ออกแบบหุ่นยนต์ (ห้า) : ระบบการมองเห็น

ออกแบบหุ่นยนต์ (5) : ระบบการมองเห็น

ขณะนี้ระบบการมองเห็นหรือการใช้สัณญานภาพ (Vision System) ในระบบหุ่นยนต์อุตสาหกรรมได้ถึงขีดจำกัด(Design Limit) แล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมฮาร์ดดิสค์ที่มีความต้องการคลาดเคลื่อนของชิ้นงาน(Part Tolerance)ต่ำกว่าสองไมครอน ทั้งนี้กล้องทำงานอาศัยความยาวคลื่นแสง (200 นาโนเมตร) มีนักวิจัยหลายท่านกำลังหาหนทางใช้ประโยชน์จากการสะท้อนและเหลื่อมกันของแสงเพื่อทำให้กล้องมองเห็นวัตถุที่มีขนาดน้อยกว่าความคลื่นแสงหรือการใช้ Electromagnetic Wave ประเภทอื่นๆ  อย่างไรก็ตามเรายังคงสามารถประยุกต์ใช้สัณญานภาพในหุ่นยนต์เคลื่อนที่ต่างๆ ที่น่าสนใจ คือระบบตาคู่ (Binocular Vision System) ในหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ ครับ นาย ฮิโรซิได้ทำการพัฒนา หุ่นยนต์ฮอนด้า อาซิโมให้สามารถเคลื่อนที่ได้ทุกทิศทุกทางโดยได้ออกแบบจำนวนข้อหมุนของขาข้างละหกข้อหมุนการออกแบบระบบต้นกำลังมีการจัดวางมอร์เตอร์ได้ดีเนื่องจากได้ออกแบบให้มอเตอร์ต่างๆติดตั้งอย่างมิดชิดฮอนด้าได้พัฒนาทฤษฎีด้านการเดินของหุ่นยนต์โดยให้หลัก ZMP เป็นพื้นฐาน การออกแบบอุปกรณ์วัดแรงที่เท้าฮอนด้าได้ออกแบบขึ้นมาโดยเฉพาะและอุปกรณ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของเท้าด้วย  อาซิโมมีระบบตาคู่ ช่วยให้สามารถเดินบนพื้นผิวที่ไม่ราบเรียบเช่นพื้นผิวเอียง สมองกลใช้ข้อมูลของระบบการมองเห็น ในการประมาณค่าความเอียงของพื้นผิว เพื่อใช้ในการปรับท่าทางการเดิน และการทรงตัวของหุ่นให้เหมาะสมกับสภาพของพื้นผิว

หลักการพื้นฐานของการใช้ระบบการมองเห็น หุ่นยนต์จะรู้สึกว่าพื้นอยู่ใกล้เมื่อเขาเดินขึ้นเขาหรือทางชัน และจะรู้สึกว่าพื้นอยู่ไกลเมื่อเขากำลังเดินลงทางชัน ซึ่งหลักการดังกล่าวสามารถแสดงได้ด้วยหลักการเรขาคณิตของสามเหลี่ยมดโดยที่ จุด O และ E คือตำแหน่งของข้อเท้าและตำแหน่งของกล้องตามลำดับ ซึ่งความเอียงของพื้นผิวสามารถหาได้จากการคำนวณหลังจากได้ข้อมูลของระยะ l มาแล้วดังนี้

นอกจากนี้ยังมีเทคนิคที่ Prof.Don Murray, Cullen และทีมงานได้ใช้ระบบกล้องคู่ในการนำทางหุ่นยนต์ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่เคยผ่านมาก่อน ซึ่งหุ่นยนต์จะทำการค้นหาเส้นทางและทำการสร้างแผนที่ขึ้นมาเพื่อใช้ในการวางแผนการเคลื่อนที่ในการสร้างแผนที่ที่ได้ทำการสำรวจแล้วนั้นจะใช้เส้นกริด (Grid) ในการกำหนด ลักษณะของพื้นที่ตรงจุดนั้น โดยแทนด้วยค่าความน่าจะเป็นซึ่งในตอนเริ่มต้นค่าความน่าจะเป็นของจุดต่างๆ จะถูกกำหนดด้วยค่า 50 % คือหมายความว่าพื้นที่ที่ไม่เคยสำรวจ ส่วนพื้นที่ที่มี สิ่งกีดขวางอยู่จะถูกแทนด้วยค่า ความน่าจะเป็นที่สูงส่วนพื้นที่โล่งจะถูกแทนด้วยความน่าจะเป็นต่ำลงมาตามระยะห่างจากสิ่งกีดขวาง

หุ่นยนต์ต้องกำหนด ระยะก้าวของการเดิน, ความสูงในการก้าวเดิน, ความเร็วในการเดิน โดยสภาวะแวดล้อมที่ถูกสร้างขึ้นนั้นประกอบไปด้วย พื้นราบ,พื้นเอียง,หลุม,เครื่องกีดกั้น และบันได ดังรูป

เพื่อให้ระบบการมองเห็นสามารถทำงานกับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ได้ดี ผู้ออกแบบหุ่นยนต์ควรดำเนินการดังต่อไปนี้

          1. ศึกษาถึงการนำสัญญาณภาพจากกล้องคู่ (Stereo Vision) เพื่อใช้ในการตีความและประมวลผล โดยผ่านกระบวนการต่างๆ (Preprocessing) ก่อนที่จะส่งข้อมูลไปกระบวนการตีความโดย มีขั้นตอนตามลำดับดังนี้การลดสัญญาณรบกวน (Noise Filtering) การสอบเทียบกล้อง (Camera Calibration) การซ้อนภาพ (Image Rectification)และกระบวนการหาความลึกของภาพ(Depth Estimation)

          2. ออกแบบระบบตีความ (Cognition)จากสัญญาณภาพ โดยใช้ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์และเทคนิคของ(Stereo Vision) เช่น การแยกลักษณะทางกายภาพ (Feature Extraction) และการเปรียบเทียบทางกายภาพ(Stereo Matching)

          3. ศึกษาถึงการนำข้อมูลจากการตีความจากสัญญาณภาพกำหนดเส้นทางเคลื่อนที่และขั้นตอนการเดิน (Foot Step Planning)ไปยังจุดหมาย โดยหาความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ประยุกต์ใช้ร่วมกับศาสตร์ทางด้านหุ่นยนต์ เพื่อกำหนดหรือสร้างรูปแบบการเดินให้สอดคล้องกับรูปร่างและกลไกของหุ่นยนต์

          4. ทดสอบขั้นตอนของโปรแกรมเบื้องต้น โดยนำสัญญาณภาพมาวิเคราะห์ตามขั้นตอนที่ได้กล่าวมาในข้างต้นเพื่อคำนวณหาข้อมูลและตัวแปรสำคัญที่ใช้ในการเดินของหุ่นยนต์

          5. จำลองการเคลื่อนของหุ่นยนต์จากการทดลองที่ได้กำหนดขึ้น ให้สอดคล้องกับการทดลองจริงเพื่อใช้ในการวิเคราะห์ผล

เมื่อหุ่นยนต์เดินแบบอัตโนมัติหุ่นยนต์ก็จะทำการเปรียบเทียบกันระหว่างภาพที่มองเห็นในปัจจุบันกับภาพที่ถูกเก็บไว้แล้ว โดยใช้ทฤษฎีความเหมือนกันของภาพ (Image Correlation) เพื่อเปรียบเทียบว่าตอนนี้อยู่ที่ตำแหน่งใดของเส้นทางแล้ว และมีความเบี่ยงเบนจากภาพเดิมเท่าไรและเมื่อถึงเป้าหมายก็จะหยุด

นักศึกษาระดับปริญญาโทและเอกที่สนใจเรื่องนี้โปรดทราบด้วยว่าระบบมองเห็นของหุ่นยนต์ข้างต้นจะทำงานได้ดีต่อเมื่อแนวกล้องทั้งสองตั้งฉากกับวัตถุ  หุ่นยนต์ยังไม่สามารถมองด้วยด้วย “หางตา” เช่นมนุษย์ได้เลย  ผมคาดว่าอีกไม่นานคงได้รับการพัฒนาขึ้นมาครับ และผมก็เชื่ออย่างยิ่งว่าหนึ่งในผู้พัฒนาระบบการเห็นอันสุดยอดของหุ่นยนต์คือเยาวชนไทยนี่เอง