אני, רובוט שואב
26/04/2020
למרות חשיבותו הרבה בחיי היום יום, שואב אבק רובוטי הוא מכשיר פשוט המשלב מספר חיישנים על מנת להתמצא במרחב, לתכנן את מסלולו ולהימנע ממכשולים בזמן עבודתו.
רבים מאיתנו חייבים לו המון בכל פעם שאנחנו מנקים את הבית לקראת אירוח, בימים בהם אירוח חברים ומשפחה היה דבר מקובל. ועדיין, רבים מאיתנו לא מבינים כיצד המכשיר יודע היכן הוא נמצא, היכן כבר ניקה, מה הצעד הבא וכמה זמן נותר עד שיסיים את עבודתו. על מנת שיוכל שואב האבק לבצע את עבודתו ביעילות, הוא צריך להיות מסוגל לנוע בחופשיות וביעילות במרחב, תוך הימנעות ממכשולים, מנפילה במדרגות ומביצוע עבודה באזור שבו כבר היה. לטובת עבודה זו, שואבי אבק אינם משתמשים בעיבוד מידע חזותי ממצלמות, אלא בשילוב מידע מחיישנים שונים כדי לחוש את סביבתם, לחשב את המרחק שכבר נסעו, לסמן את האזורים בהם כבר עבדו ולחקור אזורים חדשים הנדרשים לכיסוי.
רוב שואבי האבק המודרניים שואבים השראה ממחקרו של רודני ברוקס [1], חוקר מ-MIT ואחד ממייסדי iRobot. ברוקס צפה כיצד חרקים מנווטים בעולם האמיתי, תוך שהם משתמשים במעט מאוד תאי עצב (משמעותית פחות ממספר הנוירונים בשימוש במערכות לומדות מודרניות). ברוקס הבין שככל הנראה חרקים אלו לא בנו מודלים מתמטיים מסובכים של עולם תלת מימדי, אלא יצרו קישוריות פשוטה בין תפיסות חזותיות לבין פעולות. בצורה דומה, שואבי אבק אינם צריכים להבין את מימדיהם המדויקים של חדרים על מנת לנקות אותם. במקום זאת, הם נדרשים לדעת כיצד להגיב במספר מצבים שונים. התנהגויות אלה מפורטות בפטנט של iRobot מ-2002 [2], והן כוללות מספר התנהגויות טיפוסיות של המכשיר, כגון:
* המשך ישר עד שאתה פוגע באובייקט.
* אם פגעת באובייקט, עצור ופנה בזווית הרחק מהאובייקט ונוע ישר בשנית.
* נוע בתנועת ספירלה במעגלים מתרחבים.
* עקוב אחרי קיר ושמור על מרחק קבוע ממנו.
ע"י שימוש בפעולות אלו ניתן להקנות לשואב האבק הרובוטי יכולות ניווט בחללים סגורים, המאפשרות את פעולת המכשיר. למעשה, המכשיר אינו שונה בהרבה מנחיל נמלים המחפש מזון בסביבתו ושב לקן בסוף המסע.
דגמים שונים של מכשירים משתמשים בחיישנים שונים, אך מספר חיישנים משותף לרוב המכשירים:
מקודדים אופטיים (optical encoders) הממוקמים לצד הגלגלים ומאפשרים את ספירת סיבובי הגלגלים. הגלגלים מסתובבים סביב צירם, ומקור אור מאיר לכיוונם. על גבי הגלגלים ישנם חורים קטנים אשר לסירוגין מאפשרים ומונעים מעבר של קרן האור אל חיישן הקולט את האור. קליטת האור בעזרת החיישן מאפשרת ספירת סיבובי גלגל ע"י בקר קטן, ובעזרת ידיעת קוטר הגלגל ניתן להעריך מה המרחק אותו המכשיר עבר [1].
חיישני אינפרא-אדום הממוקמים בקצה הקדמי של המכשיר ומודדים את המרחק של המכשיר מן הרצפה בעזרת שליחת קרן וקבלתה בחזרה. המכשיר מעבד את המידע המתקבל מחיישן זה בכך שהוא יודע מהו הזמן הטיפוסי אשר לוקח לקרן לחזור בחזרה מן הרצפה, וכך המכשיר מכיר את גובהו ומרחקו מן הרצפה. כאשר המכשיר מתקרב למדרגה, קרן האינפרא-אדום נשלחת ומודדת מרחק רב יותר מן הרצפה מאשר גובה המכשיר. המכשיר מעבד את המידע בקצב דגימה מהיר ופונה למקום מבטחים [2].
חיישני אינפרא-אדום הממוקמים בצידי המכשיר ועוזרים לו לזהות קירות וגבולות עבודה. חיישן זה עוזר למכשיר לנקות לאורך גבולות החדר מבלי להיתקל בו, ולעקוב אחרי תוואי המפגש בין הקיר לרצפה תוך שמירה על מרחק קבוע מן הקיר.
חיישני מגע למניעת התנגשות (bump sensors) הממוקמים בקצה הקדמי של המכשיר ומאפשרים לו גישוש איטי בקרבת מכשולים. החלק הקדמי של המכשיר הינו חלק דינאמי המאשר תנועה קלה פנימה והחוצה. כאשר המכשיר מתקרב אל חפץ הוא דוחף אותו קלות וכיסוי הפלסטיק הקדמי נדחף אל עבר החיישן. כאשר חיישנים אלו נלחצים, המכשיר יודע שנתקל במכשול ולכן פועל על מנת לעקוף אותו, ואינו מנסה לדחוף את המכשול ממקומו.
חלק מן המכשירים משתמשים בחיישנים נוספים כגון חיישני לייזר, גירוסקופ, מדי תאוצה, חיישנים אולטראסונים ועוד.
באופן זה, בעזרת חיישנים פשוטים, מצליחים שואבי האבק הרובוטים להתנהל בצורה סבירה למדי ולבצע את עבודתם ביעילות ולהחליף את פעולת האדם. לפני שנסיים, נציין כי ישנן חברות המנסות לפתח טכניקות חדשות ויעילות יותר לשימוש בשואבי אבק, בין היתר בעזרת סוגים חדשנים של חיישנים. לרוב מדובר בחיישנים קיימים, שטרם נעשה בהם שימוש בעולם שואבי האבק.
מקורות וקריאה נוספת:
[1] פרק מהבלוג של רודני ברוקס הנוגע בהבנה כיצד חרקים מנווטים בעולם
[4] כיצד חיישן אינפרא אדום עובד
[5] הוראות תיקון והחלפה של חיישני מניעת התנגשות במכשיר iRoomba 880
אלגוריתמאי וחוקר ראייה ממוחשבת וגיאומטריה חישובית, בוגר תואר ראשון ושני בהנדסת מכונות בטכניון. בימים אלו עוסק בפיתוח אלגוריתמים לעיבוד תמונה.
