מחלקה: הנדסת מכונות
סטודנטים: עידו אילוז, עידו דגן ונאור אדרי
מנחים: פרופ' אמיר שפירא ומר יואב גולן
כלבי יחידות הכלבנות בטחוניות ואזרחיות מבצעים מגוון רחב של פעולות שונות מצילות חיים בשגרה ובחירום. שיתוף פעולה ייחודי של סטודנטים מהמחלקה להנדסת מכונות עם יחידת כלבנות מבצעית הוביל לפיתוח מערכת זרוע רובוטית חדשנית ופורצת דרך שנשלטת מרחוק ונישאת על גבי כלבי היחידה. המערכת מאפשרת למפעילים לבצע פעולות זעירות ומדויקות במקומות או בתרחישים שלא היו אפשריים בעבר.
המחשבה מאחורי בניית המערכת מגיעה מתוך הרצון לנצל את אפשרויות הפונקציונאליות הנרחבות של רובוטים, ובמקביל להתגבר על המגבלות המוטוריות שלהם (למשל קושי לנוע בחלק מתוואי השטח), וזאת על ידי ניצול יכולת התנועה המפותחת של הכלבים. מדובר בהרכב מנצח: יתרונותיו של האחד הם חסרונותיו של האחר ולהיפך, ולכן השילוב של השניים, רובוט וכלב, יוצר מצב שבו השלם גדול מסך חלקיו.
לפי התיכנון, המפעיל מעביר לכלב הוראות באמצעות אוזנייה ומכוון אותו למיקום ביצוע הפעולה. לאחר מכן, בעזרת שליטה מרחוק ובאמצעות זוג מצלמות המותקנות על המערכת, הזרוע שמורכבת על הכלב נעה לעבר כל נקודה במרחב ומבצעת את המשימה הנדרשת.
בין מוטוריקה עדינה והכנסת USB
המבחן שהעמידו הסטודנטים את הזרוע הרובוטית היה הכנסת דיסק-און-קי לפתח USB של מחשב, תוך כדי התגברות על אתגרים הנובעים מהסתמכות על בעל חיים מצד אחד, ומורכבות ועדינות המשימה מצד שני. אתגר זה אינו חשוב בפני עצמו, אך מפגין יכולת מוטוריקה עדינה היכולה לשמש למגוון פעולות, החל מפירוק פצצות ולעד למתן סיוע ללכודים בהריסות.
מטבע הדברים, הכלב הוא יצור חי ודינמי. נשימותיו, תנודותיו ותזוזותיו הפתאומיות מהוות הפרעות המקשות על הזרוע להישאר יציבה במקומה במרחב. לכן פיתוח המערכת כלל מנגנון המרסן השפעות אלו ומורכב מקפיצים, חיישנים ומנועים, אשר מזהים את התנודות ומאפשרים למערכת לבצע תיקון אוטונומי לייצוב את הזרוע בזמן אמת.
הדמיית זרוע רובוטית המורכבת על גבי כלב
על מנת שהזרוע תצליח להכניס את הכונן הנייד, היא חייבת לשמור על דיוק של כ-2 מ"מ מפתח ה-USB. על מנת לעמוד בדרישה פותחה זרוע רובוטית מיניאטורית המשלבת מצד אחד יחידת קצה בעלת רגישות גבוהה, טווח תנועה רחב וגמישות שמבטיחים דיוק מרבי, ומצד שני מנגנון בעל חוזק מכני גדול המאפשר ביצוע משימה גם תחת תנאים קשים.
אתגר נוסף היה התקנת המערכת הרובוטית על גב הכלב. עורו של הכלב מסתובב בקלות ביחס לגופו ואינו בסיס יציב להפעלת זרוע רובוטית. התשובה הייתה הרכבת הזרוע על גבי ווסט מבצעי שמשמש את כלבי היחידה, תוך פיזור המסה של הרובוט כך שהפרעת שיווי המשקל של הכלב ימוזער. התכנון מתחשב כמובן בארגונומיה ובנוחות של הכלב, תוך שמירה על חופש התנועה שלו.
הפרויקט פותח במעבדה לבקרה ורובוטיקה במחלקה להנדסת מכונות, ובמסגרתו נעשה שימוש בכלב בשם "טיי" לבדיקת המערכת. כלל הניסויים שנעשו אינם גורמים לכאב כלל, ומאושרים על ידי ועדת האתיקה לניסויים בבעלי חיים באוניברסיטה.
מהקורסים בשנה הראשונה לפתרונות יצירתיים בפרויקט הגמר
אתגר נוסף היה מזעור המערכת – המשקל הכולל של הזרוע צריך היה להיות פחות מרבע ממשקל הכלב כדי לא לפגוע בבריאותו. כדי לענות על צורך זה, המערכת תוכננה בצורה חסכונית ו"רזה" ככל הניתן, ויוצרו מגוון רחב של מכלולים בעזרת הדפסה תלת ממדית של חלקים במילוי דליל, מה שאיפשר שימור תכונות מכניות והבטיח משקל נמוך.
פיתוח פתרונות לאתגרים שהוזכרו מעלה התבסס על שימוש בכלים מתמטיים ופיזיקליים שהסטודנטים רכשו בלימודי הליבה של המחלקה להנדסת מכונות, כגון: חוזק חומרים, סטטיקה, תנודות, בקרה, שיטות נומריות, תורת המכונות ואלמנטים סופיים. כדי לבחון את האתגרים בצורה מבוקרת, טרם הבאת המערכת לכלבים עצמם, פותחו מספר מערכות ניסוי מדמות מציאות אשר תרמו להבנה מעמיקה של הקשיים ולמציאת פתרונות יצירתיים ואופטימליים.
הצלחה של המערכת עשויה להוביל לתחום חדש של שילוב בעלי חיים עם מערכות מכניות מתוחכמות, ובכך לעזור להתגבר על בעיות רבות שהיום עדיין לא פתורות בעולם הרובוטיקה.
הסטודנטים (מימין לשמאל) עידו אילוז, עידו דגן ונאור אדרי
