است. هدف اصلی خلق دانش و سیستمی است که استفاده‏ی از وسایل موبایل شبیه PDA را فراهم می­سازد. نقش این سیستم انجام دو کار متمایز می‏باشد. یک توانایی انتخاب وسیله‏ی معیوب و دیگر توانایی تشخیص عیب خاص می­باشد. عملکرد اول برای توانایی انتخاب وسیله‏ی معیوب از طریق ابزار صفحه‏ی لمسی طراحی شده، بطوریکه اطلاعات درباره‏ی طرز کار درست سیستم نمایش داده می­شود. اطلاعات به صورت صدا از طریق هدفون انتقال می­یابد و همزمان در صفحه‏یPDA نمایش داده می‏شود.

کار دوم سیستم  ARکه قبلا در متن گفته شد، توانایی مشخص کردن محل عیب در وسیله می­باشد. به این منظور، صفحه جزئیات تحقیق را با امکان پاسخ‏های بله/خیر نشان خواهد داد. بر مبنای پاسخ‏ها، کاربر درباره‏ی حل‏های بالقوه مسائل مطلع می­شود. ساختار سوال و پاسخ نقش کلیدی در نمایش بازی می‏کند.

اطلاعات بر اساس مبنای علمی سیستم از طریق دو منبع مجزا: تحقیق کارمندها در رویارویی عملی با این مدل خاص یا مدل مشابه ارائه شده و دستورالعمل‏های شرکت سازنده و دیگر ناشرها تولید شده است. قسمت‏هایی از اطلاعات در فایل‏های صوتی و متنی ذخیره شده‏اند.

3-3- کاربرد AR در تشخیص‏های ماشین‏آلات

مثال آخر کاربرد AR در تشخیص عیب ماشین‏آلات می‏باشد. نقش اصلی این سیستم AR کمک کردن به کاربر در فرایند اندازه‏گیری سطح نویز اطراف ماشین و تشخیص دلیل آن می‏باشد. 21 نقطه‏ی اندازه‏گیری در نصف محیط اطراف ماشین وجود دارد. سیستم بسط یافته شامل 5 بخش اصلی می‏باشد: دوربین USB، صفحه‏ی نمایش، رایانه‏ی شخصی، ثبت‏کننده‏ی چاپی و کتابخانه‏ی ردگیری ARToolKit برای MatLab. عملکرد سیستم در مراحل کمتری تقسیم شده. در ابتدا دوربین منظری از دنیای واقعی ثبت می‏کند و آن را به نرم‏افزار محاسبه‏گر می‏فرستد. در ادامه، براساس اندازه‏ی ثبت‏کننده و شکل در تصویر، برنامه‏ی وضع نسبی بین دوربین و ثبت‏کننده را تخمین می‏زند. ابعاد و شکل ثبت کننده می‏بایست دانسته شود. آن‏گاه تصویر دنیای واقعی توسط موضوع مجازی پوشانده می‏شوند. سرانجام، نتیجه‏ی ترکیب شده به صفحه‏ی نمایش فرستاده می‏شود.

این سیستم دو کار اصلی انجام می‏دهد. قبل از همه، هدف از کار سیستم کمک کردن به کاربر برای قرار دادن میکروفون در مکان صحیح در فضا می‏باشد. سیستم نقاط اندازه‏گیری اطراف ماشین و نقاط تصویر آن را روی زمین مشخص می‏کند. کار دوم سیستم کمک به کاربر در فرایند یافتن مبنای ماشین که قبلا اندازه‏گیری‏های آن انجام شده است. سیستم نتایج اندازه‏گیری را با استفاده از دایره‏هایی که با رنگ پر شده منطبق براین نتایج نشان می‏دهد.

4-     تکرار رئوس مطالب و نتایج

در مقاله یک فن‏آوری خیلی مدرن برنامه‏های تقویت شده به طور اختصار شرح داده شد. به علاوه سه کاربرد مهم فنی AR معرفی شد. تمام این کاربردها در بخش مبانی طراحی ماشین‏آلات بسط و توسعه یافته است. AR به نظر می‏رسد ارتباط روشنی برای تعدادی از سیستم‏های هوشمند که بهینه شده‏اند در محیط طراحی با کمک کامپیوتر، ساخت، تعمیر و نگهداری، آموزش و از این قبیل فراهم می سازد. نویسنده‏ها انتظار دارند که در آینده‏‏‏ی نزدیک کاربردهای مهم کامپیوتر با تجهیزاتی مثل رابطهای کاربری که از نتایج فن آوری AR است، بهره مند شوند.

AR حوزه‏ی کاملا جوانی در پژوهش می‏باشد. بنابراین بعضی مقالات هنوز حل نشده باقی مانده یا حتی مشخص نشده است. یکی از مهم‏ترین آن‏ها روش‏های مهم دانش مهندسی خاص برای ارتقاء AR بر مبنای کاربردهای هوشمند است. نویسنده‏ها می‏خواهند با این روش بررسی در آینده‏ی نزدیک یک پژوهش فراگیرانجام دهند.