רובוטיקה

רובוטיקה

רובוטיקה היא תחום בהנדסה הנוגע בבניית רובוטים, מכשירים היכולים לנוע ולהגיב לפי מידע מחיישנים. רובוטיקה היא גם ענף בחקר הבינה המלאכותית. רובוטיקה הוא נושא רב תחומי ונוגע בתחומי הנדסה רבים כמו הנדסת מכונות, הנדסת אלקטרוניקה והנדסת תוכנה.

המילה רובוטיקה - מלשון רבוטה (ROBOTA), מילה צ'כית לעבודה מאולצת - חודשה על ידי המחזאי קארל צ'אפק. המובן של הרובוטים כפי שאנו מכירים אותו היום הוצג על ידי הסופר אייזק אסימוב בספרו משנת 1950 "אני, רובוט". בספר זה הציג הסופר גם את שלושת חוקי הרובוטיקה המוטלים על הרובוטים כדי שלא יסכנו את בני האדם.

כיום כשמדברים על רובוטים מדברים לאו דווקא על מכונות מוחשיות, כי היום גם חלק מהתוכנות הממוחשבות נקראות רובוטים, וגם עוד מכונות המגיבות לנתונים שהן מקבלות מן הסביבה. רובוט בהקשר המסורתי הוא סוכן מכני. בדרך כלל המדובר במערכת אלקטרו-מכנית, אשר התבוננות באופן התנועה שלה יוצרת תחושה של כוונה או רצון עצמאיים^[1]. במילים אחרות, על רובוט להפגין מידה מסוימת של תבונה. באופן מפתיע, אין הגדרה מוסכמת על החוקרים למושג רובוט, עם זאת מוסכם על כולם שנוסף על יכולת תבונית על רובוט להיות מסוגל לאחת או יותר מהמשימות הבאות : תנועה עצמאית, הפעלת זרוע מכנית, חישה, ופעולה על סביבתו. במחקר ברובוטיקה נכללים תחומי המכניקה, הבקרה, האינטראקציה עם בני אדם והחישה.

רובוטיקה רפואית

בשנים האחרונות התפתח תחום הרובוטיקה גם לכיוון הרפואי. הרעיון שעמד בבסיס השילוב בין התחומים היה יכולת הדיוק והנגישות הגבוהה של הרובוט יחד עם הצורך בתכונות אלו בפרוצדורות רפואיות מגוונות. הרובוטים נמצאים כבר בשימוש ובשלבי פיתוח מתקדמים במספר תחומים ברפואה ובהם: ניתוחים בפולשנות מזערית, ניתוחי גב, ניתוחי מוח (ביופסיות), ניתוחים אורולוגייים וניתוחי לב. יישומים נוספים נבחנים כל העת. תחום הרובוטיקה הרפואית כמו תחום הרובוטיקה בכלל הוא רב תחומי ומשלב בתוכו בקרה, הנדסת מכונות, הנדסת תוכנה, אלקטרוניקה, חיישנים ואינטליגנציה מלאכותית. בישראל עוסקת המעבדה לרובוטיקה רפואית ע"ש קאן הממוקמת בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, בפיתוח רובוטים רפואיים ומתוכה צמחו פרויקטים מסחריים ורובוטים המנתחים בפועל בבתי-חולים בעולם.

החברות המובילות בעולם בתחום הרובוטיקה הרפואית הן:

§         Intuitive Surgical  המייצרת את הרובוט Da-Vinci המשמש לניתוחים בהפעלה מרחוק (remote manipulation).

§         Mako Surgical  המייצרת את הרובוט Rio לניתוחי החלפת מפרקי ברך וירך.

§         Curexo  המייצרת את ה- RoboDoc לניתוחי החלפת מפרקי ירך.

§         Mazor Robotics  הישראלית, המייצרת את ה- SpineAssist לניתוחי גב.

§         Accuray  המייצרת את ה- CyberKnife להקרנת גידולים, בעיקר במוח.

§         Elekta AB  השוודית, המייצרת את ה- Gamma Knife להקרנת גידולים במוח.





תחומי המדע המשולבים  ברובוטיקה

אם אתם חושבים שרובוטים שייכים רק לעולם הסרטים אז תחשבו שוב. ברגע זה רובוטים בכל העולם נמצאים בתזוזה. הם צובעים מכוניות במפעלי "פורד", אופים עוגיות בשביל חוות פפרידז', נכנסים לתוך הרי געש פעילים, הם מפעילים רכבות בפריז ומנטרלים פצצות בישראל ובצפון אירלנד. בזמן שהם מתפתחים, נהפכים לכלי תנועה וחכמים יותר, הרובוטים של היום עושים יותר ויותר דברים שבני אדם אינם יכולים או לא רוצים לעשות. 
רובוטים היו בסביבה פחות מ-50 שנה, אך הרעיון של מכונות חסרי-חיים שממלאים אחר פקודותינו הוא ישן בהרבה. המשורר היווני הקדום הומר תיאר עלמות מזהב, עוזרות מכניות שנבנו ע"י האל היווני הפאיסטוס. הגלמים של אגדה יהודית מימי-הביניים היו עשויים מטיט והובאו לחיים בידי מילות קסם. בשנת 1495, לאונרדו דה-וינצ'י שרטט תוכניות לאדם מכני. 
אך רובוטים אמיתיים הפכו לאפשריים רק לאחר שנות החמישים והשישים של המאה העשרים, עם המצאת הטרנזיסטור ומעגלים משולבים. קומפאקטיות, אלקטרוניקה אמינה ותעשיית מחשבים שצומחת הוסיפו בינה לכוח של המכונות הקיימות. בשנת 1959, מדענים הדגימו את האפשרות של ייצור מבוקר כאשר הם חשפו מכונה המייצרת מאפרות שנשלטת ע"י מחשב. 
התעניינות ציבורית ברובוטים החלה בתחילת 1980,שנגרמה בחלקה ע"י סרטים כמו "מלחמת הכוכבים", שהציגו את הרובוטים C3PO R2D2 כעוזרים יעילים לאדונם האנושי. אך ההתעניינות ירדה לאחר שאנשים גילו כי רובוטים מתקשים לבצע פעולות שאנו תופשים אותם כקלות-כמו תזוזה במבוך. 
כיום רובוטים נהנים מתחייה. מעבדי מחשב מהירים וזולים יותר הופכים רובוטים לחכמים יותר ופחות יקרים. בו-זמנית, חוקרים עובדים על דרכים לבנות רובוטים כדי לגרום להם לזוז ו"לחשוב" ביותר יעילות. למרות שרוב הרובוטים שנמצאים בשימוש כיום תוכננו לביצוע משימות מסוימות, המטרה היא לייצר רובוטים אוניברסליים, רובוטים גמישים מספיק שיוכלו לבצע כל משימה שהאדם מסוגל. 
באתר הזה תמצאו מידע מקיף על כל תחומי הרובוטיקה. ותוכלו להתנסות בבינת רובוט פשוט בעצמכם.

רובוט דמוי-אדם (בערך), דגםP 2  שפותח במשך 10 שנים בחברת ''הונדה''.

רכיבים

בסיס (base) או מצע (platform) הרובוט. בסיס מקשר בין הרובוט לרצפה או למשטח אחר. בסיס הרובוט יכול להיות קבוע (fixed) או נייד (mobile) .
בהתאם לכך הרובוט הוא רובוט קבוע או רובוט נייד. 
יד (hand) או יחידת קצה (end effector) . באמצעות היד יכול הרובוט לקיים מגע פיסי עם עצמים שונים בסביבתו ולבצע עבודה, חישה פיסית או פעולות אחרות 
זרוע (arm) או זרוע מכנית (mechanical arm) . הזרוע מחברת את יד הרובוט לבסיסו (כלומר, היד נמצאת בקצה הזרוע). הזרוע יכולה לבצע תנועה שבאמצעותה היד עוברת ממקום למקום. 
הערה: לרובוט תעשייתי טיפוסי זרוע אחת ויד אחת. 
מנועים (motors) ומפעילים (actuators) . מרכיבים אלה מספקים את הכוח המניע ואת ההנעה לזרוע הרובוט או לגוף הרובוט(במקרה של רובוט נייד); תפקידם דומה לתפקיד מערכת השרירים בגוף האדם. 
בקר (controller) או יחידת בקרה (control unit) . מרכיב זה כולל, בין השאר, מערכת מחשב והוא שולט בתנועות הרובוט ומבקר את 
פעולותיו . בכך דומה הבקר למוח האדם. בדרך כלל מותקן ברובוט מיקרו-מחשב או מיני-מחשב. 

חישנים (sensors) חיצוניים. החישנים החיצוניים סורקים את סביבת הרובוט, אוספים עליה נתונים, ומעבירים אותם לבקר לצורך עיבוד וקבלת החלטות. החישנים הם "עיני" הרובוט ו"אוזניו". (כמעט בכל רובוט יש גם חישנים "פנימים" העוקבים אחר התנועה של הרובוט ומעבירים את נתוני התנועה לבקר הרובוט). 
רוב הרובוטים התעשייתיים הקיימים כיום הם נייחים. לגבי רובוטים כאלה נהוג לקרוא לחלק הרובוט הכולל את הבסיס, הזרוע והיד, בשם מניפולטור (manipulator) .
המניפולטור הוא חלק המכני המרכזי של רובוט תעשייתי . 
הערה: בעבר (עד שנות ה- 60) שימש המונח מניפולטור לציון זרוע מכנית המופעלת מרחק על-ידי מפעיל אנושי; כיום נקראת זרוע כזו בשם teleoperator (מפעיל מרחוק).

תמסורות סוגים ותפקידים

אל מנת לאפשר לרובוט לנוע יש צורך במנוע, היות ואי אפשר לחבר מנוע לכל חלק נע ברובוט יש צורך להעביר את תנועת המנוע לחלקים השונים ברובוט כגון: גלגלים או זרועות. את התנועה מעבירים בעזרת תמסורות שמם כיוון שהם "מוסרים" תנועה ממקום למקום. 
בעזרת תמסורת הבנויה לרוב ממערכת גלגלי שינים אפשר להעביר תנועה למרחק רב. 
תמסורת מעבירה את הכוח מהמנוע לגלגים. התמסורת יכולה לסובב את הגלגל בכוון או מהירות שונים מהמנוע. יש דרכים שונות להעביר כוח מהמנוע אל הגלגלים. השיטות הנפוצות יותר מודגמות באיורים הבאים. חלקן קלות יותר לבניה מאשר אחרות וכל אחת מתאימה לצרכים אחרים. 
תמסורת חיכוך: 

תמונה של תמסורת מסובכת כמו שמשתמשים ברובוטים.

תמסורות להעברת התנועה

פעמים רבות נמצא המנוע במרחק רב מהחלקים שאותם רוצים להפעיל. במקרה כזה נשתמש בתמסורת כדי להעביר את התנועה מהמנוע אל החלק המרוחק. קיימים סוגים שונים של תמסורות מסוג זה:
אפשר להשתמש בציר ארוך (הביטו בתמונה). מצדו האחד של הציר מחובר המנוע, ומצדו השני - החלק שאותו הוא מסובב



אפשר גם להשתמש ברצועות או בשרשראות. בתמסורת רצועה פשוטה יש שני גלגלים (שאינם גלגלי שיניים) המחוברים ביניהם ברצועה הדוקה (לרוב רצועת גומי). כאשר אחד הגלגלים מסתובב, הוא מסובב את הרצועה, וזו מסובבת את הגלגל השני. את תמסורת השרשרת אתם ודאי מכירים מהאופניים. בתמסורת זו משתמשים בגלגלי שיניים ובשרשרת. השיניים של גלגלי השיניים נכנסות לחורים שבשרשרת. כאשר אחד מגלגלי השיניים מסתובב, הוא מסובב את השרשרת, וזו מסובבת את גלגל השיניים השני. בתמסורת רצועה, הרצועה עלולה "לגלוש" מהגלגלים או להחליק מהם. השרשרת, לעומת זאת, תפוסה חזק יותר בשיניים. ממהירות כנגד כוח חד-אופן:  התמסורת הפשוטה ביותר היא תמסורת ישירה, כלומר המנוע מחובר באופן ישר לציר של הגלגל המונע. חד-אופן משתמש בתמסורת זו כדי להעביר את הכוח לגלגלים. על כל סיבוב עם הרגלים הגלגל גם כן יעשה סיבוב שלם. מהירות:  דמינו לעצמכם ששני חברים עושים תחרות על חד-אופן. לחד-אופן של בני יש גלגל רגיל, ולקרן יש גלגל גדול פי 2. אם שניהם ידוושו בקצב זהה (מספר זהה של סיבובים לדקה), מי מהם ינצח? בשני המקרים, כל סיבוב שלם של הפדלים גורם לסיבוב שלם של הגלגל, אבל סיבוב אחד של הגלגל של קרן יקדם את החד-אופן שלה פי 2 רחוק יותר מהחד-אופן של בני. לכן, קרן הייתה מנצחת עם הם שניהם היו מדוושים בקצב זהה. אם בני רוצה לנצח, עליו לדווש לפחות פי-2 מהר יותר מקרן.  האם אי פעם ניתקלתם בתמונות אופניים ישנות בעלי גלגל קידמי גדול במיוחד. אופנים אלו אפשרו לרוכב לנסוע מהר יותר, בלי לדווש כמו משוגע. כעת נתבונן בתמסורת שונה מעט ונפוצה יותר בכלי רכב. אופנים בעלי 3 מהירויות ותמסורת שרשרת. השרשרת מעבירה את הכוח מתנועת הדושות אל הגלגל האחורי. כוחות על אופנים:  השרשרת גולשת בין גדלים שונים של "גלגלי שרשרת", יחסית למהירות של הרוכב. איזו קומבינציה של גלגלי שרשרת יגרמו לרוכב לנוע הכי מהר?  קל סיבוב של גלגל השרשרת הקידמי יגרום לגלגל האחורי פעם אחת בקומבינציה מס; 1, פעמיים בקומבינציה מס' 2, וארבעה פעמים בקומבינציה מספר מס' 3. לכן קומבינציה מס' 3 תגרום לרוכב להגיע למהירות הגבוהה ביותר (קומבינציות אלו נקראות גם הילוכים). אז כיצד תוצאה זו תשפיע על אופן השימוש של הרוכב באופניים? אבכן, כאשר הרוכב מתחיל לנסוע הוא ישמתש בהילוך מס' 1. אחרי זמן מה, הרגלים שלו יסתובבו נורא מהר והוא יעבור להילוך מס' 2. כעת הרגלים שלו מסתובבות רק בחיצי מהקצב שהסתובבו שינה לפני כן, אך האופנים עדיים ימשיכו לנוע מהר. הוא יכול להגביר שוב פעם את הקצב ולהעביר להילוך סמ' 3. אם הרוכב נוסע ב-5 קמ"ש בהילוך ראשון, מה תהיה מהירותו עם הוא ידווש באותו קצב אבל יהיה בהילוך שלישי? בהילוך השלישי ואותו קצב סיבוב של הדוושות יתנו מהירות פי-4 יותר גדולה, כלומר 20 קמ"ש. כוח השאלה המתבקשת היא, למה לא לנסוע כל הזמן במהירות המירבית, כלומר בהילוך הגבוהה ביותר? אבכן, אי-אפשר לקבל הכל בלא כלום! אז מה נותנים כאשר מרוויחים במהירות? דמינו לעצמכם שני רוכבי אופנים המגיעים לגבעה תלולה. משה ודוויד שניהם בהילוך שלישי, כיוון ששניהם נוסעים מהר. דוויד מוריד הילוך, לשני, אבל משה מחליט להשאר בהילוך שלישי, כיוון שהוא יודע שההילוך השלישי מאפשר לו לנוע מהר יותר והוא רוצה להגיע לראש הגבעה כמה שיותר מהר.   דוויד כעת נוסע בחצי המהירות, כיוון שהוא כרגע הוריד הילוך ומשה חולף על פני במהירות. ככל שמשה עולה גבוה על הגבעה ככה הוא מרגיש שלרגלים שלו קשה יותר ויותר לסובב את הדוושות. הוא מתחיל להאט ולבסוף עוצר כיון שזה כבר קשה מדי בשבילו. דוויד, באיטוית אך בבטיחה, חולך על-פני משה ומגיע לראש הגבעה לפני משה שעצר באמצע הדרך.  אז מה קרה פה? אם רק משה היה יכול להשמיך לדווש באותו קצב, הוא היה מנצח את דוויד במרחק רב! כל פעם שדוויד היה מדווש סיבוב אחד הגלגל האחורי שלו היה עושה 2 סיבובים, אבל הגלגל האחורי של משה היה עושה 4 סיבובים. פי 2 יותר מדוויד!  דוויד הבין שעליו לנצל רק חצי מהאנרגיה, על כל סיבוב של הדוושות, שמשה מנצל כיוון שמשה מתקדם פי 2 יותר רחוק על כל סיבוב של הדוושות. בגלל זה משה התעיף, כיוון שאת הדוושות שלו היה קשה לסובב. במילים אחרות סיבוב הדוושת שלו דרש יותר כוח מאשר סיבוב הדוושת של דוויד. האם אפשר להסיק מכאן שדוויד ניצל פחות אנרגיה מאשר משה כאשר עלה על הגבעה? לא! נסביר למה? דוויד מנצל רק חצי מהאנרגיה על כל סיבוב של הדוושות, אבל זה רק בגלל שהוא עובר חצי המרחק על כל סיבוב של הדוושות. לכן על דוויד לדווש פי 2 יותר פעמים כדי להגיע לראש הגבעה. קיבלנו שדוויד ומשה בעליה על אותה גבעה ינצלו אותה אנרגיה גם אם הם נוסעים השורה התחתונה היא, כאשר מרוויחים במהירות (או במחרק), מפסידים בכוח. את הדוושות יותר קשה לסובב. ניתן להרוויח במרחק או במהירות, אך לא את שתיהם בו זמנית. מנועים רובוטים מאופיינים ביכולתם לנוע, זו אחת מהתכונות המבדילות אותם ממחשבים גרידא.אקטואטור היא מילה אחרת למנגנון המייצר תנועה. רובוט יכול לכלול מספר תריסרים של אקטואטורים המייצרים תנועה כלשהי בהתאם למשימה ספציפית.  מנוע חשמלי הוא אקטואטור המייצר תנועה מאנרגיה חשמלית ע"י שימוש באפקטים אלקטרומגנטיים. כאשר זרם חשמלי זורם דרך סליל מתכת הקרוב למגנט נוצר כוח שמופעל על הסליל. מנועים חשמליים פועלים בד"כ במהירויות גבוהות ובעלי כוח סיבובי נמוך.נרוב הרובוטים זקוקים למהירות נמוכה אך כוח רב ולכן משתמשים במערכת הילוכים המווסתת את המהירות והכוח הסיבובי. ישנם מנועים חשמליים שאינם מייצרים תנועה סיבובית. סולנואיד הוא מנוע חשמלי המייצר תנועה קווית ומשמש בעיקר במערכות הדורשות פעולה של כיבוי והדלקה.  כוונון עדין של המיצוב הינה תכונה חשובה ברובוטים המושגת בעזרת מנועי צעד. מנועי צעד הם מנועים מיוחדים המאפשרים תנועה מדויקת של "צעדים" ההופכת אותם לאידיאליים לכוונוני מיצוב קטנים וחוזרים ונשנים. סוג מנועים נוסף המשמש למיצוב הם מנועי הסרוו אלא שתנועתם מוגבלת ל- 90° שמאלה וימינה. מנועים מסוג זה משמשים במכוניות צעצוע, סירות או מטוסים המופעלים בשלט רחוק לצורכי ניהוג. תיל Nitinol הוא מתכת ייחודית הידועה כ- סגסוגת זוכרת צורה. ניתן להשתמש במתכת זו להפעלת חלקי רובוטים . Whenכאשר מחממים את התיל ה- Nitinol עם זרם חשמלי הוא מתקצר ב- 10% (בשונה ממתכות אחרות התרחבות כתוצאה מהתחממות). הכוח הנובע כתוצאה מהתקצרות זו חזק מאוד- 1556 ק"ג לסנטימטר מרובע. תיל דק כשערה, בקוטר ארבע אלפיות המילימטר, יכול לשאת משקל של 312 גרם.  לא כל האקטואטורים של הרובוטים הם חשמליים- אקטואטור הידראולי משתמש בשמן ואקטואטור פנאומטי משתמש בגז כדי לייצר תנועה.. התנועה נוצרת ע"י תנועה של בוכנה הנעה פנימה והחוצה. משתמשים במערכות הידרלאוליות במקום מערכות הנע חשמליות כאשר קיימת סכנה כתוצאה מניצוצות, כגון באזור של צביעה אוטומטית בו יש סכנה שניצוץ יצית את האדים.מערכות הנע פנאומטיות נפוצות בזרועות אוחזות – החלק בזרוע שאוחז את החפץ ומרים אותו. ע"י דחיסת הגז המנגנון נהיה נוח יותר לתפעול והסיכוי שהחפץ שאותו אוחז הרובוט ישבר קטן.  "שרירי אוויר" הם מערכות פנאומטיות פשוטות המתקצרות ומתארכות בצורה דומה לשריר האנושי. כאשר האוויר נדחס, "שריר האוויר" When pumpedיכל להתקצר ב- 40% מאורכו. עם יחס כוח למשקל של 400 לאחד "שריר אוויר" יכול לספק כוח משיכה משמעותי. מאחר ולרוב הם עשויים מפלסטיק רך וגומי " שרירי אוויר" ניתן לכופף סביב פינות ולהפעילם מתחת למים.  כדי לבצע את המטלה זקוק הרובוט ליחידת קצה – מנגנון אחיזה או כלי כגון מלחם, משור, או מתז. מנגנון אחיזה מבוסס וואקום מתבסס על יניקה כדי להרים גופים עדינים כגון דפי נייר או זכוכית. אלקטרומגנטים משמשים להרמה ושחרור של גופים מתכתיים. מנוע זרם ישר העיקרון של המנוע מבוסס על מגנטים ומגנטיות. המנוע משתמש במגנטים כדי ליצור תנועה. כידוע, במגנטים, הפכים נמשכים והזהים דוחים אחד את השני. כלומר, אם יש לך 2 מגנטים כאשר הקצוות מסומנים ב"צפון" ו"דרום" אזי הצפון של מגנט אחד ימשוך אליו את הדרום של המגנט השני. מצד שני, הצפון של מגנט אחד ידחה את הצפון של המגנט השני (באופן דומה הדרום ידחה את הדרום). בתוך המנוע הכוחות שנוצרים מהדחיה והמשיכה יוצרים תנועה סיבובית.  בתמונה מלעמלה ניתן לראות 2 מגנטים. האחד הוא העוגן(או רוטור), זהו אלקטרו-מגנט. המגנט השני הוא מגנט שדה קבוע(סטטור). מגנט השדה יכול להיות גם אלקטרו מגנט אבל ברוב המנועים הקטנים הוא אינו כזה לשם חיסכון באנרגיה. השדה המנוגד לשדה הסטטור נוצר ע"י שינוי זרימה אלקטורמגנטית בסלילים על גבי הרוטור. הקטבים המגנטים של שדה הרוטור ינסו להסתדר בשורה אם הקטבים המנוגדים לשדה הנוצר ע"י הסטטור. כדי שהמערכת לא תעצור ברגע שהקטבים המנוגדים יתיצבו ישנו חלק של הרוטור דרכו זורם הזרם אל הסלילים שנקרא מחלף. המנוע יסתובב כלפי נקודת האיזון וברגע שהוא יגיע לנקודה הזו מברשות מוליכות העשויות מפחמן-נחושת(אליהן מחובר מקור המתח) יחליפו את כיוון הזרם על המחלף ויגרמו לשינוי הקוטביות של הרוטור. כיוון שהרוטור עבר את נקודת האיזון הקודמת והמשיך להסתובב בגלל קיום התנע ימשיך כעט להסתובב הרוטור אל נקודת האיזון החדשה בהמשך לכיוון התנועה. ברוב מנועי זרם ישר קימים מספר סלילים כדי לגרום לתנועה חלקה יותר של המנוע.  יתרונות: שליטה על מהירות: השליטה על מהירות המנוע היא פשוטה מאוד. ככול שהמתח שניתן למנוע גבוהה יותר ככה המהירות שלנו גדולה יותר. היחס הוא לניארי עד למהירות המקסימלית של המנוע. שליטה על מומנט פיתול: במנועי זרם ישר עם מברשות, שליטה על מומנט הפיתול היא גם פשוטה, כיוון שהוא פורפוציונלי לזרם. אם נגביל את הזרם אז יוגבל גם מומנט הפיתול אליו יוכל להגיע המנוע. מסיבה זה מנוע זרם ישר אידאלי לשימושים שדורשים עדינות רבה, כגון יצור טקסטיל. חסרונות: יקר ליצור שליטה גרוע במהירויות נמוכות גדול פיסית דורש תחזוקה שותפת(ניקוי המברשת או החפתן) רעשים אלקטורניים, ניצוצות תנועה של גופים במרחב ודרגות חופש מניפולטור של רובוט תעשייתי נדרש להגיע לנקודות רבותל ושונות במרחב הסביבה שלו.כמו-כן עליו להיות מסוגל לאחוז עצמים שונים(או להתחבר אליהם בתור כלים) ולהעבירם ממקום. במלים אחרות, עליו לשנות מיקום של גופים קשיחים (וגופים אחרים) במרחב. גוף מסוים יכול לנוע באופן מסוים במישור או במרחב. כדי לתאר את התנועה האפשרית של גוף מסוים יש לבחור מערכת קואורדינטות שבאמצעותו אפשר לקבוע מיקומו של הגוף בכל נקודה של תנועה. בחרנו מערכת צירים קרטזית . מטרה שלנו לציין באילו צירים הגוף יכול לנוע או במילים אחרים באילו צירים יש לגוף חופש תנועה.  במערכת צירים כל קואורדינטה מציינת דרגה חופש של התנועה הנדונה. מספר דרגות החופש של התנועה קובע את "רמת החופש" שיש בתנועה. לכל גוף במרחב יש 6 דרגות חופש שלוש הקואורדינטות , או דרגות החופש, הראשונות ב מערכת זו קובעות את המיקום המרחיבי של נקודות ייחוס מסוימת בגוף. שלול דרגות חופש אחרות קובעות את הסיבובים האפשאריים של הגוף סביב נקודות הייחוס, או את כיוון הגוף במרחב.  כדי לשנות מיקום של גוף קשיח במרכב באופן מבוקר דרושה יכולת לשנות את הערך של כל דרגת חופש בנפרד. עבור גוף קשיח במרחב דרגות חופש אלה מתחלקות , בהתאמה , לשתי קבוצות :  הקבוצה ראשונה מיועדת להביא את יד המניפולטור , או את יחידת הקצה שלו , לנקודה מסיומת במרכב. הקבוצה השנייה של דרגות חופש מיועדת לסובב את היד ואת מה שנמצה בה , סביב אותה נקודה . סיבוב זה מתבצע עד שמגיעים לכיוון הרצוי של היד במרחב. לכל אחת משתי קבוצות אלה יש שלוש דרגות חופש. זרוע מכנית של הרובוט היא גוף מפרקי , הוא גוף המורכב מכמה גופים קשיחים המחוברים בניהם באמצעות מפרקים.  מספר דרגות החופש של מערכת כזו הוא סיכום מספרי דרגות החופש של כל גוף בנפרד. לסיום, נוסיף עוד כי מספר דרגות החופש של רובוט תעשייתי נייד הוא הסכום של מספר דרגות החופש של הבסיס הנע בתוספת מספר דרגות החופש של הזרוע המכנית והיד ברובוט הנדון. הוספת דרגות חופש עשויות להקנות למניפולטור יותר גמישות במעבר בין מכשולים ובהבאת יד המניפולטור למקומות שקשה להגיע אליהם. יד אנושית גמישה ומורכבת לאין ערוך מיד של רובוט תעשייתי. ליד אנושית יש 22 דרגות חופש, שרובן באות לידי ביטוי בתנועות של פרקי האצבעות. יד רובוטית "חכמה" שתחקה את ביצועי היד האנושית נמצאת עדיין בשלבי מחקר ופיתוח.  מעטפת עבודה:  קבוצת כל הנקודות, במרחב הפעילות של הרובוט, שקצה זרוע הרובוט יכול להגיע אליהן נקראת מרחב העבודה של הרובוט. המעטפת של מרחב העבודה נקראת מעטפת העבודה של הרובוט. דוגמאות לשימוש ברובוטיקה בארץ ובעולם לראשונה בישראל ובעולם, נעשה שימוש ברובוט רפואי לשחזור וקבוע שבר בחוליה בעמוד השדרה לראשונה בישראל ובעולם בוצעה בהצלחה במרכז רפואי כרמל ביצוע שחזור וקיבוע שבר בחוליה בעמוד השידרה תוך שימוש ברובוט רפואי. החולה סבלה משבר אוסטופורוטי בחוליה מותנית. צוות מנתחי עמוד שידרה במחלקה אורתופדית שכלל את ד'ר בוריס זילברשטיין, ד'ר ויטלי אלכסנדרובסקי וד'ר אלכסנדר ברוסקין ביצעו את הניתוח תוך שימוש ברובוט רפואי. עד היום ניתוחי שחזור וקיבוע בשברים הנגרמים מחבלות או אוסטרופואוזיס בוצעו ע'י הזרקת 'צמנט' (דבק) עצם, במטרה לשחזר עד כמה שאפשר ולקבע את החוליה תחת שקוף רנטגן ממושך. בניתוח שעבר בהצלחה מירבית, נעשה שימוש ברובוט רפואי שפותח ע'י חב' 'מזור' הישראלית בשיתוף פעולה עם רופאי המחלקה. השימוש ברובוט איפשר דיוק מכסימלי של הפרוצדורה הניתוחית והניתוח בוצע ללא פתיחה אלא רק דרך דקירה בעור המותן. השימוש בטכניקה זו מונע חשיפה ממושכת לקרינת רנטגן, הן למנותח והן למנתח. הרובוט קבע את זוית הכניסה אל החוליה בדיוק מושלם ואפשר את הזרקת החומר לתוך החוליה שקרסה. החולה שוחררה למחרת לביתה. החידוש שבוצע לראשונה הוא השילוב של השימוש ברובוט למתן הזוית הנכונה והזרקת החומר בסיום הנתוח נמצא כי כמות קרינת הרנטגן היתה כרבע מן הקרינה הממוצעת המתקבלת בנתוח כזה בשיטה המקובלת. לדברי פרופ' משה רופמן מנהל מחלקה אורתופדית במרכז רפואי כרמל 'השימוש ברובוט הוא צעד גדול קדימה בטכנולוגיה הכירורגית העתידית והוא מפותח כחול לבן ע'י חברת מזור הישראלית בשילוב רופאי המחלקה. לניתוח ספציפי זה פיתח ד'ר זילברשטיין עזרים מיוחדים שהקלו על הטכניקה הניתוחית תוך השגת הדיוק המכסימלי'. שימוש ברובוטיקה לשיקום לאחר שבץ אחד הביטויים השכיחים של שבץ מוח הינו חולשה בפלג גוף. טכניקה חדשה עשויה לסייע לסובלים מחולשה מוטורית לאחר שבץ להשתקם. הטכניקה כוללת טיפולי פיזיותרפיה מונחי רובוט. בלחיצת ידו של הרובוט  ניתן לאמן למשל תנועות מוטוריות שונות בכף היד החלשה.כך, באמצעות המערכת האינטראקטיבית החולה יכול ללמוד כיצד להשמש שוב בידו. לשימוש במערכת פוטנציאל ללמד את  החולים לבצע שוב פעולות פשוטות  על ידי הפעלת קבוצות השרירים הנכונות ולהמנע,מהפעלה לא נכונה של שרירים,כגון הרמת הכתף על מנת להרים את היד. רפואה,רובוטים מנתח מומחה יושב בחדר פיקוד, מול צג מחשב, שולחן הניתוחים לפניו ריק, לא מוטל עליו אף חולה. במקום איזמל מנתחים אוחזות ידיו של המנתח בידיות ומתגים דמויי ג'ויסטיק. המנותח נמצא בכלל בחדר אחר ואולי אף מעבר לים, ובכל זאת הניתוח מתקיים. פצוע הנמצא באמבולנס, למשל, סמוך לשדה הקרב, שאותו מלווה צוות רפואי שכל תפקידו להשגיח על הרובוט הרפואי. הרובוט מעתיק במדויק את תנועות המנתח, כאילו הניתוח מבוצע ממש במו ידיו. חדר ניתוח עתידני זה אינו פרי מוחו הקודח של תסריטאי הוליוודי, אלא פרויקט עכשווי של צבא ארצות הברית, הסובל ממחסור ברופאים קרביים מיומנים בשדות הקרב. מחקר ופיתוח הרובוטיקה ברפואה צבר תאוצה בשני העשורים האחרונים ולא פסח גם על ישראל. במעבדה לרובוטיקה רפואית על שם 'KAHN' בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, בראשות פרופ' משה שוהם, מפתחים רובוטים תוצרת כחול לבן, לחדרי הניתוח העתידיים. חלקם כבר מופעלים בהצלחה בחדרי ניתוח בארץ ובעולם. "בפעם הראשונה שתפעלתי רובוט רפואי", מתאר פרופ' מיכאל קראוס, מנהל מחלקה כירורגית א' בקריה הרפואית רמב"ם, את התנסותו בסימולציה של ניתוח עם רובוטים רפואיים. "לאחר רבע שעה בלבד יכולתי כבר לבצע חיבור של כלי דם קטנים מאוד". "תנועה בשלושה מימדים? קטן על הרובוט!", מסביר פרופ' קראוס וקשה שלא לשמוע את ההתלהבות בקולו. "כבר פותחו רובוטים עם תנועתיות לשישה מישורים, המדמה בהצלחה את תנועת היד האנושית". הרובוט מול היד האנושית רופ' קראוס מציין את התכונות המקנות לרובוט יתרונות לעומת המנתח האנושי: • ניתוח בהיעדר הכירורג – המתאפשר, למשל, בתנאי שדה. טכניקה זו, של ניתוח מונחה מרחוק, מהווה נדבך מרכזי בתחום הטלרפואה. • אפס רעידות - עובדה בעלת חשיבות גדולה בביצוע פעולות עדינות מאוד, כמו תפירת כלי דם קטנים. • דיוק - הרובוט מאפשר דיוק ונגישות גבוהים יותר מהיד האנושית. הכוונה תלת ממדית מונחית מחשב מאפשרת חדירה מדויקת ונגישות גבוהה לעומק הגוף. כך למשל, ניתן להגיע לגידול ולהסירו במינימום פגיעה ברקמות הסמוכות, או להחדיר בורג בזווית מסוימת ולעומק מסוים בדיוק רב יותר מהיד האנושית. וכך התועלת עצומה במיוחד כשהדיוק הגבוה והפגיעה המופחתת ברקמות הבריאות, מתאפשרים בניתוחי מוח ועמוד שדרה. • שילוב עם לפרוסקופיה - הדרישה הגוברת לכירורגיה זעיר פולשנית, המביאה להחלמה מהירה ומפחיתה את הסיבוכים לאחר הניתוח, יצרה צורך גדל והולך בטכנולוגיות ניתוחיות משוכללות, המבוססות על הנחיית מחשב והפעלת רובוט. לאחר החדרת צינורות לחלל הבטן דרך חתכים זעירים, מבצע הרובוט בצורה יעילה כריתות איברים, כמו כריתת הערמונית, כיס המרה, הטחול, המעי או הכליה וכן קיצורי קיבה (להשמנת יתר) וניתוחים גינקולוגיים. סכנות הניתוח באמצעות רובוט דומות לסכנות הקיימות בכל ניתוח. במידת הצורך, ניתן תמיד להפסיק להסתייע ברובוט ולחזור לתפעול אנושי מסורתי. עד כה, פועלים בחדרי ניתוח ברחבי העולם כמה מאות רובוטים רפואיים, כמות זעומה ביחס למספר הפעולות הכירורגיות המבוצעות בעולם מידי יום, והשאלה שעולה היא מדוע השימוש בהם איננו נפוץ? "החיסרון הגדול של המערכת הוא מחירה הגבוה", מדגיש פרופ' קראוס. "מחיר המערכת הבסיסית הוא מיליון וחצי דולר ועלות יחידת הקצה, המספקת לעשרה ניתוחים בלבד היא כאלף דולר. בעוד שבניתוחים אורתופדים ישנה הוכחה משמעותית של יעילות הרובוטים, בניתוחי בטן לא הצלחנו עד כה להוכיח יתרונות משמעותיים על הכירורג המיומן". רובוט לכל משימה פרופ' שוהם מאמין, כי כיום זוהי רק ההתחלה והיעילות של הרובוטים הרפואיים תוכיח את עצמה במגוון תחומים. את הרובוטים מסווג פרופ' שוהם על פי ביצועיהם וייעודם: 1. רובוט העוקב אחר תנועות המנתח ומעתיק אותן. תנועת הזרוע הרובוטית זהה לתנועת המנתח, אך מדויקת יותר. הניתוח מבוצע בצורה זעיר פולשנית, כשזרוע אחת של הרובוט מצוידת במצלמה ויתר הזרועות מבצעות את הניתוח. 2. רובוט המבצע תהליכים לפי תכנון מוקדם. למשל, רובוט שנוטל ביופסיה מהמוח, על סמך תכנון קדם-ניתוחי שבוצע בעזרת דימות CT. המנתח מאשר את תוכנית הניתוח וקודח נקבים, שדרכם מוחדרות זרועות הרובוט הממשיכות בניתוח המתוכנן. "הרובוט אינו צריך 'לראות' את החולה או לעקוב אחר התקדמותו דרך צילומים חוזרים כדי להגיע ליעדו". מדגיש פרופ' שוהם את היתרון בניתוח ה"סגור". "כך נחסכים מהחולה גם חתך ניתוחי גדול וגם קרינת רנטגן". 3. רובוט התומך בניתוחים לפרוסקופיים. הרובוט מחזיק את המצלמה במקום האסיסטנט ומקבל פקודות בחיווי קולי. הזרוע הרובוטית האוחזת במצלמה יציבה יותר מהיד האנושית ואינה מתעייפת לעולם. פרופ' שוהם מוביל כיום פיתוחים נוספים של מערכות זעירות הנכנסות לגוף האדם, הן לשם אבחון והן לשם טיפול, ומשדרות אינפורמציה מקומית. במקביל, פיתחו פרופ' שוהם וצוותו רובוט ממוזער (בגודל מחשב כף יד), שאפשר להניחו על גוף החולה. הרובוט עוקב אחר תזוזות הגוף בעת הנשימה וזז יחד איתו וכך נמנעת השגיאה האופיינית למערכות שפותחו בתנאי מעבדה ואינן תואמות את תזוזות הגוף האנושי. רובוט נוסף שפותח במעבדה לרובוטיקה בטכניון, מאפשר החדרת מחט באופן מדויק לצורך הזלפת תרופות או נטילת ביופסיה. מסלול המחט אינו בהכרח ישר והיא מסוגלת לתקן את מסלולה תוך כדי תנועה לעבר היעד, לעקוף "מכשולים" ולמנוע פגיעה בכלי דם ועצבים. ד"ר פריד נחול מהמחלקה הנפרולוגית ברמב"ם היה גם הוא שותף לפיתוח הרובוט הזה, שטרם קיבל שם מסחרי ונקרא בינתיים "הרובוט עם המחט הגמישה". הרובוטים הרפואיים מופעלים כיום כיחידות ניסיוניות בתחומים שונים של הכירורגיה הכללית. הניתוחים מתבצעים בעלויות גבוהות מאוד, בתקווה למצוא את הנישה שבה יש לרובוט יתרון מובהק על המנתח האנושי. פרופ' קראוס מאמין, כי "ברגע שייפול הפור והרובוט יוכיח את יתרונו על השיטה השמרנית, התחרות בין החברות תגדל והמחירים ירדו בהתאם". ארה"ב שולחת רובוטים לסייע במשבר הגרעין ביפן ארצות הברית תשלח רובוטים ליפן כדי לסייע בעבודות הנמשכות בניסיון להשיב שליטה מלאה בארבעה כורים גרעיניים בתחנת הכוח "פוקושימה דיאיצ'י", שהתחממו ויש סכנה כי יפלטו קרינה מסוכנת. פיטר ליונס, הממונה על הגרעין במשרד האנרגיה האמריקאי, אמר אמש (שלישי) בדיון בסנאט בוושינגטון כי "רובוט חסין קרינה" יישלח ליפן. דובר של המשרד הוסיף כי המערכות הרובוטיות, הנמצאות דרך קבע במעבדה באיידהו, תישלח ליפן ועמה כמה מצלמות חסינות קרינה.