ความยุ่งยากในการออกแบบและสร้างมือหุ่นยนต์

ความยุ่งยากในการออกแบบและสร้าง

มือหุ่นยนต์

หุ่นยนต์ที่ขาดมือ ย่อมไม่สามารถทำงานที่ซับซ้อนได้ดี ความหวังที่จะให้หุ่นยนต์ยุคใหม่มาทำงานหลายๆอย่างช่วยมนุษย์นั้นคงเป็นเรื่องที่ฝันเฟื่องไป ในความคิดของผมแล้วเชื่อว่า มือหุ่นยนต์อาจจะเป็นส่วนที่ออกแบบและสร้างยากที่สุดชิ้นส่วนหนึ่งที่มนุษย์ยังไม่สามารถเอาชนะมือมนุษย์ได้เลย ทั้งนี้ผมไม่ได้รวมเอา “มืออุตสาหกรรม (Industrial Hands)” ที่มีเพียงสามนิ้ว มือลักษณะนี้ เราสามารถออกแบบ/สร้างให้ดีและแข็งแรง จับยึดวัตถุได้อย่างมีเสถียรภาพ สมรรถนะเหนือกว่าที่มือมนุษย์จะทำได้ แต่ถ้าหากมาเทียบกับมือหุ่นยนต์ห้านิ้วที่มนุษย์พยายามจะสร้างเลียนแบบมือมนุษย์นั้น มือหุ่นยนต์ที่มีการสร้างกันมาจนถึงปัจจุบัน ต้องถือว่าเป็น “ของเล่น” ไปทันที ยกตัวอย่างเช่นมือ Utah-MIT Hand ที่ลงทุนไปหลายล้านบาท สามารถเคลื่อนที่อิสระ (Free Motion) ได้อย่างสวยงาม แต่กลับยุ่งยากอย่างยิ่งเมื่อต้องทำงานจับชิ้นงานให้เคลื่อนไหวตามที่เราต้องการ เปรียบเทียบไม่ได้กับความคล่องแคล่วของมือเด็กเล็กที่จับขวดนมเล่นไปเล่นมา แน่นอนครับ มนุษย์เรายังไม่แน่ใจว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ (Mathematical Modeling) ที่พยายามพัฒนาขึ้นนั้นถูกต้องสมบูรณ์เพียงไร ผมหวังว่าเยาวชนไทยที่จะก้าวต่อไปเป็นนักวิจัยหุ่นยนต์ที่ยิ่งใหญ่ของโลกจักช่วยทำความกระจ่างในเรื่องการจับชิ้นงานของมือหุ่นยนต์ดังต่อไปนี้

การจับ (Grasping) ต้องอาศัยความอ่อนตัว (Compliance) ระหว่างข้อต่อแต่ละข้อของนิ้วและปลายนิ้วอย่างไรบ้าง ต้องหาความสัมพันธ์ของแรงภายใน Force Closure และ แรงเฉือย (Inertial Forces) ต่อความสามารถในการเคลื่อนย้ายวัตถุ (Manipulability) ในเชิงตัวเลข ความสามารถของปลายนิ้วที่มีป้องกันการลื่นไถล คงขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุและการควบคุมทิศทางของแรงสัมผัส เหล่านี้เป็นต้น

ภายใต้การสนับสนุนจากสำนักงบประมาณแห่งชาติ สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี จึงได้ริเริ่มงานวิจัยด้านมือหุ่นยนต์ขึ้น โดยนักวิจัย: นายธนาวัฒน์ วุฒิชัยธนากร และ ดร.สโรช ไทรเมฆ งานนวิจัยนี้เป็นการศึกษาถึงลักษณะของการเคลื่อนที่ของมือมนุษย์และวิเคราะห์วิธีการหยิบจับสิ่งของแบบต่างๆ เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในการออกแบบมือหุ่นยนต์และระบบควบคุมของมือหุ่นยนต์ ทำให้ต้องมีการวิเคราะห์ทางด้านจลศาสตร์ พลศาสตร์และสร้างสมการการเคลื่อนที่ของมือหุ่นยนต์ ผลลัพท์ของงานวิจัยนี้จะถูกนำไปพัฒนาหรือประยุกต์ใช้ในการหยิบจับสิ่งของที่มี หลากหลายรูปแบบและเป็นอันตรายในโรงงานอุตสาหกรรม และยังสามารถนำไปพัฒนาเป็นมือกลที่สามารถทำงานทดแทนมือมนุษย์ สำหรับผู้พิการ มือกลที่ติดตั้งในหุ่นยนต์ซึ่งใช้ในงานอุตสาหกรรมส่วนมากนั้นจะมีลักษณะเป็นกริปเปอร์ (Gripper) ซึ่งการใช้งานก็เพียงบังคับให้กริปเปอร์หดเข้าหากันเพื่อให้สามารถหยิบจับวัตถุได้ โดยกริปเปอร์สามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีรูปร่างไม่ซับซ้อน ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาจากกริปเปอร์ที่มีเพียงองศาอิสระเดียว ในการเคลื่อนที่ จนกระทั่งเพิ่มขึ้นเป็นหลายองศาอิสระ และมีการจัดวางตำแหน่งของกริปเปอร์ให้สามารถทำงานได้หลากหลายมากยิ่งขึ้น จึงเป็นการพัฒนามาสู่มือกลที่มีลักษณะการทำงานเลียนแบบมือของมนุษย์ ทำให้ความสามารถในการทำงานเพิ่มมากขึ้น สามารถยึดจับวัสดุในรูปแบบต่างๆที่มีซับซ้อนมากยิ่งขึ้น จึงเป็นผลทำให้ประสิทธิภาพในการใช้งานสูงขึ้นตามไปด้วย

ทีมนักวิจัยฟีโบ้ทำการออกแบบและจัดสร้างมือหุ่นยนต์ที่มีลักษณะคล่ายมือมุษย์ โดยมือหุ่นยนต์จะประกอบด้วยนิ้วทั้งหมด 5 นิ้ว นิ้วละ 3 องศาอิสระ รวมทั้งหมด 15 องศาอิสระ โดยจะใช้มอเตอร์เป็นตัวขับเคลื่อนแต่ละข้อของนิ้ว โดยใช้เฟืองและสายพานเป็นตัวส่งกำลัง มือกลที่ได้ออกแบบจะมีขนาดใหญ่กว่ามือมนุษย์โดยเฉลี่ยประมาณ1.5 เท่า โดยแสดงดังรูป

การใช้มอเตอร์ในการขับเคลื่อนนั้น จะได้ความละเอียดแต่พละกำลัง (Power to Weight Ratio) ต่ำ มนุษย์ใช้เส้นเอ็นในการบังคับนิ้วมือ งานวิจัยต่อไปของฟีโบ้จะเปลี่ยนต้นกำลังเป็นลูกผสมระหว่างมอเตอร์และสลิงครับ