זהירות, סכנת החלקה

חוקרים פיתחו אלגוריתם בקרה שמסייע לרובוטים ללכת על משטחים חלקים

רובוטים נעים ומגיבים בהתבסס על מידע שמגיע אליהם מחיישנים. כדי לבצע פעולות באופן מיטבי, הם צריכים יכולת תבונית ותנועה עצמאית ולהימנע מהתנגשות באובייקטים סביבם. התחומים שעליהם הרובוטיקה נשענת הם מגוונים וכוללים הנדסת מכונות, הנדסת אלקטרוניקה, מדעי המחשב, תכנות והנדסת תוכנה.

במפרקיו של כל רובוט מותקנים מנועים שמבקרים את תנועתו ואחראים לאינטראקציה המכנית עם הסביבה. לפיכך לצורך פעולותיו, ובייחוד להפקת תנועות דינמיות ותמרונים מהירים ויציבים, נדרשת הבנה במכניקה, דינמיקה ובקרה של התנועה.

פרופ’ יזהר אור הוא חוקר בהנדסת מכונות ורובוטיקה בטכניון. מחקרו מתמקד במנגנוני התנועה של רובוטים ובשיפור תכנונם וביצועיהם. לשם כך הוא מתבסס על מודלים מתמטיים (משוואות דיפרנציאליות המתארות התנהגות של מערכות דינמיות, ועוד), וגם על תצפיות על תנועת בעלי חיים. לדבריו, “באמצעות המשוואות אפשר לבנות את המודל התנועתי של הרובוט ולצפות השפעה של גורמים כגון גמישות וחיכוך וכך לשפר את ביצועי התנועה. לאחר מכן אפשר לבדוק את המודל בניסויים ולשפרו בהתאם. מבעלי החיים אפשר ללמוד על מנגנוני תנועה בסביבה משתנה, בתנאים טבעיים וקשים, בין השאר על האופן שבו הם זוחלים, רצים ושוחים”.

תוך שימוש באלגוריתם הבקרה המקורי שפותח לייצוב ההליכה, הרובוט נכשל ומועד כאשר ההליכון חלקלק. אלגוריתם התנועה שפיתחו במשותף פרופ’ אור מהטכניון, ופרופ’ אהרן אימס מהמכון לטכנולוגיה של קליפורניה (Caltech), מצליח הרובוט להתגבר על אי הוודאות בחיכוך ובחלקלקות המשטח, ולצעוד באופן דינמי ויציב בטווח נרחב של מהירויות.

מטרת מחקרו האחרון של פרופ’ אור, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, ואשר נעשה בשיתוף חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), הייתה לשפר ביצועי תנועה של רובוטים עם רגליים בתנאי שטח משתנים, למשל על קרקע חלקה. רובוטים שמסוגלים להתמודד עם קרקע כזאת, מבלי להחליק, יכולים לשמש למגוון יישומי תנועה בשטחים קשים – למשל לסייע לאנשים ללכת בשטח רטוב ומושלג, על קרח וחצץ, לסייע למטיילים ללכת על קרקע בוצית ולא ישרה ולחלץ אנשים מאזורי אסון. לפיכך המחקר מתמקד בהליכה דינמית של רובוטים, שבה גופם אינו בשיווי משקל סטטי אלא נופל קדימה עם רגל מונפת עד שהוא נוגע בקרקע, ולאחר מכן מניף את הרגל האחורית, וחוזר חלילה.

עיקר האתגר הטכנולוגי והמדעי במחקר שכזה הוא למצוא שיטות לשמירת יציבות ההליכה ובקרתה. בעלי חיים מסוגלים ללכת בתוואי שטח חלקלק, אבל רוב הרובוטים הרגליים הדינמיים מתקשים בכך. זאת מכיוון שחוקי הבקרה הקיימים מתבססים על מודל תיאורטי שמניח כי כפות הרגליים יוצרות מגע קבוע עם הקרקע ללא החלקה ומתעלם ממגבלות חיכוך. “המתמטיקה שמאחורי התנועתיות בתנאי שטח משתנים לא מספיק מובנת. למשל, לרגע אחד הרגל נוגעת בקרקע ואז מתנתקת ממנה, ואז רגל אחרת. לכן, מערכת המשוואות צריכה להיות דינמית והיברידית ולעבור בין מצבי מגע שונים. ככל שמספר דרגות החופש של הרובוט משתנה, כך צריך להשתנות מספר המשוואות. ולכן כחוקרי התחום אנחנו צריכים לבנות מערכת משוואות שונה לכל מצב מגע, ולהרכיב מהן מודל מתמטי שאפשר  יהיה לבחון בניסויים על כל מיני משטחים, גם חלקים”, מסביר פרופ’ אור.

כדי למצוא שיטות לשמירת יציבות ההליכה של רובוטים ובקרתה בתנאי שטח משתנים, בנו החוקרים מערכת משוואות דיפרנציאליות שמתארות את התנועה הדינמית שלהם ואת השפעת הכוחות במנועים שבמפרקיהם. משוואות אלה מתחשבות גם במשתנים הקשורים במצבי החלקה וחיכוך, ובאופן שבו הרגל נוגעת בקרקע – אם היא מחליקה, מתנתקת או עומדת. “אנחנו רוצים שרובוטים יוכלו להתמודד גם עם קרקע חלקה ובלתי צפויה. המודל המתמטי העכשווי אינו מתחשב בכך”, מציין פרופ’ אור.

החוקרים תרגמו את המשוואות לאלגוריתם, הטמיעו אותו ברובוטים ונתנו להם לנוע על הליכונים משומנים וחלקלקים במעבדה, וראו כי הצליחו לצעוד ביציבות תחת מגוון מהירויות ותנאי חיכוך שונים. לפני הטמעת האלגוריתם הם נכשלו בכך ומעדו. “מחקר זה הוא תרומתנו הצנועה לשיפור ביצועים של רובוטים רגליים בתנאי שטח קשים ולא צפויים, לטובת סיוע והצלת חיים”, מסכם פרופ’ אור.

החיים עצמם:

פרופ’ יזהר אור, 48, נשוי + שלושה (17, 15, 11), מתגורר במצפה הושעיה בגליל התחתון. אוהב לחקור, ללמד סטודנטים ולהנחותם בתחום הנדסת המכונות והרובוטיקה (“מעניין אותי הקשר שבין הצד המתמטי לעולם המעשי, האמיתי”).