מערכת חיבורים פנימיים באמינות גבוהה נדרשת לפרויקט הרובוט האנושי (humanoid) המשותף של NASA ו–General Motors
מאת: ביל נויקום, Harwin
הרובוט האנושי (humanoid) הראשון שתוכנן להפוך להיות תושב קבע בתחנת החלל הבינלאומית – Robonaut 2 – ששוגר לחלל ב-24 בפברואר השנה, יצא זה מכבר מאריזתו, והוא עובר הכנות לפעולה במעבדת Destiny של תחנת החלל הבינלאומית. עם זאת, לסוכנות החלל של ארצות הברית יש תוכניות שאפתניות יותר בהרבה עבור הרובוט Robonaut 2, ובעזרת הרחבות ושינויים שיבוצעו בו בעתיד, הוא יוכל לנוע סביב בחופשיות רבה יותר, בתוך תחנת החלל ואפילו מחוצה לה, ולעבוד לצד בני-אדם, או לבצע לבדו משימות שייתכן שיהיה בהן סיכון רב מדי עבור אסטרונאוטים בני-אנוש.
שיגורו של הרובוט Robonaut 2 – שנעשה מעל סיפונה של מעבורת החלל Discovery בטיסתה האחרונה – אינו אלא הגשמה של חלום בן 15 שנה, להציב רובוט אנושי בחלל. התוכנית של Robonaut כוללת כלים שמיועדים לעזור לאנשים בעבודה ובחקר החלל, בין אם הם מתפקדים כעזרים לבני אדם או אם הם פועלים באופן עצמאי, בסביבות שהסיכון בהם גבוה מאוד.
הדרישות העומדות בפני רובוט אנושי מעשיות יותר מאשר היצמדות רגשנית לצורה החיצונית של בני אדם, השאיפה ליצור בן לוויה או סייען שנראה דומה לבן אנוש או שיש לו צורה מוכרת. הסיבה שונה, ואם לומר זאת בפשטות, במשך השנים שבהם מתנהל מחקר החלל על ידי בני אדם, תוכננו הכלים והאביזרים המשמשים לטיסה בחלל כדי לשמש אסטרונאוטים אנושיים. צבירת המורשת עתירת השנים והמשמעות, הכוללת כלים לשימוש בטיסה ובפעילות נוספת של כלי רכב (EVA), מחייבת לתכנן את הרובוטים באופן כזה שיוכלו לעבוד בשיתוף פעולה עם בני אדם או לפעול כמחליפים שלהם, ולכן עליהם להיות בעלי צורה אנושית – ועם רמה מסוימת של יכולת ביצועים כשל בני אנוש.
לכן אימץ צוות הפיתוח של הרובוט Robonaut את התפישה של רובוט דמוי אדם, בגודל של אסטרונאוט לבוש חליפת חלל, מעוצב עם שתי ידיים בעלות חמש אצבעות, ראש ופלג גוף עליון. חלק מרכזי בתפישה זו של הרובוט Robonaut הוא יכולת הפעלה מיומנת – היכולת להשתמש ב”ידיים” לביצוע עבודה – והאתגר שעמד בפני צוות הפיתוח היה ליצור מכונות שתהיה להן מיומנות, יכולת תנועה, חוזק ועמידות ברמה שתעלה על זו של אסטרונאוט לבוש בחליפה. הידיים של Robonaut 2 יכולות להתחבר בממשק באופן ישיר למגוון של ממשקים ללא “צלקות רובוטיות”, כלומר, ללא ווים, תופסנים ונקודות מטרה מיוחדים או כלים ייעודיים שנדרשו בעבר לרובוטים ששמשו בחלל. וראוי לציין, תכנון זה עודו שומר את המפעיל האנושי בשרשרת הבקרה, באמצעות מערכת בקרה אינטואיטיבית לחישת נוכחות מרחוק (telepresence).
הידיים של הרובוט Robonaut 2 – בעלות יכולות פעולה רחבה – משתמשות בתכנון חדשני הלקוח מתחום המכטרוניקה. בכל קישור שבמבנה הזרוע משובצים מרכיבים תעופתיים שמקטינים את הכבילה ואת זיהום רעש הפרעות EMI. בניגוד למערכות אחרות, הרובוט Robonaut משתמש בגישת מיתרים (chordate) לניהול נתונים, לפיה כל המשוב שמתקבל מרוכז אל מערכת בקרה מרכזית שבה מבוצעת אפילו בקרת סרוו ברמה הנמוכה ביותר. גישה עצבית זו, שקבלה השראה ממערכות ביולוגיות, הורחבה לסימטריה ממוחשבת של שמאל-ימין, לכפילות חיישנים ואספקת כוח וליתירות קינמטית, והיא מאפשרת לימוד וביצוע אופטימיזציה בדרך מכנית, חשמלית ובתוכנה.
התיאוריה – לפיה ייצור הכלים גרם לבני האדם להתפתח, בעצם העובדה שלהשלמתו בני אדם נדרשו למיומנויות שהיו יכולות להיבחר בדרך הטבע – יושמה בתכנון של Robonaut. כלים קיימים לפעילות EVA ששימשו את האסטרונאוטים, היו הבסיס לשיקולי התכנון הראשוניים של המערכת, ומכאן נבע פיתוח היד בעלת חמש האצבעות עם המיומנות הגבוהה של הרובוט Robonaut וכן, תכנון הזרוע בממדים אנושיים, אשר עלתה על טווח התנועה של אסטרונאוטים, אפילו ללא חליפות חלל. דרישות האריזה של המערכת כולה נגזרו מהגיאומטריה של מסדרונות הגישה בפעילות EVA, כמו למשל נתיבים בתחנת החלל ומנעולי אוויר שנבנו עבור בני אדם.
המגוון הרחב של החיישנים שנקבעו ב- Robonaut כללו מכשור חיישני חום, מיקום, מגע, כוח ומומנט שכולל יותר מ- 150 חיישנים בכל זרוע. מערכת הבקרה כוללת יע”מ (CPU) על המעגל המיועד לזמן אמת עם מערכות זעירות של הרכשת נתונים וניהול הספקים בתוך גוף קטן ומוקשח לתנאי סביבה. הנחיה חיצונית מסופקת עם פיקוח אנושי באמצעות תחנת בקרה בנוכחות מרחוק עם מעקב אנושי.
בעת הכנת הרובוט Robonaut 2 לחיים בחלל, עמד צוות הפיתוח בפני כמה אתגרים, ניק רדפורד [Nic Radford], מנהל הפרויקט הממונה של Robonaut, מציין שעל אף שפרוייקטים מסורתיים של מכשירים ממוכנים לשימוש בחלל נמשכו בדרך כלל שנים, “נתנו לנו שישה חודשים בלבד על מנת להעביר את Robonaut – שהוא פיסה קניינית של ציוד ממוכן, מפותחת במלואה – מסביבת המעבדה שלו למצב שבו הוא יהיה כשיר לתנאים הקשים מאוד השוררים בטיסה בחלל. כל זאת היה כרוך בניתוח המערכת מנקודת מבט של החומרים, מבחינת המעגלים ומנקודת מבט של מערכות המכטרוניקה”.
והוא ממשיך: “אחת הבדיקות שהיה עלינו לבצע בעת הכנת הרובוט הייתה ביצוע של הדמיה במובן הממשי ביותר של סביבת הרעידות הקיימת בטיסה של מעבורת, על ידי הרכבת הרובוט Robonaut כשהוא מוטען במנשא המטען שלו על שולחן הרעדה וטלטולו, על מנת ליצור הדמיה של השיגור”.
ליישומי חלל נדרשים תמיד חיבורים פנימיים עמידים בעלי אמינות גבוהה ביותר, אך נתונים במארז זעיר וקל משקל. לרובוט Robonaut 2, עם התכנון האלקטרוני המורכב שלו, נדרשו גם כמויות גדולות של נתונים הנשלחים מהחיישנים בראש ובידיים אל מערכת הבקרה המרכזית. גורם נוסף שהשפיע על בחירת המחבר היה הצורך שהמבנה של Robonaut 2 יהיה מודולרי. רדפורד אמר: “אנחנו יכולים להחליף זרוע, חלקי ידיים, ראש… כך הייתה לנו הזדמנות להטיס חלקים נפרדים שעברו אישור עבור השלבים הבאים (של פעולה), למשל, קבוצה של זרועות המיועדות לפעילות EVA, גוף המיועד לפעילות EVA, וכיו”ב. השלב השני בחייו של Robonaut 2 בתחנת החלל יהיה קשור למארז יכולת תנועה – רגל שבה הוא יוכל להשתמש על מנת לנוע ברחבי תחנת החלל. אנחנו מתכננים לשדרג את הרובוט לאורך חיי השימוש בו במהלך השנתיים הבאות ומתכוונים לאפשר את הוצאתו אל מחוץ לתחנת החלל.”
כששיקולים אלו מנחים אותם, בחרו אנשי צוות התכנון של Robonaut 2 עבור פרויקט זה בגרסת הטכנולוגיה המעורבת Mix-Tek בסדרת Datamate, המחבר של הכניסות והיציאות של החברה המובילה למערכות החיבורים הפנימיים באמינות גבוהה, חברת Harwin. מחברים מטווח מוצרים זה שימשו בהצלחה בפרוייקטים אחרים של מערכות ביטחוניות ובפרוייקטים חלליים הנתונים למצבי קיצון בטווח רחב של הלמים, רעידות וטמפרטורות.
הצוות חיפש משפחה של מחברי מעגל למעגל שיכולה לטפל בזרמים גבוהים למדי שבין 10 אמפר ל- 15 אמפר. העובדה שמחברי Datamate של Harwin יכולים לטפל באותות ובהספק באותו מארז הייתה יתרון ממשי. הצוות היה נתון ללחץ זמנים משמעותי ונזקק לפתרון במארז קטן. הגורם שהכריע את הכף לטובת מחברי Datamate היה שלמחבר רב-שימושי – של Robonaut 2 נדרשו כמה תצורות שונות – בנוסף לעובדה שחברת Harwin יכולה הייתה לייצר במהירות מחברים באותן תצורות בדיוק שנדרשו, וללא זמן ביצוע ארוך שנדרש ליצירת הכלים. Harwin התחייבה לזמן אספקה של חמישה שבועות, משך זמן שהוא קצר באופן משמעותי מהמקובל בתעשייה – שמונה עד עשרה שבועות.
מחברי Mix–Tek בסדרת Datamate של חברת Harwin משמשים בכל מקום ב-Robonaut, במיוחד בראש ובזרועות. מחברי Mix–Tek בסדרת Datamate בעלי מרווח של 2 מ”מ קיימים במספר עצום של תצורות עבור אותות, מתח וחיבורי coax, ולמעשה, הם מאפשרים ללקוח לתכנן את מחבר Datamate הייעודי שלו והמיוחד ליישום שלו. מגעים מסובבים, המשמשים בשילוב עם תופסן, המגעים מנחושת ובריליום בעלי ארבע האצבעות, מבטיחים את אמינות המגע. מחברי Mix–Tek בסדרת Datamate קיימים באפשרויות של מחבר זכר עם מגעים להלחמה למעגל מודפס, מחבר נקבה עם מגעים ללחיצה, מחבר זכר עם מגעים ללחיצה ומחבר נקבה עם מגעים להלחמה למעגל מודפס עם 50 מגעים לתדירות נמוכה או 12 מגעים מיוחדים (חיבורי coax או חיבורים למתח). הם מתחברים למחברים שווי ערך ידועים בתעשייה כדי לאפשר התאמה טכנית (retrofit) והם מתאימים במיוחד ליישומים דורשניים לרעידות בעוצמה גבוהה. היציקות מקוטבות והן עומדות בדירוג UL94V-0. מחברי Mix-Tec תואמים לתקן CECC 75101–008 ולתקן MIL C 55302 ואפשר לקבל אותם עם סיומות מאובטחות לקבלת אבטחה נוספת ביישומים הנתונים לרעידות בעוצמה גבוהה.
נושא חשוב שנלקח בחשבון בתכנון הרובוט Robonaut 2 היה הפרעות EMC. אסור שחומרה שפועלת בתחנת החלל הבינלאומית (וכן במעבורת) תיצור הפרעות חשמליות למערכות אחרות, וכן אסור שהיא תהיה רגישה להפרעות EMI. חברת Harwin השיקה לאחרונה גרסה מסוככת של מחברי Datamate, מחברי Datamate S-Tek, המבוססת על כיפה אחורית (backshell) מתכתית המיוצרת בעיבוד שבבי אשר מספקת הגנה חשמלית נגד הפרעות RFI ו-EMI. חברת Harwin טוענת שמחברי S-Tek בסדרת Datamate הם המחברים המסוככים באמינות גבוהה בעלי העלות הנמוכה ביותר בתעשייה, ומשמעות ההשקה שלהם היא שאפשר לשקול את השימוש במחברי Datamate עבור יישומי כניסות ויציאות וכן גם לתכנוני הרכבה על מעגלים מודפסים.
הרובוט Robonaut תוכנן על ידי הסניף של Robot System Technology במרכז החלל על שם Johnson של NASA בשותפות עם ענק כלי הרכב, GM (ג’נרל מוטורס). לסוכנות NASA ולחברת GM יש היסטוריה ארוכה ועשירה של שותפות הנמשכת לאחור עד לשנות השישים, עם פיתוח מערכות הניווט של משימות תוכנית Apollo9, דרך הפיתוח רכב הירח (Lunar Rover Vehicle) – הרכב הראשון ששימש על פני הירח. במקרים רבים היו הדרישות שהועמדו בפני המחברים ששימשו בחלל ובסביבת הייצור התעשייתי דומות – הם היו חייבים לפעול באופן אמין בתנאי פעולה קשים ביותר של הלמים, רעידות וטמפרטורה, ועם זאת עליהם להיות תמיד קלי משקל, קטנים ובעלי יכולת חיבור וניתוק חוזרים ונשנים. העולם התעשייתי המסחרי הוסיף תנאי אחד נוסף: עלות. בשעה שמחברי סדרת Datamate של Harwin הציעו ביצועי אמינות גבוהים ביותר, עלותם הייתה גם נמוכה בהרבה מעלות המוצרים לפי מפרט צבאי.
HARWIN מיוצגת ע”י STG שהינה הנציגה והמפיצה הבלעדית של החברה בארץ.
