สาราณุกรมหุ่นยนต์ไทย(2)

 สาราณุกรมหุ่นยนต์ไทย

 การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

 ความสามารถในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ทำให้หุ่นยนต์ทำงานในที่ที่มนุษย์เข้าถึงได้ยาก หรือในที่ที่มีอันตรายสูง แต่การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์โดยเฉพาะหุ่นยนต์ที่ใช้งานอยู่บนบก จะใช้ล้อ หรือล้อตีนตะขาบ ในการเคลื่อนที่เป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตามพื้นที่ที่ไม่มีถนนหรือรางไม่เหมาะสมกับการเคลื่อนที่ที่ใช้ล้อ ซึ่งสามารถเปรียบเทียบรูปแบบของการเคลื่อนที่ที่เหมาะสมได้จากโมบิลิตี้ โมบิลิตี้ของการเดินด้วยขาสูงกว่าการใช้ล้อในพื้นที่โดยทั่วๆไปทำให้การพัฒนาการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์เรียนแบบธรรมชาติก้าวเข้ามามีบทบาทสูงขึ้น เช่นการออกแบบหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่โดยใช้เท้า หรือหุ่นยนต์มนุษย์  ในขณะที่สิ่งมีชีวิตเรียนรู้การเคลื่อนที่ในขณะที่มีการพัฒนากล้ามเนื้อรวมถึงการพัฒนาระบบประสาทควบคู่กันไปพิจารณาได้จากการที่เด็กหัดเดิน การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์โดยเฉพาะหุ่นยนต์ที่ใช้ขาในการเคลื่อนที่กลับต้องคำนึงถึงวิธีการ หรือรูปแบบของการเคลื่อนที่ในการเคลื่อนที่ด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานในการเคลื่อนที่ต่ำสุด เพื่อให้หุ่นยนต์มีความสามารถในการหลบหลีกสิ่งกีดขวาง หรือเพื่อให้เกิดเสถียรภาพในขณะเคลื่อนที่ เป็นต้น นอกจากการเคลื่อนที่บนพื้นดินแล้วมนุษย์ยังได้นำธรรมชาติมาช่วยในการออกแบบกลไกการเคลื่อนที่ทางน้ำ และทางอากาศ เช่น การออกแบบหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ใต้น้ำโดยอาศัยหาง และครีบที่โบกไปมา หรือหุ่นยนต์บินได้ โดยอาศัยปีกที่กระพือได้ จะเห็นได้ว่ากลไกการเคลื่อนที่ของธรรมชาติล้วนแต่อาศัยกลไกการเคลื่อนที่แบบกลับไปกลับมา ทั้งนี้เนื่องจากกล้ามเนื้อของสิ่งมีชีวิตมีระยะยืดหดที่จำกัด ต่างจากต้นกำลังที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้นที่ได้จากการหมุนเป็นหลัก การเคลื่อนที่ในลักษณะกลับไปกลับมาของหาง หรือปีกสามารถสร้างแรงได้อย่างไร และทำไมจึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบขับเคลื่อนที่มนุษย์สร้างขึ้นยังไม่เป็นที่เข้าใจมากนัก แต่ที่พบความน่าสนใจส่วนหนึ่งมาจากกระแสหมุนวนของน้ำ หรืออากาศ หลังจากผ่านจากหางหรือปีกแล้ว ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีงานวิจัยเกี่ยวเนื่องกับการเคลื่อนที่ในลักษณะดังกล่าวอย่างต่อเนื่อง

การเคลื่อนที่ (locomotion) มีความหมายทั่วๆไปตามพจนานุกรมว่า เป็นการกระทำด้วยกำลังเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง

โมบิลิตี้ (mobility)หมายถึงความสามารถของระบบขับเคลื่อนที่จะนำพาหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ไปในพื้นผิวและสิ่งกีดขวางต่างๆ

หุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ได้ (mobile robot) หมายถึงเครื่องจักรกลอัตโนมัติที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในสิ่งแวดล้อมที่กำหนดให้ โดยหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้ตัวแรกเกิดขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองในช่วงปี ค.ศ. 1934-1945 ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ระเบิดบิน (flying bomb) ที่มีความฉลาดโดยอาศัยเซนเซอร์ควบคุมการจุดระเบิด ในช่วงปี ค.ศ. 1948-1949 นายเกรย์ ดับบริว วอลเทอร์ สร้างเอลเมอร์ และเอลซี่ ซึ่งเป็นหุ่นยนต์อัตโนมัติมีรูปร่างคล้ายเต่าเรียกว่า แมคินา สเปคคูลาทริกซ์ (machine speculatrix) เพราะหุ่นยนต์ชอบสำรวจสิ่งแวดล้อมรอบตัวมัน หุ่นยนต์ทั้งสองตัวมีเซนเซอร์วัดแสงถูกโปรแกรมให้วิ่งเข้าหาแสง แต่หุ่นยนต์กลับสามารถแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อนได้เมื่อต้องหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง ต่อมาในปี ค.ศ. 1961-1963 มหาวิทยาลัยจอนส์ฮอปกินส์ได้พัฒนาหุ่นยนต์เรียกว่า “บีสท์” ซึ่งใช้โซน่าช่วยในการเคลื่อนที่ และสามารถกลับเข้ามาเติมพลังงานเข้าสู่แบตเตอรี่ได้เอง ปี ค.ศ. 1977 หนังเรื่องสตาร์วอร์ ได้สร้างจินตนาการถึงหุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอัตโนมัติ (R2D2) และหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์ (C3PO) ทำให้คนส่วนใหญ่รู้จักหุ่นยนต์ ที่จริงได้มีความพยายามทำหุ่นยนต์ คล้ายมนุษย์มานานตั้งแต่ ค.ศ. 1206 โดยนาย อิน อิซเมล อิน อัลรัซซาซ อัล จาซารี (Ibn Ismail Ibn al-Razzaz Al-Jazari) เป็นเรือมีนักดนตรีอัตโนมัติอยู่สี่ตัวคอยให้ความเพลิดเพลินกับแขกของพระมหากษัตริย์ หลังจากนั้นได้มีการพัฒนาหุ่นยนต์มนุษย์อย่างต่อเนื่องจนประมาณ ค.ศ. 1986 บริษัทฮอนด้าได้สร้างหุ่นยนต์สองขาขึ้น จนกระทั้งในปี ค.ศ. 2000 ทางบริษัทได้พัฒนาหุ่นยนต์มนุษย์ตัวที่ 11 ซึ่งรู้จักกันในชื่อว่า “อาซิโม” (ASIMO) เปรียบเสมือนผู้นำเสนอเทคโนโลยีของบริษัทจนถึงปัจจุบัน ในปี ค.ศ. 2004 Defense Advanced Research Projects Agency หรือที่รู้จักกันในชื่อ DARPA ได้เสนอการแข่งขันที่เรียกว่า DARPA Grand Challenge ซึ่งต้องการให้ออกแบบยานพาหนะอัตโนมัติที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านทะเลทรายได้เอง ปัจจุบันมีการพัฒนาหุ่นยนต์อีกมากที่ไม่ได้กล่าวถึงทั้งในแง่ของความชาญฉลาด ในแง่ของความซับซ้อน และการทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์อย่างอัตโนมัติ ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อสันติและเพื่อสงคราม                                                  

รูปที่ ๙ รูปหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์ที่ FIBO พัฒนาขึ้น

วิธีการเคลื่อนที่ (gait, locomotion gait) หมายความถึงหนึ่งรอบของรูปแบบของการเคลื่อนไหวเพื่อให้ได้มาซึ่งการเคลื่อนที่ แบ่งออกเป็นเกทอย่างง่าย และเกทประกอบ โดยที่เกทประกอบอาจจะประกอบด้วยเกทอย่างง่ายสองเกทขึ้นไป วิธีการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวขับเคลื่อน เช่น หุ่นยนต์ปลาใช้หางเป็นตัวขับเคลื่อน อาจจะแบ่งเกทอย่างง่ายออกเป็นสี่แบบได้แก่ เกทเพื่อใช้เร่งความเร็ว เกทเพื่อใช้รักษาความเร็ว เกทเพื่อใช้ชะลอความเร็ว และเกทเพื่อใช้ในการเปลี่ยนทิศทาง โดยที่เกทแต่ละแบบอาจจะผ่านการคำนวณเพื่อให้การใช้พลังงานต่ำสุด หรือเกทของหุ่นยนต์ที่ใช้ขาในการเคลื่อนที่ไม่ว่าจะเป็นหุ่นยนต์ขาเดียว หรือหลายขา เช่น หุ่นยนต์สี่ขา (quadruped robot) มีเกทสามประเภทในการทำให้ขาเคลื่อนที่เป็นคู่ๆ ได้แก่ การเดินแบบกึ่งเดินกึ่งวิ่ง (trot) การเดิน (pace) และ การกระโดด (bound)

รูปแสดงเกทของการเคลื่อนที่ของขาเป็นคู่สำหรับหุ่นยนต์สี่ขา รูปด้านซ้ายสุดเป็นรูปของการเดินแบบกึ่งเดินกึ่งวิ่งซึ่งขาคู่ด้านซ้ายจะใกล้กันส่วนด้านขวาจะห่างกันและจะสลับไปในขณะเคลื่อนที่ รูปตรงกลางเป็นลักษณะของการเดินโดยที่ขาคู่ด้านซ้ายและขวาจะขนานกันในขณะที่ขาคู่ขวาจะผลักให้ไปข้างหน้าในขณะเดียวกับขาคู่ซ้ายจะก้าวไปด้านหน้าสลับกันไป รูปด้านขวาสุดเป็นการกระโดดโดยขาคู่หน้าจะดึงเข้าหาตัวส่วนคู่หลังจะผลักออกจากตัวสลับกันไป

เสถียรภาพ (stability) การจะกล่าวถึงเสถียรภาพเราจำเป็นต้องกล่าวถึงจุดสมดุล (equilibrium point) ก่อนเนื่องจากเสถียรภาพเป็นคำกว้างๆเข้าใจโดยทั่วๆไปว่าความสามารถในการรักษาตำแหน่งหรือเส้นทางที่กำหนดภายใต้การรบกวนจากภายนอก แต่ที่เราให้ความสนใจในทางวิศวกรรมการควบคุมจะสัมพันธ์กับจุดสมดุลเสมอ จุดสมดุลคือจุดที่มีความเร็วเป็นศูนย์ในขณะที่ไม่มีแรงภายนอกหรือสัญญาณรบกวนมากระทำ

รูปที่ ๑๐ แสดงตำแหน่งของจุดสมดุลแบบต่างๆ

 จุด ก จ ฉ และ ช และจุดต่างๆระหว่างจุด ข และ ง เช่น จุด ค ต่างก็เป็นจุดสมดุลของระบบ นอกจากนี้เรายังจะแบ่งเสถียภาพของจุดสมดุลออกเป็นสามชนิด ได้แก่ จุดสมดุลที่มีเสถียรภาพ (stable equilibrium point) จุดสมดุลที่มีเสถียรภาพแบบลู่เข้า (asymptotically stable equilibrium point) และจุดสมดุลที่ไม่มีเสถียรภาพ (unstable equilibrium point) จากรูปข้างต้น จุดสมดุลที่มีเสถียรภาพคือจุดสมดุลที่เมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ในตำแหน่งใกล้ๆกับจุดสมดุลโดยกำหนดขอบเขตที่วัตถุจะเคลื่อนที่ไปได้แล้ว พบว่าวัตถุไม่ได้เคลื่อนที่ออกไปไกลจากจุดสมดุลที่เกินกว่าขอบเขตที่กำหนดให้ ในขณะที่จุดสมดุลแบบลู่เข้าวัตถุจะวิ่งเข้าสู่จุดสมดุลเสมอ ส่วนจุดสมดุลที่ไม่มีเสถียรภาพคือจุดสมดุลที่วัตถุจะเคลื่อนที่ออกไปไกลกว่าขอบเขตที่กำหนด

รูปที่ ๑๑ แสดงพฤติกรรมของสมดุลชนิดต่างๆ

กระแสหมุนวน (vortex) หมายถึงการเคลื่อนที่แบบหมุนวนของกลุ่มอนุภาครอบแกนหมุน กระแสหมุนวนเกิดขึ้นทั่วไปในธรรมชาติตั้งแต่ขนาดเล็กที่เห็นได้อย่างชัดเจนบริเวณเสาของสะพานที่น้ำไหลผ่าน หรือแม้แต่การที่เราลากมือผ่านน้ำในอ่างเราจะเห็นการหมุนวนของน้ำทางด้านหลังของมือ จนกระทั้งกระแสหมุนวนขนาดใหญ่ เช่น ภาพถ่ายมุมสูงของพายุเฮอริเคน ในขณะที่เราลากมือผ่านน้ำเรารู้สึกว่ามีแรงต้านการเคลื่อนที่แรงดังกล่าวส่วนหนึ่งมาจากแรงเสียดทานระหว่างน้ำกับมือ ความดันที่แตกต่างระหว่างหน้ามือและหลังมือ และการสูญเสียพลังงานไปในการสร้างกระแสหมุนวน ในขณะที่การเคลื่อนที่ส่วนใหญ่สูญเสียพลังงานเนื่องจากการเกิดกระแสหมุนวน การว่ายน้ำของปลา และการกระพือปีกของแมลงปอ  กลับมีการสร้างกระแสหมุนอย่างต่อเนื่อง แต่ในการว่ายน้ำของปลากับเป็นการสร้างกระแสหมุนวนแบบกลับทิศทำให้เกิดแรงขับแทนที่แรงต้าน ส่วนแมลงปอสร้างกระแสหมุนวนจากปีกคู่หน้าส่วนปีกคู่หลังกลับใช้กระแสหมุนวนจากปีกคู่หน้าในการสร้างแรงยก

รูปที่ ๑๒ แสดงการไหลวนของน้ำจากถังลงสู่ท่อ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

——————————————————————————————

ข้อมูลจำเพาะของผู้เขียน

     ดร. ชิต เหล่าวัฒนา จบปริญญาตรีวิศวกรรมศาสตร์ (เกียรตินิยม) จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี ไดัรับทุนมอนบูโช รัฐบาลญี่ปุ่นไปศึกษาและทำวิจัยด้านหุ่นยนต์ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น เข้าศึกษาต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน สหรัฐอเมริกา ด้วยทุนฟุลไบรท์ และจากบริษัท AT&T ได้รับประกาศนียบัตรด้านการจัดการเทคโนโลยีจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งมลรัฐแมสซาชูเซสต์ (เอ็มไอที) สหรัฐอเมริกา

     ภายหลังจบการศึกษา ดร. ชิต ได้กลับมาเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี และเป็นผู้ก่อตั้งสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม หรือที่คนทั่วไปรู้จักในนาม “ฟีโบ้ (FIBO)” เป็นหน่วยงานหนึ่งในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี เพื่อทำงานวิจัยพื้นฐาน และประยุกต์ด้านเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ตลอดจนให้คำปรึกษาหน่วยงานรัฐบาล เอกชน และบริษัทข้ามชาติ (Multi-national companies) ในประเทศไทยด้านการลงทุนทางเทคโนโลยี  การใช้งานเทคโนโลยีอัตโนมัติชั้นสูง และการจัดการเทคโนโลยีสารสนเทศอย่างมีประสิทธิภาพ และเป็นสถาบันการศึกษาแห่งแรกของประเทศไทยที่เปิดสอนระดับปริญญาโทสาขาวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติโดยเฉพาะ