Skip to main content
header

זרוע התמנון - הרחבה

מטרת "פרויקט התמנון" היא הבנת אופני הבקרה שבהם משתמשים תמנונים להזזת זרועותיהם הגמישות בתקווה להיעזר בידע זה לבניית רובוטים חדשניים.
 

 

 

זרוע התמנון חסרה שלד לחלוטין ולכן מנגנוני תנועתה שונים באופן בסיסי מאלה של הזרוע האנושית.

לזרוע התמנון מגוון אפשרויות תנועה עצום: כל מקום לאורך הזרוע יכול להתארך או להתקצר, לנטות לכל כיוון או להתפתל סביב ציר האורך. ננסה להשוות עושר תנועתי זה ליכולתה של הזרוע האנושית בעזרת המושג דרגות חופש.

תנועה יחסית בין שני חלקים הניתנת לתיאור בעזרת משתנה אחד מוגדרת כבעלת דרגת חופש אחת. למשל, תנועת דלת הנפתחת ונסגרת סביב צירה מאופיינת על ידי זווית הסיבוב סביב הציר בלבד ולכן בעלת דרגת חופש אחת.

כמה דרגות חופש יש לזרוע האנושית (מבלי לכלול את דרגות החופש הנוספות של האצבעות) ?

 מפרק הכתף הוא מפרק כדורי המאפשר תנועה מעלה ומטה, ימינה שמאלה וסיבוב - ביחד שלוש דרגות חופש. המרפק הוא מפרק סיבובי פשוט בעל דרגת חופש אחת.

האמה ומפרק שורש כף היד מאפשרים תנועה בשלוש דרגות חופש (בדומה לכתף), וביחד שבע דרגות חופש.

למה דווקא שבע? כדי לאפיין לחלוטין מיקום ואורינטציה של חפץ במרחב נדרשים שישה פרמטרים: מיקום לאורך שלשה צירים (קדימה-אחורה, ימינה שמאלה ולמעלה-למטה) וסיבוב סביב שלשת הצירים (גלגול, סיבסוב ועילרוד). מסתבר שזרוע בעלת שש דרגות חופש מספיקה לצורך הגעה למיקום הנכון ובזווית הנכונה לחפץ במרחב. דרגת החופש השביעית היא דרגה יתירה (לכאורה מעבר לנדרש) המאפשרת לבצע תנועה באופנים שונים בהתאם לנסיבות, למשל לצורך עקיפת מכשול. אגב לרובוטים תעשייתיים רבים מבנה פרקים בעל שבע דרגות חופש הדומה לזרוע האנושית.

ראינו כי בזרוע מפרקית, מספר דרגות החופש נקבע על ידי סוג המפרקים ומספרם.

כמה דרגות חופש יש לזרוע התמנון? בגלל העדר שלד קשיח קשה לתת תשובה מדויקת אבל ברור כי המספר עצום. זרוע בעלת מספר דרגות חופש רב מכונה באנגלית "Hyper redundant" כלומר בעלת יתירות רבה. הכוונה בכך היא שלזרוע יש הרבה יותר דרגות חופש מן המספר המינימלי הדרוש לביצוע פעולות.

אם כך מדוע זה נחוץ? מסתבר שיש יתרונות לעודף דרגות חופש. זרוע כזו יכולה לפעול בסביבה רווית מכשולים, לעקוף אותם או אפילו להשתחל דרכם. בנוסף, ניתן לקבע חלק מדרגות החופש (למשל מבסיס הזרוע עד כמעט לסופה) לצורך השגת תמיכה ויציבות ולבצע פעולות הדורשות עדינות בדרגות החופש הנותרות.

חוקרים ומהנדסים מנסים לבנות רובוטים מרובי מפרקים שיוכלו לשמש במשימות חיפוש והצלה (אזורי אסון והריסות, כורים גרעיניים ואזורים תת מימיים) ואולי גם לצרכים רפואיים כמכשירים מתוחכמים הנעים בתוך חללי הגוף.

NEC search and rescue

 


Carnegie Mellon Search and Rescue

 

Clemson Tentacle Manipulator

השאלה העיקרית הניצבת בפני מדעני הרובוטיקה היא איך משתלטים על כל כך הרבה דרגות חופש?

כדי לענות על שאלה זו נוח לפנות אל הטבע ולחקור תנועה מרובת דרגות חופש של בעלי חיים, למשל חדק הפיל, לשון הלטאה,גוף הנחש וזרועות התמנון.

בחרנו להסתכל על התמנון בגלל יכולת התנועה המופלאה של בעל חיים טורף זה אשר יכול להפעיל כוח רב, כמו לפתוח צדפה אך גם לבחון חפצים בעדינות רבה, ואפילו להתיר קשרים בחוט. התמנון שוחה במהירות בעזרת הנעה סילונית ויכול להידחק דרך מעברים צרים במיוחד.

רפרטואר תנועות עשיר ויוצא דופן זה מתאפשר בזכות היות התמנון רכיכה ללא כל שלד קשיח.

מה הן התגליות במחקרנו הקשורות לבקרת זרוע גמישה ומרובת דרגות חופש?

1. דפוסי תנועה טיפוסיים: בהסתכלות בתנועות תמנונים ניתן להבחין במספר תנועות אופייניות החוזרות על עצמן שוב ושוב בהתאם להקשר. דוגמה לכך היא תנועת ההושטה לעבר חפץ.

התמנון הוא בעל חיים סקרן ואינטליגנטי המתעניין בסביבתו וחוקר אותה באופן פעיל. כאשר מניחים חפץ באקווריום, מיד מבחין בכך התמנון. אם התמנון רעב מאוד והחפץ מזוהה כטרף, ישחה התמנון במהירות יפרוש את כל זרועותיו סביב הטרף ויאכל. אבל במקרים אחרים ישתמש התמנון באסטרטגיה שונה ויושיט זרוע אחת או שתיים כדי לאחוז בחפץ ולבחון אותו. לאחר אימון קצר לומד התמנון להושיט זרוע בכל פעם ואנו יכולים לצלם את התנועה ולחקור אותה. לתנועת ההושטה מאפיינים קבועים החוזרים על עצמם בכל פעם. ראשית יוצר התמנון כיפוף בזרוע. בסיס הזרוע מופנה אל עבר המטרה והזרוע נפרשת תוך כדי תנועת הכיפוף לאורכה עד להתיישרותה ולמגע עם המטרה.


אם התמנון מצליח לתפוס את המטרה מביא התמנון את החפץ אל פיו בתנועה אחרת לגמרי אך סטריאוטיפית גם היא - תנועת ההגשה אל הפה.
בתנועה זו מיצר התמנון מעין פרקים שרק בהם מתכופפת הזרוע בדומה לזרוע מפרקית אנושית. ראשית הזרוע מתלפפת ואוחזת היטב במטרה (כאן זו פיסת בשר דג). לאחר מכן נוצר כיפוף ראשון, בסמוך לפיסת המזון. הפה ממוקם בתחתית התמנון בין כל בסיסי הזרועות ולכן יש לקפל את הזרוע במחציתה, בין פיסת המזון לבין בסיס הזרוע. לצורך זה נוצרים שני כיפופים נוספים, במרכז הזרוע ובבסיסה.

 

2. צמצום במספר דרגות החופש: תנועת ההושטה ותנועת ההגשה הן דוגמאות לבקרה של ריבוי דרגות חופש על ידי צימודן והורדת מספרן.
נראה כי תנועת הושטה מבוקרת על ידי שלושה משתנים בלבד: כיוון בסיס הזרוע הנקבע על ידי שתי זוויות, ומהירות התנועה של נקודת הכיפוף מהווה את המשתנה השלישי. כך אוחדו דרגות החופש של הזרוע יחדיו לשלשה משתני בקרה.

גם מספר דרגות החופש של תנועת ההגשה צומצם באופן דרסטי לשלוש, אחת לכל "מפרק".

אבל כיצד זה פותר את הבעיה? הרי בסופו של דבר "מישהו" צריך להפעיל את השרירים שבזרוע - כלומר לבקר את דרגות החופש המקוריות.

3. הפתרון הוא קיומן של תבניות הפעלה נפוצות שלא צריך להמציא בכל פעם מחדש. השימוש בתבניות אלה מפשט את הבקרה ומוריד את העומס מן המערכת המוטורית.

כנראה שמוח התמנון אחראי לכיוון תנועת ההושטה אל המטרה ואילו "הפרטים הקטנים" של התנועה מתבצעים על ידי הזרוע.
כדי להוכיח זאת הראנו כי כאשר מערכת העצבים של זרוע התמנון אינה קשורה למוחו ניתן לגרות אותה גירוי חיצוני ולגרום לה לייצר בזרוע תנועת הושטה הדומה לזו של התמנון המתנהג.

 

4. זו דוגמא מרשימה לארגון היררכי של המערכת המוטורית.

האם ניתן כיום לבנות רובוט תמנון?

לא קיימים עדיין חומרים מלאכותיים המסוגלים לתפקד כמו שרירים וזו המגבלה העיקרית לבניית רובוט. בינתיים אנו מסתפקים במודל ממוחשב של זרוע התמנון המאפשר לנסות אפשרויות בקרה שונות.

סיכום
ראינו כי התמנון מפשט ומיעל את המשימה המורכבת של בקרת זרוע מרובת דרגות חופש על ידי:

    * שימוש באסטרטגיות תנועה סטריאוטיפיות המביאות לצמצום ניכר במספר דרגות החופש.
    * שימוש בתבניות הפעלה נפוצות.
    * קיום מבנה היררכי של המערכת המוטורית.

למידע נוסף:
1. קראו בכתב העת גלילאו גיליון 28 מאי-יוני 1998 עמ’ 56 ואילך את המאמר "בשמונה זרועות נטויות" מאת בנימין הוכנר ויורם גוטפרוינד.
2. בקרו באתר האינטרנט של הקבוצה: http://www.octopus.huji.ac.il

נוצר בתאריך: 17/02/09
עודכן בתאריך: 17/01/11