אחיזות רובוטיות מינימליסטיות – תכן, אלגוריתמים, ובקרה של מערכות אחיזה
רובוטים תעשייתיים, שבהדרגה מחליפים בני אנוש, משמשים באופן עקרוני לביצוע משימות מסוכנות או כאלה שחוזרות על עצמן – בייחוד מטלות שדורשות דרגת דיוק גבוהה. אחת התכונות שנדרשות מרובוטים תעשייתיים היא היכולת לאחוז חפצים שצורתם ושאר תכונותיהם אינן ידועות מראש. זה האתגר שעומד במרכז מחקרים של פרופ’ אמיר שפירא מהמחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, ופרופ’ אילון רימון מהפקולטה להנדסת מכונות מהטכניון שבחיפה, ואשר משתתפים בו בין היתר יואב גולן מאוניברסיטת בן-גוריון והלל בוניס מהטכניון.
מה השאלה?כיצד לתכנן יד רובוטית תעשייתית, זולה ויעילה שתוכל לאחוז בחפצים שצורתם לא ידועה מראש?
כשאנו מרימים עט שנפל על הרצפה או אוחזים בכוס מים, איננו חושבים על המורכבות הטמונה בפעולות פשוטות-לכאורה אלה, אך אין זו משימה פשוטה לתכנן יד רובוטית שתבצע מטלות אלה בפשטות וביעילות. היד האנושית שאוחזת בחפץ מסוים מפעילה יותר מ-30 שרירים, וכדי לתכנן יד רובוטית שתחקה במדויק את אופן פעולת היד שלנו יש צורך במנוע בשביל כל שריר. מדעני הטכניון ואוניברסיטת בן גוריון בנגב, שואפים לפתח יד רובוטית יעילה, זולה ונוחה לשימוש תעשייתי ככל האפשר, בתיכון מינימליסטי – תוך שימוש במנוע אחד בלבד.
מתברר שיד פשוטה, עם שתי אצבעות בלבד שיכולות להיפתח ולהיסגר, יכולה לתפוס מגוון נרחב מאוד של עצמים, אך יש צורך לגלות היכן בדיוק יש להניח את האצבעות הללו על עצם שצורתו אינה ידועה מראש, כך שייתפס ביעילות ולא ייגרם לו נזק. למחקר זה שני היבטים: היבט מכני והיבט של האלגוריתמיקה.
מבחינת הצד המכני, המחקר כולל שני חידושים. הראשון מביניהם הוא תיכון של אצבעות שיכולות לעבור לסירוגין בין אחיזה נטולת חיכוך לאחיזה עם חיכוך. בזכות מנגנון נעילה קפיצי המצוי בתוך כל אצבע, שצורתה גלילית, היד יכולה לאחוז בעצם כלשהו בשתי צורות: ללא חיכוך, כלומר בלי כוח שפועל בין האצבעות לגוף, ובעת הצורך – כשמנגנון הנעילה מופעל – האחיזה חזקה וכרוכה בחיכוך. מנגנון זה מונע “תקיעה” של העצם בעת הניסיון לאחוז בו ומשפר את איכות האחיזה. החידוש המכני השני מאפשר ליד הרובוטית להסתפק במנוע אחד בלבד, בזכות היכולת שלה לשנות את צורתה בעזרת הסביבה, עוד לפני האחיזה עצמה. מדובר למעשה בהוספת שלב נוסף לתהליך האחיזה, שלב המתקיים טרם הנגיעה בחפץ, שבמסגרתו אפשר לשנות – בעזרת הצמדת היד לקיר למשל – תכונות שונות של האצבעות (למשל הזוויות שלהן ומרחקן מהאמצע) באופן שיאפשר להן לתפוס כל עצם שהוא. צוות המחקר פיתח שיטה לביצוע מהיר ויעיל של שלב הכנה נוסף זה.ההיבט האלגוריתמי קשור לשאיפה לתפוס את העצם באופן היעיל ביותר, באמצעות כיתורו בין האצבעות ויצירת מעין כלוב סביבו.
ההיבט האלגוריתמי קשור לשאיפה לתפוס את העצם באופן היעיל ביותר, באמצעות כיתורו בין האצבעות ויצירת מעין כלוב סביבו. מטרת האלגוריתמים היא לקבוע היכן עלינו להניח את האצבעות סביב העצם,
כתלות בגיאומטריה שלו, כך שמצד אחד הוא לא יימעך, ומצד אחר לא יישמט מן היד הרובוטית. לשם כך חשוב לדעת את כל התנועות האפשריות שהעצם עשוי לעשות במרחב ואת כל האפשרויות של האצבעות לחסום בפניו תנועות אלה, כפונקציה של מיקומיהן המדויקים עליו.
לשם כך פיתח צוות המחקר שיטה של חיפוש גרפי שתאפשר לזהות את הנקודות שבהן על האצבעות להתמקם, כדי לקבל אחיזת כלוב מוצלחת ולצפות מה יתרחש לאחר סגירת האצבעות. אחת המטרות הייתה למצוא את נקודות המגע עם המרחק המרבי בין האצבעות שאינו מאפשר בריחה של העצם: ככל שהמרחק גדול יותר תתאפשר שגיאה גדולה יותר באופן התפיסה הראשוני של העצם ביד הרובוטית. סימולציות מחשב מדגימות את פעולת האלגוריתמים הללו על גופים בעלי צורות אחדות, ובסופו של דבר האלגוריתמים והתיכון המכני נבחנים בניסויים של ממש. בניסויים שנערכו עד כה – בסיוע מענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – הצליחה היד הרובוטית לאחוז במגוון רחב של גופים, באורח משביע רצון. תוצאות הביניים של המחקר מעידות כי אין צורך ביד מרובת מנועים כדי להשיג אחיזה מורכבת ובטוחה, וכי אפשר להסתפק במערכת פשוטה יותר הנשענת על אלגוריתמיקה נכונה לביצוע אחיזות איכותיות.
עוד בנושא באתר הידען:
