רובוטיקה

חוקרי המכון למחקר ימי של מפרץ מונטריי (MBARI) חשפו את Rover II – רובוט אוטונומי לשוטטות במעמקי הים. צוות החוקרים מסביר שהאנושות יודעת על מעמקי האוקיינוס פחות משהיא יודעת על הכוכבים האחרים במערכת השמש, והרובר אמור למלא את חוסר הידיעה שלנו. הרובוט נשלח לעומק 4,000 מטרים באוקיינוס האטלנטי שם ישהה במשך יותר מחמש שנים ויאסוף נתונים מקרקעית הים. ממצאיו של הרובוט יפורסמו מדי שבוע, וגם לכבוד אירועים מיוחדים.

הרובר II, שגודלו כגודל מכונית, יחקור את הקרקעית הבוצית באמצעות מצלמות ומכשור נוסף שמותקן עליו. איסוף המידע של הרובוט יתמקד ביצורים החיים ובמעגל הפחמן שבמעמקי האוקיינוס, בתקווה שממצאיו יוסיפו למחקר הנרחב של הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה.

הרובר II פותח כך שיוכל לשרוד לאורך זמן בתנאים הקשים של עומק הים – קורוזיה, לחץ וקור. הוא עשוי מטיטניום עמיד בפני קורוזיה, מפלסטיק ומקצף סינטקטי עמיד ללחצים, ויכול לפעול בעומק של עד 6,000 מטרים. 

עד היום הייתה קערת הרטט הטכנולוגיה הרווחת להזנת חלקים קטנים בקו הייצור התעשייתי - כאשר כל חלק חייב להיות מוזן בנפרד ומוזז לכיוון מסוים. כעת הולכת ותופסת את מקומה מכונה מסוג חדש: זרוע הזנה גמישה, שיכולה למלא את התפקיד בצורה חסכונית, יעילה, מדויקת ורב-שימושית. השימוש בקערות רטט כרוך בקשיים אחדים: הן מצריכות התאמה מכנית משמעותית עבור כל סוג של חלק שאותו מזינים וכאשר רוצים להזין חלקים שונים, יש לבצע התאמה מחדש שלוקחת שעות ומשביתה את המכונה במשך זמן רב ויקר ערך. כמו כן, הרטט, שמהווה את אחד מיסודות הפעולה של מכונה זו, רועש מאוד.

השיפורים והפיתוחים בשדה הטכנולוגיה, הרובוטיקה והראייה המלאכותית, אפשרו להרכיב כיום מכונה מסוג חדש שמבצעת את אותה פעולה בקלות רבה יותר. שיתוף פעולה בין חברת אומרון (Omron) האמריקאית, יצרנית ציוד רובוטי וממוחשב לתעשייה, עם חברת ארמו טול (Armo Tool) הקנדית, יצרנית ציוד מכני לתעשייה, ועם חברת TFS שמספקת ציוד נלווה למכונות הידראוליות ופנאומטיות, הניב את מערכת Omron Sysmac השלמה, כפתרון עבור יצרן ציוד מקורי (OEM) של רצועות בלמים לכלי רכב להסעה המונית. יצרן הציוד נהג להשתמש בקערות רטט כדי להצמיד אום ייעודי לצינור רצועת הבלמים. ואולם ההחלפה התדירה של ותו המרכיב האחרון הצריך התאמה מכנית מסורבלת של המכונה בכל פעם, וגבה מחיר גבוה בזמן השבתת מכונה.

שיתוף הפעולה בין החברות הניב מכונה הזנה חדשה שמבוססת על טכנולוגיות מתחום המחשוב, הרובוטיקה, המכניקה והראייה הממוחשבת. התוצר הסופי העלה את יעילות הייצור ל-99% לעומת פחות מ-70% במכונה הישנה, והזמן שנדרש כדי להתאים את המכונה להזנה של רכיבים חדשים הצטמצם לפחות מ-10 דקות.

מנגנון זה, ששמו AnyFeeder, משולב בזרוע רובוטית ובמצלמה חכמה, מהווה פתרון יעיל וגמיש שיכול להתאים את עצמו בקלות לצרכי היצרן. זמן ההמתנה להזמנה של המנגנון נמוך מזה של המכונה הישנה - שייצורה כרוך בתהליך ארוך ומורכב שהוביל לזמן ההמתנה של כ-12 שבועות.

חשיבות עליונה היא שהמכונה תצמיד את החלק הנכון במקום ובכיוון הנכון. לפיכך מנגנון  AnyFeeder פועל באמצעות ראייה מלאכותית, וכולל חיישן ראייה FH מסוג pick-and-place שמוצמד לשתי מצלמות מגה-פיקסל שחור-לבן. מערכת הראייה הממוחשבת מותאמת לעבודה עם בקר התנועה, ומערכת הבקרה הרובוטית של חברת אומרון. מנגנון הראייה FH הוא בעל אלגוריתם ראייה יעיל במיוחד ויכולת עיבוד תמונה במהירות גבוהה, מה שהופך אותו למושלם עבור יישומים שמתבססים על תנועה מהירה.

המנגנון כולל גם שני רובוטים A-600 Cobra-E מתוצרת אומרון, שמשלימים את התמונה לכדי יצירת מנגנון של תנועה, בקרה וראייה, שמשקף במידה רבה תהליכים של אוטומציה ומחשוב שהולכים ומתפשטים בתעשיות המסורתיות.

המערכת הרובוטית Guardian XO של SARCOS היא המערכת החשמלית מופעלת הסוללה הראשונה מסוגה, המיועדת לעבודות תעשייתיות. המערכת משפרת את הפרודוקטיביות האנושית, ובד בבד שומרת על בטיחות העובד מפני שברי מאמץ ופציעות. המערכת מייצגת את הצעד הבא באבולוציה של רובוטים ניידים, מיומנים ובעלי רמת ביצועים גבוהה. פרוטוטיפ מוקדם של המערכת נבחר על ידי מגזין TIME כחידוש השנה.

הרובוט מאפשר לעובדים לבצע שעות רבות של פעילות גופנית מאומצת, הכוללות הרמה חוזרת ונשנית של חפצים כבדים, שאינם מיועדים לנשיאה של אדם יחיד. הרובוט מסוגל להרים בצורה עקבית חפצים עד 200 ק"ג ללא עייפות או מאמץ, ולעבוד עד שמונה שעות עבודה. המפעיל האנושי אינו נושא את משקלו של השלד האנושי או את המטען שלו, וניתן ללבוש אותו תוך דקה. השלד הנלבש מאפשר תנועה טבעית, "נוזלית" ואינטואיטיבית. המערכת רלוונטית עבור מגוון רחב של שווקים גלובליים כגון ייצור על כל סוגיו, בנייה, שירותי בריאות, לוגיסטיקה, נפט וגז, בטיחות הציבור והתעשיות הביטחוניות. הרובוט מוצע
באמצעות מודל רובוטיקה כשירות (RaaS: fee-based Robotics-as-a-Service) ומציע פרודוקטיביות של כמה עובדים במחיר של אחד, כל זאת תוך הפחתת פציעות תעסוקתיות יקרות, ויצירת החזר השקעה ברור עבור לקוחות סרקוס.

בזמנים בהם מיטשטשת החלוקה בין עבודות ייצור ידניות המתבצעות על ידי בני אדם ועבודות אוטומטיות הנעשות על ידי רובוטים,  מערך של כלים חדשים מגיע לשוק - כדי להקל על הגמישות המתפתחת. חברת Festo פיתחה זרוע ויד ביונית רכה, באמצעות טכנולוגיית רובוטיקה פניאומטית  הנועדה להרחיב את היכולות האנושיות בתחום האוטומציה.

האצבעות של היד הביונית עשויות ממבני מפוח גמישים עם תאי אוויר. לפי החברה, המפוח סגור באצבעות על ידי מעיל טקסטיל תלת ממדי, הנארג מחוטים אלסטיים חזקים במיוחד, מה שהופך אותו הופך אותו לקל, גמיש, בעל יכולות הסתגלות, רגיש, ועם זאת הוא מסוגל להפעיל כוחות חזקים.

המפתחים של היד הביונית עיצבו שסתום הנשלט באופן דיגיטלי רכוב על היד, כך שהצינורות שנועדו לשלוט על אצבעות הגריפר לא צריכים להימשך דרך הזרוע. דבר זה מאפשר ליד להיות מחוברת בקלות רבה יותר למערכות אחרות, ולהיות מופעלת באמצעות צינור אחד בלבד עבור אספקת אוויר ואוויר פליטה. שסתומי piezo פרופורציונליים משמשים לשליטה בתנועות האצבעות.

במקום לתכנן את היד הביונית על פי טכנולוגיה מסורתית של רובוטיקה, החברה עיצבה את המוצר כך בטכנולוגית למידה של בינה מלאכותית: "במקום לחקות פעולה ספציפית, ניתנת ליד מטרה מסוימת. היא משתמש בשיטת ניסוי וטעייה כדי להשיג את מטרתה. בהתבסס על הפידבק המתקבל, היא מעדנת בהדרגה את תנועותיה עד שהמשימה מתבצעת בהצלחה".

ניתן לשלב את הזרוע הביונית לעד שבעה סגמנטים של מפוחים פניאומטיים וכוננים סיבוביים כדי להרחיב את טווח ההישג והמוביליות של הזרוע, מה שמאפשר לה לעקוף מכשולים בחללים צפופים. החברה מייחסת את היכולת של הזרוע הביונית לתפקד לצד בני אדם כנובעת מהיכולות הגמישות-קינמטיות שלה, המאפשרות לזרוע להסתגל בקלות יתרה למשימות שונות בסביבת הייצור, ומחסלות את הצורך בהתקני בטיחות כגון כלובים ומחסומי אור.

המחסור בעובדים מיומנים שימלאו משרות פנויות במפעלים ברחבי העולם הולך ומחריף, ומהווה את אחד האתגרים הגדולים בקרב מנהלי מפעלים. דו״ח חדש של Delotte מגלה כי למעלה ממחצית מ-4.6 מיליון משרות שייווצרו בעשור הקרוב במפעלי תעשייה בארצות הברית יישארו לא מאוישות. אתגר נוסף הוא ההוצאות הגדלות והולכות שמפעלים צריכים לשלם לעובדים שנפגעו במהלך עבודתם. על פי נתונים של (The National Safety Council) NSC האמריקנית, במהלך שנת 2017 למעלה מ-104 מיליון ימי עבודה ירדו לטמיון בגלל פציעות. ב-2018, למעלה מ-115 אלף עובדי ייצור ומעל 17 אלף עובדי מחסנים בארצות הברית החסירו ימי עבודה בגלל פציעות, נתון שגרם להפסדים כבדים, ישירים ועקיפים למקומות העבודה. ברמת הפרט, העלויות הממוצעות למקום עבודה בו נפצע עובד במהלך העבודה מגיעות לקרוב ל-40 אלף דולר ואילו מקרה מוות עולה למערכת 1.15 מיליון דולר.

"אחד הפתרונות המידיים לבעיה", אומר זיו שדה, סמנכ״ל המכירות והשיווק של חברת סו-פאד, נציגת Universal Robots בישראל, "היא ללא ספק הרחקת העובדים מעבודות משעממות ומסוכנות והעברת העבודה לידי הקובוטים, הרובוטים השיתופיים מהדור החדש ושימוש באוטומציה". לדברי שדה, תחום הקובוטים הוא התחום בעל הצמיחה המהירה ביותר בקטגוריית האוטומציה התעשייתית, ולא בכדי: הקובוטים, שיכולים להפגין פעילות דמוי-אנושית, עובדים ביחד ובצמוד לפועלים במפעל ומשחררים אותם מביצוע משימות מסוכנות. בניגוד לרובוטים התעשייתים של פעם, אין צורך לגדר אותם והם "ידידותיים" לבני האדם שעובדים במחיצתם. "השימוש בקובוטים מציע אפשרות נוחה וקלה לביצוע להגנה על עובדים, ובמיוחד במשימות שהן מעבר ליכולתם של הרובוטים התעשייתיים הכבדים לבצע. על פי ההערכות, השימוש בפתרונות אוטומציה וקובוטים יכול להפחית עד כ-70 אחוז מהפציעות במפעלי הייצור. מעבר לכך, הקובוטים אינם חולים או עייפים, לא משתעממים והם גם לא מתלוננים. רובוטים שיתופיים, שתפקידם ביצוע משימות מרובות תוך קיום אינטראקציה פיסית עם בני אדם הנמצאים בסביבת העבודה, עובדים כיום בשיתוף מלא עם בני אדם ומשלימים את 'הראש האנושי'. ישראל היא זירה אוהדת לקבלה של קונספט הקובוטים. יש כאן תעשייה חזקה ופתיחות רבה לאימוץ טכנולוגיות מתקדמות".

חוקרים בארצות הברית פיתחו גריפר רובוטי רך וחזק. הרובוט, שנקרא "כדור קסם", בעל מבנה חרוט, יכול לאסוף פריטים שהם פי 100 ממשקלו. הגריפר יכול לתפוס מגוון חפצים - פחיות מרק, כוסות יין או ברוקולי. "אחת מהמשאלות שלי היא ליצור רובוט שיכול לארוז מצרכי מכולת באופן אוטומטי", אמרה הפרופ' דניאלה רוס, מנהלת מעבדת המחשבים והבינה ה מלאכותית (CSAIL) של MIT, שפיתחה את הגריפר בשיתוף עם בית הספר להנדסה בהרווארד. "גישות קודמות לבעיית האריזה יכולות להתמודד רק עם סוגים מוגבלים מאוד של אובייקטים – כאלה שהם קלים מאוד או חסונים, או שיש להם צורות קבועות כגון קופסאות או צילינדרים. עם מערכת הגריפר של 'כדור הקסם', הראינו שניתן לבצע משימות של 'אסוף ומקם' עבור מגוון רחב של פריטים. במילים אחרות, אובייקטים קלים או כבדים, רכים או חסונים, או שיש להם צורות קבועות או חופשיות".

הגריפר המופעל באמצעות וואקום, מקיף את האובייקט על מנת להרימו. יש לו שלושה חלקים: שלד מבוסס אוריגמי, עור אטום כדי לכסות את המבנה, ומחבר. הצוות יצר את הגריפר באמצעות עובש גומי מכני, ופלסטיק בעל תכונות כיווץ אשר מתקפל בטמפרטורות גבוהות. השלד מכוסה בבלון מגומי או ביריעת בד דקה. כאשר בחנו את הגריפר עם רובוט, מצאו המפתחים כי הוא יכול לתפוס ולהרים חפצים עד 70% מקוטרו ויכול להרים ולהחזיק משקאות קלים בלי לפגוע בהם. הגריפר עובד בצורה הטובה ביותר עם צורות גליליות כגון בקבוקים או פחיות, ומסוגל הגריפר להרים בקבוקים במשקל 1.8 ק"ג.  צורתו של הרובוט מקשה על אחיזה של חפצים שטוחים כמו ספרים.

"אחד המאפיינים העיקריים לגישה זו של מניפולציית חפצים היא פשטות", אמר רוברט ווד, פרופסור בבית ספר להנדסה בהרווארד ובמכון ויס להנדסה. "החומרים ואסטרטגיות הפבריקציה שבשימוש, מאפשרים לנו ליצור גריפר אבטיפוס חדש אשר מותאם אישית לחפצים בסביבה". בעתיד, הצוות מקווה להוסיף ראיית מחשב שתאפשר לגריפר "לראות" ולתפוס חלקים מכל זווית או כיוון.

גריפרים קונבנציונליים נוטים לעבוד באופן מוצלח בסביבות מובנות עם צורות ומיקומים מוגדרים מראש, ובדרך כלל לא יכולים להתמודד עם אי ודאיות במיקום או בצורה. בשנים האחרונות, מומחים לרובוטיקה התמודדו עם בעיה זו על ידי ייצור גריפרים מחפצים רכים וגמישים כמו גומי, שמאפשרת הרמה של מגוון אובייקטים, ועם זאת חוסר יכולת להתמודד עם פריטים גדולים או כבדים. גם אצבעות רובוטיות רכות, המופעלות באמצעות אוויר דחוס, אינן חזקות מספיק בדרך כלל כדי לאסוף חפצים כבדים. עיצובים חדשניים יכולים להרים מגוון רחב יותר של חפצים, אך הם מוגבלים בזוויות שבהן הם יכולים לפעול.

חוקרים מאוניברסיטת MIT קולומביה הושפעו מהאופן שבו תאים ביולוגים עובדים בגופנו, ופיתחו רובוטים ממוחשבים ופשוטים המתחברים בקבוצות גדולות כדי לנוע, להעביר חפצים ולסיים משימות אחרות.

מערכת רובוטית זו מורכבת מיחידות רבות דמויות דיסקים, אשר החוקרים מכנים "חלקיקים". החלקיקים מחוברים אחד לשני בצורה רופפת באמצעות מגנט, וכל יחידה מסוגלת להתכווץ או להתרחב. כל חלקיק מגיע לכ-12 ס"מ במצב של התכווצות, ול-18 ס"מ במצב של התרחבות. תנועתיות זו, כאשר מתוזמנת בקפידה, מאפשרת לחלקיקים האינדיווידואלים להניע ולדחוף אחד את השני בתנועה מתואמת. חיישנים בבסיס היחידות מאפשרים לרובוט לנוע לעבר מקורות אור. בכתב העת Nature Paper הראו החוקרים אשכול של שני תריסר חלקיקים רובוטים אמיתיים וסימולציה וירטואלית של עד 100,000 חלקיקים הנעים דרך מכשולים לעבר נורה.

ניתן להרכיב רובוט חלקיקים בתצורות רבות, המאפשרות לו לזחול ולעבור דרך מרווחים צרים. יש לציין כי אף אחד מהחלקיקים לא מתקשר ישירות או תלוי אחד בשני בתפקודו, לכן ניתן להוסיף או להחסיר חלקיקים ללא כל השפעה על הקבוצה. במאמרם מראים החוקרים כי מערכת חלקיקים רובוטית מסוגלת להשלים משימות גם כאשר יחידות רבות מתקלקלות.

המאמר מציג דרך הסתכלות אלטרנטיבית על רובוטים, שבאופן מסורתי מיועדים למטרה אחת, מכילים חלקים רבים ומפסיקים לעבוד כאשר אחד מהרכיבים שובק חיים. רובוטים המורכבים מדיסקים פשוטים אלו, כך טוענים החוקרים, יכולים לאפשר מערכות רובוטיות המאפשרות גמישות, הרחבה וחוסן רבים יותר.

"יש לנו חלקיקי תאים רובוטים שאינם כ"כ יעילים כבודדים, אך בעלי ערך כקבוצה", אומרת דניאלה ראס, מנהלת מעבדת מדעי המחשב ומעבדת AI ב-MIT. "הרובוט בעצמו הוא סטטי, אך כשהוא מתחבר עם חלקיקי רובוטים אחרים, פתאום מסוגל הקולקטיב הרובוטי לחקור את העולם ולבצע פעולות מורכבות יותר. בעזרת 'תאים אוניברסליים' אלו, חלקיקי הרובוט מסוגלים ללבוש צורות שונות, טרנספורמציה גלובלית, תנועה גלובלית, התנהגות גלובלית, וכפי שהראינו בניסוי, לעקוב אחרי חלקיקי אור. מדובר בכלי חזק מאוד".

לכל יחידה של רובוט החלקיקים בסיס גלילי ובו סוללה, מנוע קטן, חיישנים המזהים את עצמת האור, מיקרו-בקר ומרכיב תקשורת השולח ומקבל אותות. בחלקו העליון של החלקיק נמצא צעצוע ילדים בשם "טבעת הוברמן" (שאותו המציא אחד החוקרים), אשר מורכב מפאנלים קטנים המחוברים במבנה מעוגל המאפשר להרחיב ולכווץ את היחידה. בכל פאנלים מתוקנים שני מגנטים קטנים.

האתגר של המתכננים היה לתכנת את החלקיקים כך שיתרחבו ויתכווצו בצורה אחידה וסדירה לכיוון מקור אור. לצורך זה ציידו החוקרים כל חלקיק באלגוריתם, המנתח מידע על כיוון האור מכל אחד מהחלקיקים - וללא תקשורת ישירה בין חלקיק לחלקיק. חיישני החלקיק מזהים את עוצמת האור - ככל שזה קרוב יותר, כך גדלה אינטנסיביות האות. כל חלקיק משדר אות, המשתף את עוצמת האור הנתפסת שלו עם חלקיקים אחרים. עוצמת האור נמדדת בסקאלה של אחת עד עשר: חלקיקים הקרובים ביותר לאור ירשמו בדרגה 10 בסולם האינטנסיביות, ואלו הרחוקים ביותר ירשמו 1. אלו הקרובים יותר לאור יתרחבו לפני אלו הרחוקים יחסית אליהם ממקור האור, וכך בהדרגה. תהליך זה יוצר גל מכני של התכווצות והתרחבות, אשר מקרב או מרחיק את האשכול מגירויים סביבתיים.

התוכנה של אמרסון (Emerson), PeakVue Plus, מהווה שיפור טכנולוגי המביא ניתוח אנליטי לתחום שנועד לסייע למשתמשים לשפר את הזמינות של רוטציית מכונות. הקושחה מייעלת את הנתיב מאיסוף נתונים ומאפשרת למשתמשים לתקן החלטות בשלב הניתוח. על ידי הטמעה של יד מומחה לתוך אנליזות אלגוריתם, התוכנה מאפשרת למשתמשים, כבר מראייה ראשונה, לאבחן אם המכונה במצב תקין, להבין את חומרת הבעיה ולדעת אם הבעיה קשורה לפגם כלשהי או ללובריקציה. Peakvue plus מתבססת על טכנולוגית PeakVue אשר מסננת סימני ויברציה - האינדיקטור המוביל להערכת מצב כולל של כל מכונה על גלגלים. משתמשים של AMS 2140 יוכלו לשדרג את היחידות שלהם כדי להוסיף את PeakVue Plus, אם יש להם מנוי תמיכה פעיל בגארדיאן. תמיכת גארדיאן היא שירות בו המשתמשים יכולים לראות את הסטטוס של כל התקניEmerson  שברשותם, לקבל תמיכה מסביב לשעון ולהוריד עדכוני תוכנה.