หุ่นยนต์และมนุษย์จะลงแข่งฟุตบอลกันใน ปี 2050 ตอนจบ

ทีมนักวิจัยจึงได้ออกแบบข้อต่อของหุ่นยนต์ให้มีความสามารถในการปรับแต่งความแข็งของข้อต่อ ( Variable Stiffness) แบบวงจรป้อนกลับเรียลไทม์(Real Time Closed System)   สมองกลส่งสัณญาณแปรเปลี่ยนค่าความอ่อนตัว(compliance)ในข้อต่อหุ่นยนต์นี้ก็คล้ายๆกับการที่สมองมนุษย์สั่งการเกร็งกล้ามเนื้อและเส้นเอ็นนั่นเอง ซึ่งจะช่วยให้มนุษย์ทำงานต่างได้คล่องแคล่วและอย่างปลอดภัย ในขณะที่ระบบควบคุมแบบป้อนกลับในหุ่นยนต์ ช่วยลดแรงกระแทกแระทั้นจากภายนอกที่อาจทำให้ข้อต่อพังเสียหายจากเกิดการ overload ขึ้นได้

การทดลองขั้นต้นเริ่มขึ้นด้วยการติดตั้งข้อต่อประเภทปรับความแข็งได้ (VS Joint) บนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมยี่ห้อ KUKA KR500 โดยให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ตามแนวราบที่ปลายแขนหุ่นยนต์ด้วยความเร็วคงที่ 3.7 เมตรต่อวินาที ผลการทดลองเป็นไปตามทฏษฏีคือเมื่อค่าความแข็งต่ำ แรงบิด(Torque)ที่ได้จากการเตะจะมีค่าน้อยและข้อต่อ มีการยืดตัวมาก ซึ่งผลกระทบที่จะทำให้มอเตอร์และเกียร์ในตัวหุ่นยนต์เกิดการเสียหายและสึกหรอน้อย ในทางกลับกันเมื่อตั้งค่า VS-Joint ให้มีค่า ความแข็งมากขึ้น จะทำให้ได้ แรงบิดสูงและเกิดการยืดตัวน้อย น้อย แต่ก็ทำให้มอเตอร์และเกียร์เกิดความเสียหายได้มาก

ยังมีข้อต่ออีกประเภทที่ประโยชน์จากความยืดหยุ่น (Elastics) ของยาง ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานของหุ่นยนต์ ซึ่งข้อต่อดังกล่าวนั้นมีหน้าที่เก็บและปลดปล่อยพลังงานได้ในเวลาที่ต้องการ  คุณลักษณะนี้ช่วยลดพลังงานโดยรวมทั้งหมดของระบบ ณ.จุดที่มีความเร็วเท่ากัน ผมจำได้ว่าทีมหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ของฟีโบ้ เคยใช้ประโยชน์จากหนังยางรัดถุงกาแฟเพื่อทำหน้าที่ช่วงจังหวะดึงขากลับมาให้ครบรอบของการเดิน ทำให้เปลืองพลังงานน้อยลง หรืออีกนัยหนึ่งเพิ่มพลังงานที่ประหยัดได้จากการใช้ยางดึงกลับ ไปใช้ช่วงก้าวเดินหน้า ก้เป็นการทำให้หุ่นยนต์เดินได้เร็วขึ้นโดยการใช้พลังงานเท่าเดิม ทั้งนี้เพราะการสูญเสียพลังงานนั้นน้อยลง

ข้อสังเกตุสำคัญอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับพลังงานศักย์และพลังงานจลน์คือ ในการแข่งขัน Humanoid Robocup ส่วนใหญ่หุ่นยนต์จะใช้ข้อต่อเป็นมอเตอร์ของบริษัท robotis รุ่น RX64 ซึ่งสามารถให้แรงบิดได้ 6.4 นิวตัน-เมตร และความเร็วสูงสุดได้ 360 ซึ่งผลที่ได้จากการเตะบอลนั้นทำให้บอลสามารถเคลื่อนที่ได้ ด้วยความเร็วสูงสุด 2 เมตรต่อวินาที และไม่ทำให้บอลลอยขึ้นมาเหนือพื้นได้ ส่วนในการแข่งขัน Robocup middle size แม้หุ่นยนต์จะใช้ล้อในการเคลื่อนที่ แต่ใช้ตัวเตะที่มีลักษณะก้านคล้ายขาเตะซึ่งมีความยืดหยุ่น ซึ่งสามารถเตะบอลได้ด้วยความเร็วสูงสุด 10 เมตรต่อวินาที และสามารถเตะบอลให้ลอยข้ามคู่ต่อสู้ไปได้

จากข้อมูลในการเล่นฟุตบอลของมนุษย์ ในการเตะนั้นสามารถเหวี่ยงขาเตะได้ด้วยความเร็วสูงสุด 1375 องศาต่อวินาที และสามารถทำแรงบิดในการเตะได้ 280 นิวตัน-เมตร ซึ่งมากกว่าหุ่นยนต์ที่ผู้วิจัยได้ทำการทดลองถึง 6 เท่าโดยหุ่นยนต์ที่ใช้สามารถทำความเร็วของลูกบอลได้ 4.5 เมตรต่อวินาที ผู้วิจัยยังได้ทำการทดลองให้หุ่นยนต์อุตสาหกรรม KUKA KR500 เตะฟุตบอล โดยหุ่นยนต์มี payload 500 กิโลกรัม ซึ่งผลปรากฏว่าหุ่นยนต์สามารถทำลูกบอลวิ่งได้ด้วยความเร็ว 3.7 เมตรต่อวินาทีและทำให้ลูกบอลลอยขึ้นไปตกด้านหน้าไกล 2 เมตร ซึ่งสามารถสรุปได้ว่าการเพิ่ม payload ไม่ได้มีผลที่สำคัญทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการเตะได้เลย

ในการเตะบอลนั้นความเร็วที่ปลายเท้าและลักษณะการเตะมีความสำคัญมากดังนั้นเนื่องจากระบบกลไกของ VS-Joint นั้นสามารถปรับค่า elasticity ได้พร้อมทั้งอุปกรณ์ถูกติดตั้งไว้บนชุดมอเตอร์ขับเคลื่อน ดังนั้นการเคลื่อนที่และ ความเร็วที่ปลายเท้าจะประกอบไปด้วยการเคลื่อนที่ของชุดขับและการปรับเปลี่ยนค่า elasticity ของ VS-Joint ซึ่ง มอเตอร์ขับเคลื่อนสามารถทำความเร็วได้ 200 องศาต่อวินาที และ VS-Joint สามารถทำความเร็วได้ 490 องศาต่อวินาที โดยผลที่ได้จาการรวมกันของ trajectory ของชิ้นส่วนทั้งสองทำให้สามารถเตะลูกบอลได้ด้วยความเร็ว 6.65 เมตรต่อวินาที  การเตะด้วยหลังเท้าเป็นการเตะที่ทำให้มีความเร็วลูกบอลสูงที่สุดในการทดลองซึ่งสามารถทำได้ 7.5 เมตรต่อวินาที  ในขณะที่การเตะด้วยปลายเท้า ความเร็วของลูกบอลที่ได้จะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของลูกบอลที่ถูกเตะ คือช่วงกลางลูก ด้านบน หรือด้านล่าง การเตะลูกให้โด่ง เหมือนกับการเตะด้วยปลายเท้าแต่ตำแหน่งที่เตะจะอยู่ด้านล่างของลูกมากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งจากการทดลองสามารถทำให้ลูกบอลลอยขึ้นได้ 0.82 เมตร และตกไกลออกไป 0.6 เมตร  การแตะลูกบอลที่ลอยอยู่โดยที่ข้อเท้าทำมุม 45 องศา จากการทดลองพบว่าการเตะแบบนี้จะมีความเร็วในของลูกบอลน้อยที่สุดแต่สามารถทำให้ลูกลอยตกไปไกลได้ประมาณ 4-6 เมตรแล้วแต่ลักษณะของลูกบอล

ผมคาดว่างานวิจัยเพื่อทำให้หุ่นยนต์สามารถทำงานหรือเล่นฟุตบอลกับมนุษย์ได้อย่างปลอดภัยนั้น คงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงปีการแข่งขันจริง ค.ศ. 2050 แนวความคิดเรื่องการปรับค่าความอ่อนตัว (Compliance) ในบทความนี้อาจไม่ได้ถูกนำไปใช้จริงเลยก็เป็นได้หากมีการค้นพบวิธีการที่ดีกว่า แต่ผมก็มั่นใจว่าวิธีการที่ดีกว่านั้นส่วนหนึ่งจะถูกศึกษาและคิดค้นจากเยาวชนไทยนี่เอง….ทำไมผมจึงมั่นใจเช่นนั้น ก็เพราะว่า ประวัติศาสตร์ได้จารึกแล้วว่าในปีนี้ เชื้อชาติไทยคือแชมป์หุ่นยนต์โลกครับ

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 และประยุกต์ด้าน