בתחרות רובוטים לכיבוי אש, שהתקיימה במכללת טריניטי בהארטפורד, שלחה גם ישראל נציגות מרשימה, מתוכה בלטה קבוצת תיכון “היובל” מהרצליה
ישראל בנימיני, גלילאו
הצוות המנצח מתיכון היובל עם המורים אלי ושרית
כתובת ישירה לדף זה:
https://www.hayadan.org.il/robogalileo.html
באחד החדרים בבית הקטן מתחילה לבעור אש. גלאי עשן מתחיל לצפצף, אך אין איש בבית. בכל זאת אין סיבה לדאגה: רובוט מתעורר לחיים לשמע האזעקה, ומתחיל לנוע בבית כדי לאתר את מקור הסכנה. בדרך הוא נאלץ לנווט דרך מסדרונות ודלתות ולעקוף ריהוט, אך אינו מוותר. הוא מגיע למוקד האש, מכבה אותה, חוזר למקומו ו”נרדם” עד שיזדקקו לו שוב.
עוד רחוק הזמן רב בו יהיו רובוטים כאלה בכל בית, אבל אם נהפוך את הדרישות ליותר פשוטות אפשר לעמוד בהן כבר היום. זוהי בדיוק מטרת “התחרות לרובוטים לכיבוי אש ” שהתקיימה במכללת טריניטי (טריניטי קולג') בהארטפורד, קונטיקט ב-18-17 לאפריל 2004. שנת 2004 היא השנה ה-11 לקיום התחרות, המזמינה קבוצות של בוני רובוטים מכל העולם להוכיח את כישוריהם באיתור וכיבוי אש. התחרות היא יוזמת פרופ' ג'ק מנדלסון (Mendelssohn) מטריניטי קולג'.
מתחילים, מכללות, מומחים
בתחרות מספר קטגוריות, לפי גילם וניסיונם של המשתתפים בקבוצה: “מתחילים”, “תלמידי בתי ספר תיכונים”, “מכללות” ו-“מומחים”. קיימת גם קטגוריה לרובוטים הולכים – רוב הרובוטים הניגשים לתחרות נוסעים על גלגלים, כי הליכה מציבה רמת קושי גבוהה. השנה התחרו בקטגוריית בתי הספר התיכוניים 45 קבוצות משבע מדינות בעולם.
ישראל בלטה מאוד בקטגוריה זו: במקום הראשון זכתה קבוצה מתיכון “היובל” מהרצליה עם הרובוט “FF-FE=01” שבנתה. קבוצות מבתי הספר התיכונים “אביב” מרעננה, “רמות חפר”, “בליך” מרמת גן ו- “קריית שרת” מחולון הגיעו למקומות 2, 3, 6, ו-16 בהתאמה; למקום ה- 15 הגיעה קבוצה נוספת מתיכון “היובל”. למעשה, שלושת המקומות הראשונים, שבכולם זכו קבוצות ישראליות, זכו בציונים הטובים ביותר בתחרות, טובים אף יותר מהציון הטוב ביותר בקטגוריית המכללות, שהועמדו בפני אותו אתגר.
חוקי התחרות
מתכנני התחרות הציבו כללים ברורים ומפורטים המכתיבים את “הזירה” – שטח קטן המחולק ל”חדרים” וביניהם “מסדרונות”; את המגבלות המוטלות על הרובוט ועל בוניו; את תהליך ההפעלה של הרובוט וקביעת הציון שלו; וכן גורמים שונים המעלים או מורידים את הניקוד (הניקוד הנמוך ביותר מנצח).
כללים אלה עושים את האתגר פשוט יותר מאשר בבית “אמיתי” – למשל, מפת הבית ידועה מראש; הרצפה והקירות עשויים מחומרים בעלי צבע אחיד, כך שחיישני הרובוט לא יוטעו; בכניסה לכל חדר יש פס לבן שהרובוט יכול לחוש בו וכך לשפר את דיוק הניווט; הלהבה היא נר שגודלו ידוע מראש (אם כי מיקומה נבחר באקראי על ידי שופטי התחרות לפני כל “ריצה” של רובוט); ועוד
פתרונות ובונוסים
למרות התנאים המקילים, רמת הקושי מספיק גבוהה כדי לאתגר כל צוות לפתור את הבעיות בדרכים יצירתיות. בנוסף לכך, מציעים מארגני התחרות “בונוסים” לציון. שניים מבונוסים אלה הם קיום שיפועים במסדרונות, וקיום “רהיטים” בתוך החדרים. השיפועים הם עליות וירידות קטנות במסלול הנסיעה של הרובוט, המשפיעים על כיוון הנסיעה שלו ועל מרחק הנסיעה.
לכן, אם הרובוט מתוכנת להגיע מחדר א' לחדר ב' על ידי הוראות כמו “סע 1.3 מטר ישר; פנה ב- 20 מעלות שמאלה וסע עוד 20 ס”מ; פנה ב-70 מעלות שמאלה והתקדם 2.1 מטר”, שיפוע שבו ייתקל הרובוט יפגע בדיוקם של הכיוון ומדידת המרחק ויגרום לפגיעת הרובוט בקיר במקום מַעבר בדלת; פגיעה כזו בפני עצמה מזיקה לדירוג בתחרות, מעבר לכך שהיא כנראה תגרום לרובוט לבזבז זמן יקר, שגם הוא נלקח בחשבון בקביעת הדירוג.
“רהיטים” הם גלילים המוצבים בחדרים, ומאלצים את הרובוט למצוא דרך לעקוף אותם בדרכו אל הנר. לפני הפעלת הרובוט, הקבוצה מודיעה לשופטים אם היא מעוניינת בבונוסים אלה. אם כן, השופטים בוחרים מיקום כלשהו לשיפועים ולרהיטים. קיימים עוד סוגי בונוסים, כך שכל קבוצה יכולה לבחור אתגרים שונים במקצת ובהתאם לנסות לזכות בבונוסים המתאימים ליכולותיה.
האלופים
מזה מספר שנים משתתפות קבוצות ישראליות רבות בתחרות (בעיקר קבוצות של בתי-ספר תיכוניים), זוכות במקומות גבוהים, ונוחלות הצלחה מרובה. בשנת 2002, למשל, זכו קבוצות ישראליות במקומות הראשון, השני והרביעי. משנת 1998 נערכות גם תחרויות רובונר (“רובוט-נר”) ארציות, המשמשות כתחרויות מקדימות לתחרות העולמית.
לרוע המזל, התחרות הארצית שהיתה אמורה להתקיים השנה בוטלה בגלל שביתת המורים העל-יסודיים. ביטול זה היקשה על הקבוצות הישראליות לבחון את עצמן בתנאים אובייקטיביים וללמוד זו מזו – עוד המחשה לנזק שגורמים הסכסוכים הבלתי-נגמרים בין הממשלה וארגוני המורים.
המשוגעים המקומיים
בין “המשוגעים לדבר” בארץ בולט אלי קולברג, שבין מגוון עיסוקיו הוא מדריך בתחום הרובוטיקה במספר בתי ספר תיכוניים, ומנהל את אתר האינטרנט הישראלי “רובוטיקה “. הקבוצה הזוכה מתיכון “היובל” מהרצליה היא בין אלו שהודרכו על ידו. חברי הקבוצה התחלקו לצוות החומרה שתכנן ובנה את הרובוט: דניאל דוידזון, נתי שמר, דרור לירן וזיו חקמן; ולצוות התוכנה: לי קינד ונועם חדש.
התכנון והבנייה בוצעו על ידי קבוצה זו בלבד. ששת החברים בקבוצה עבדו יחד לאורך כל התקופה, ושיתפו פעולה ביניהם תוך עבודת צוות ברמה גבוהה. התמיכה שקיבלה הקבוצה התבטאה בין השאר בכך שבית הספר אפשר להם להיעדר מחלק מהשיעורים – כל עוד הם השלימו את כל המטלות הנדרשות – ובחומרה שהועמדה לרשותם לצורך בניית הרובוט (מנועים, גלגלים, חיישנים, מעבד מרכזי וכו').
נסיון מצטבר
כמו כן, בוגרי בית הספר, ליאור מרכוס ואחרים, סייעו מפעם לפעם ברעיונות מניסיונם שנצבר בתחרויות משנים קודמות. הנסיעה לתחרות בארה”ב מומנה על ידי התלמידים עצמם, בשיתוף עם עיריית הרצליה שסיבסדה חלק מן הנסיעה. בגלל ביטול התחרות הארצית, יכלו הקבוצות להשוות את עצמן לקבוצות אחרות רק ביומיים האחרונים שלפני התחרות.
רק אז גילתה הקבוצה מהרצליה כי הרובוט של תיכון רמות חפר מהיר יותר משלהם. בלילה האחרון שלפני התחרות, הם הכניסו מספר שינויים משמעותיים לתכנון הרובוט “FF-FE=01”, כמו הזזת גלגל; ושינויים לתוכנה שהפעילה אותו: אסטרטגיה שונה בחיפוש הנר, שינוי המסלול המתוכנן בין החדרים, ושימוש בנסיעה לאחור בקטעים מסוימים. עבודה מתישה זו אכן העניקה להם את הפרס הראשון, וחברי הקבוצה חשים כי בתהליך העבודה הארוך הם גם הפכו לחברים לכל החיים.
אנטומיה של רובוט
כללי התחרות מאפשרים חופש משמעותי בתכנון הרובוט, כל עוד הוא אינו חורג מדרישות גודל קבועות מראש (גודלו של “FF-FE=01” הוא 29x14x16 ס”מ). כיבוי הנר, למשל, עשוי להתבצע על ידי יצירת זרם אוויר, למשל על ידי מאוורר. למרות שזו אינה שיטה מעשית כל כך לכיבוי שריפה בעולם האמיתי, היא מותרת בתחרות זו היות שמטרת התחרות היא קידום הרובוטיקה ולא בהכרח קידום טכניקות לכיבוי שריפות.
אפשר לכבות את הנר גם במים או בפחמן דו-חמצני. בכל מקרה, כללי התחרות דורשים שהרובוט יתקרב לפחות עד 30 ס”מ מהנר לפני שיתחיל בפעולת הכיבוי. דרישה זו מבטיחה כי הרובוט יזהה את הנר, ואינה מאפשרת למתכננים לבנות רובוט המפעיל משבי רוח חזקים לכל הכיוונים בתקווה לפגוע בנר אפילו בלי למצוא אותו.
איך הוא נע
כדי לנוע, מצויד הרובוט בגלגלים ובמנועים חשמליים. כדי שיוכל להתמצא בסביבתו, הוא מכיל מגוון של חיישנים (סנסורים). על המנועים עצמם מותקנים מקדדים (encoders), העוקבים בדיוק רב אחר סיבוב המנוע. תיאורטית, די היה במידע ממקדדים אלה כדי לדעת את כיוון ואורך כל אחד מ”הצעדים” של תנועת הרובוט מהרגע שיצא ממקומו, ולשלב מידע זה במפה הנתונה כדי לדעת בדיוק היכן נמצא הרובוט.
בעולם האמיתי, אפילו טעויות קטנות במדידה יצטברו בסופו של דבר לסטייה גדולה. אם הקבוצה מבקשת מהשופטים להציב בזירה את השיפועים שתוארו למעלה (כדי לזכות בבונוס המתאים), שיטה זו ודאי שלא תצליח: שיפועים אלה גורמים לטעויות במדידת הכיוון והמרחק. לכן דרושה שיטה אחרת על מנת לנווט במסלול. השיטה הרווחת היא שימוש בחיישני אינפרא אדום, חיישנים אנלוגיים, אשר פולטים קרני אינפרא אדום אל הקיר ויודעים לפרש את ההחזרות כערכים.
מנגנונים מתקני טעויות
על התוכנה להשתמש בערכים אלה כדי לדעת את מצב הרובוט במסלול על ידי יצירת שורה של מנגנונים המגלים ומתקנים טעויות תנועה של הרובוט. למרות שהקירות והמכשולים הם בצבע לבן אחיד, שיטה זו עשויה להיתקל בבעיות בעולם האמיתי בגלל מקורות התאורה באולם שבו מתבצעת התחרות, שבעצמם פולטים גם קרינת אינפרא-אדום. המתכננים חייבים להתכונן לבעיות כאלו וליצור שורה של מנגנונים המגלים ומתקנים טעויות אפשריות של החיישנים.
הצורך באיתור הנר מחייב ידע גם בפיזיקה וגם בהפתעות שהעולם האמיתי טומן למתכנן הלא-זהיר. אפשר היה לחשוב כי כדי לגלות את הנר מספיק לחפש מקור אור קטן, אך לרובוט אין דרך להבדיל בין מנורה גדולה בצד השני של האולם לבין נר קרוב. הקבוצה השתמשה בשני חיישנים דיגיטאליים לצורך זה.
חיישן אחד רגיש לקרינת האינפרא אדום שפולט הנר (כמו כל מקור חום), ומסייע למציאת הנר כאשר הרובוט בתוך החדר. חיישן שני רגיש לקרינה אולטרה-סגולה, הנפלטת על ידי החלקיקים החמים בלהבת הנר. קרינה זו מוחזרת מהקירות וכך מאפשרת לרובוט העומד בפתח החדר להחליט אם הנר נמצא בחדר זה.
בתוך “מוחו” של הרובוט
המידע מהחיישנים מגיע אל יחידת העיבוד המרכזית של הרובוט, וממנה נשלחות ההוראות אל המנועים ואל המאוורר. יחידת עיבוד זו היא מעבד מתוצרת חברת מוטורולה. מעבד זה כולל, בתו שבב אלקטרוני אחד, כוח חישוב וזיכרון המקבילים למחשבים אישיים מתחילת שנות השמונים – אלפיות בודדות מכמות הזיכרון וממהירות העיבוד שאפשר למצוא במחשב אישי מודרני. מתברר כי אין צורך ביותר מזה, והפשטות מובילה לחיסכון בעלויות ולהקטנת הצורך בסוללות חזקות.
בתחילה שקל צוות התוכנה שיטת ניווט גלובלית המתאימה לכל מסלול באשר הוא. במהלך התכנון, הבינה הקבוצה כי למרות יתרונותיה הרבים של שיטה כזו, היא לא תוכל להיות אמינה כמו תוכנה המתבססת על פירוק המבוך לשלבים. מכיוון שהזמן מהווה חלק חשוב בדירוג, נכתבה התוכנה מחדש כדי להגדיר מראש תוכנית פעולה עבור כל שלב בתהליך הסיור בתוך הבית.
התגברות על מכשולים
למרות שנראה במבט ראשון כי תוכנית הפעולה לסיור מוכתבת במלואה מראש על ידי המתכנתים האנושיים, אין זו הגדרה מדויקת: מכיוון שהקבוצה החליטה לנסות ולזכות בכל הבונוסים האפשריים, הרובוט נדרש להתמודד עם מכשולים ושיפועים במקומות בלתי צפויים. היתקלות במכשול (“רהיט”), למשל, מחייבת את הרובוט לבנות תוכנית פעולה חדשה. תוכנית זו יכולה להיות קצרת-טווח, ולהסתיים ברגע שהרובוט מתגבר על המכשול וחוזר לתוואי המתוכנן המקורי.
במהלך בניית החומרה והתוכנה היה הצוות מודע היטב לכך שגם התוכנית הטובה ביותר תיתקל בהפתעות, כמו סטייה מהנתיב או דיווחים שגויים מחיישנים. לכן הם תכננו גיבויים ומנגנונים אחרים כדי לגלות ולתקן מצבים שאינם תואמים את המצב החזוי לאותו רגע לפי התוכנית.
אתגרים אחרים
בקטגוריית המומחים כללי התחרות של מכללת טריניטי הם שונים מאלה של הקטגוריות האחרות: ב”בית” יש שתי קומות, כך שהרובוט צריך גם לאתר את המעבר ביניהן; צורת החדרים והקירות בכל קומה אינה ידועה מראש ומשתנה לפני כל הפעלה של הרובוט; הקירות והרצפה אינם אחידים. על הרובוט לבצע שלוש משימות: לאתר שני נרות בוערים ולכבותם, ולאתר בובה – דימוי למצב שבו על הרובוט למצוא תינוק השוכב במיטה.
הבובה משדרת קרינה בתדרי האינפרא-אדום, כדי לדמות את טמפרטורת הגוף הגבוהה מטמפרטורת הסביבה וכדי לאפשר לרובוט למצוא אותה (עוד הפשטה יחסית לעולם האמיתי: בבית בוער יש כמובן מקורות חום בולטים הרבה יותר מאשר גוף האדם, אך “החתימה” שלהם שונה – עבור “משימות אמת”, יידרשו בוני הרובוטים להתייחס לנושא זה).
כאילו הוא קורא לכבאים
כאשר הרובוט מגיע אל הבובה, עליו לסמן את “המציאה” על ידי השמעת צליל גבוה, כאילו הוא קורא לכבאים אנושיים. תנאים אלה קרובים יותר ל”עולם האמיתי”. בשנת 2004 זכתה קבוצה אמריקאית שהשלימה רק שתיים משלוש המשימות. אחת התחרויות הידועות האחרות בתחום הרובוטיקה היא “רובוקאפ ” – תחרות לרובוטים המשחקים כדורגל.
מטרתה של התחרות: עד שנת 2050, לפתח קבוצת רובוטים עצמאיים דמויי-אדם שתוכל לנצח את אלופי העולם האנושיים בכדורגל. גם בתחרות זו, שעליה אפשר לקרוא בעברית באתר “רובוטיקה”, יש פעילות ישראלית רבה. התחרות הבאה תתקיים בפורטוגל בחודש זה.
הפער הולך ונסגר
תחרויות כאלו יוצרות עניין ומעודדות פיתוח ושיתוף ידע בין העוסקים בתחום. ידע כזה יכול לתרום לשימושים אחרים ברובוטים, כמו הצלת חיי אדם במקרי אסון אמיתיים. אחת מהקבוצות העוסקות בכך היא “המרכז לחיפוש והצלה בעזרת רובוטים ” באוניברסיטת דרום-פלורידה.
קבוצה זו, עם הציוד שלה, השתתפה בחיפוש הניצולים באסון מגדלי התאומים, ומפתחת רובוטים למשימות באתרי התמוטטות מכרות, רעידות אדמה, וזיהום ביולוגי. רובוטים כאלה יכולים להגיע למקומות שמצילים אנושיים אינם יכולים להתקרב אליהם, לזהות אנשים חיים, ובעתיד אפילו להגיש סיוע ראשוני. בעזרת מאמצים אלה, הולך ונסגר הפער בין היכולות של היום לבין התסריט שהוצג בתחילת הכתבה.
אתר הרובוטיקה הישראלי
אתר תחרות הרובונר
אתר תחרות הרובוקאפ
אתר המרכז לחיפוש והצלה בעזרת רובוטים
ידען הרובוטיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~902439852~~~65&SiteName=hayadan
