เคยตั้งคำถามกับมั้ยคะว่าทำไมต้องทำนักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์โดยเฉพาะในประเทศญี่ปุ่นจึงสนใจทำหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์แทนที่จะทำหุ่นยนต์ที่เป็นล้อหรือมีหลายๆขา นักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์หลายๆคนสนใจทำหุ่นยนต์จากการมีแรงบันดาลในที่จะสร้างหุ่นยนต์ซึ่งสามารถใช้ชีวิตอยู่ในสังคมของมนุษย์ได้อย่างกลมกลืน หุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ หรือ humanoid robot หมายถึงหุ่นยนต์ที่มีลักษณะทางกายภาพคล้ายคลึงกับมนุษย์ กล่าวคือมีการเคลื่อนที่โดยอาศัยขาสองขา มีสองแขน มีหัวและมีตา การทำหุ่นยนต์ให้มีลักษณะเหมือนมนุษย์ ก็จะทำให้หุ่นยนต์สามารถทำงานต่างๆได้ในรูปแบบที่คล้ายคลึงกับมนุษย์ได้เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นการเดิน การขึ้นลงบันได การหยิบจับสิ่งของเป็นต้น นอกจากนี้การที่หุ่นยนต์มีลักษณะคล้ายมนุษย์ ก็จะทำให้การปฏิสัมพันธ์ระหว่างคนกับมนุษย์มีความเป็นธรรมชาติมากขึ้น แม้ว่าข้อดีของหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์จะมีอยู่หลายประการด้วยกัน แต่ว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ก็มีความยุ่งยากซับซ้อนมากกว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ชนิดอื่นๆเช่นกัน การที่หุ่นยนต์มีขาสองขา ทำให้เกิดความจำเป็นที่หุ่นยนต์จะต้องมีความสามารถในการรักษาการทรงตัวอยู่ตลอดเวลาเพื่อให้หุ่นยนต์มีเสถียรภาพไม่ว่าจะเมื่ออยู่ในขณะกำลังเคลื่อนที่หรือเมื่ออยู่กับที่ก็ตาม
แนวคิดในเรื่องของเสถียรภาพของหุ่นยนต์ก็สามารถอธิบายได้ง่ายๆคือหุ่นยนต์จะมีเสถียรภาพเมื่อไม่เกิดการล้มนั่นเอง แต่ในทางทฤษฎี เสถียรภาพสามารถอธิบายได้ในสองรูปแบบด้วยกัน กล่าวคือเสถียรภาพแบบสถิตย์ (static stability) และ เสถียรภาพแบบจลน์ (dynamic stability)
เสถียรภาพแบบสถิตย์ จะเกิดขึ้นเมื่อ center of gravity ของหุ่นยนต์ตกอยู่ภายในบริเวณรองรับ (convex hull of polygonal support) ของหุ่นยนต์ โดยจะพิจารณาในขณะที่หุ่นยนต์หยุดนิ่งอยุ่กับที่
ในทางกลับกัน เสถียรภาพแบบจลน์จะพิจารณาโดยรวมถึงกรณีที่หุ่นยนต์กำลังเคลื่อนที่อยู่อย่างต่อเนื่อง ในกรณีที่หุ่นยนต์กำลังเคลื่อนที่อยู่นั้น เวคเตอร์ความเร่งที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์จะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับเสถียรภาพ แนวคิดหนึ่งที่มีการนำมาใช้อย่างต่อเนื่องคือการพิจารณาตำแหน่งของ ZMP หรือ zero moment point [Vukobratovic and Stepanenco,1972] ดังแสดงในรูป
ซึ่งอีกนัยหนึ่งก็คือจุดที่เป็นจุดรวมแรงปฏิกริยาซึ่งเกิดขึ้นที่บริเวณรองรับ (center of pressure) การหาตำแหน่งของ ZMP สามารถทำได้จากการวัดแรงที่เกิดขึ้นที่ฝ่าเท้าของหุ่นยนต์ หรือได้จากการคำนวณจากแบบจำลองทางจลศาสตร์ของหุ่นยนต์ หากเส้นทางการเคลื่อนที่ของ ZMP อยู่ภายในบริเวณระหว่างจุดวางเท้าของหุ่นยนต์ระหว่างการเดิน หุ่นยนต์ก็จะสามารถรักษาเสถียรภาพระหว่างการเคลื่อนที่ได้
เมื่อพูดถึงหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้ หรือหุ่นยนต์แปลงร่าง ทุกๆคนคงจะนึกถึงหุ่นยนต์แบบในภาพยนตร์เรื่องทรานฟอร์เมอร์ จริงๆแล้วงานวิจัยทางด้านการออกแบบและพัฒนาหุ่นยนต์ที่ปรับเปลี่ยนรูปร่างและการทำงานได้โดยอัตโนมัตินั้นเป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่ง และได้มีนักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์ทั่วโลกได้ทำงานวิจัยในหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาหุ่นยนต์ตามแนวคิดดังกล่าวอย่างต่อเนื่องมาเป็นเวลาหลายปีแล้ว ซึ่งแนวคิดและความก้าวหน้าของงานวิจัยในหัวข้อดังกล่าวก็เป็นที่มาของบทความนี้นั่นเอง
การพัฒนาหุ่นยนต์ให้มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนรูปร่างได้ด้วยตนเองนั้นจริงๆแล้วก็มีที่มาจากความพยายามในการเลียนแบบการทำงานของสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตทั่วไปมีโครงสร้างพื้นฐานอยู่ในรูปของเซลล์ซึ่งเป็นหน่วยย่อยซึ่งมีการทำงานที่ไม่ซับซ้อนมากนัก แต่สามารถทำงานร่วมกันจนเกิดเป็นรูปแบบการทำงานที่ซับซ้อนขึ้นมาได้ ในการทำงานของเซลล์นั้น แต่ละหน่วยย่อยจะมีรูปแบบการทำงานที่เหมือนๆกัน มีการเชื่อมโยงและติดต่อสื่อสารระหว่างกันจนเกิดเป็นโครงสร้างทางกายภาพโดยรวมที่มีการทำงานในรูปแบบต่างๆได้ เมื่อเซลล์หน่วยย่อยหนึ่งๆมีการชำรุดเสียหาย เซลล์รอบๆข้างก็ยังสามารถทำงานทดแทนกันต่อไปได้และมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองได้อีกด้วย ด้วยความยืดหยุ่นในการทำงานของเซลล์ที่อยู่ในสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาตินี้นั่นเอง ทำให้นักวิจัยหุ่นยนต์ได้พยายามพัฒนาหุ่นยนต์ซึ่งมีความสามารถเลียนแบบการทำงานของเซลล์ ในปีค.ศ. 1966 ศ.von Neumann ได้นำเสนอทฤษฎีที่เรียกว่า self-reproducing cellular automata ซึ่งเป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ในการสร้างรูปแบบการคำนวณที่ซับซ้อนขึ้นจากกฏการทำงานง่ายๆที่มีลักษณะซ้ำๆกันของหน่วยย่อยที่เหมือนๆกัน แต่ในส่วนของหุ่นยนต์ที่มีรูปแบบการทำงานเป็นกลุ่มซึ่งประกอบจากหน่วยย่อยนั้นไดัเริ่มมีการพัฒนาขึ้นโดยศ.Fukuda ในปี 1988 ซึ่งเรียกว่า CEBOT การทำงานของ CEBOTนั้นเป็นการทำงานร่วมกันของโมดูลหุ่นยนต์หลายๆแบบเช่นข้อต่อแบบหมุน มือจับ หรือแขนที่ยืดหดได้ โดยที่โมดูลเหล่านี้สามารถนำมาจัดเรียง และประกอบกันเพื่อการทำงานที่หลากหลายได้ อย่างไรก็ตามการพัฒนาหุ่นยนต์ที่ปรับเปลี่ยนได้หลังจาก CEBOT มักจะมุ่งเน้นไปที่โมดูลที่มีลักษณะเหมือนกันทั้งหมดมากกว่า เนื่องจากเป็นแนวคิดของระบบการทำงานแบบเซลล์ ซึ่งสามารถทำงานทดแทนกันได้ ปรับเปลี่ยนรูปแบบได้ และอาจนำไปถึงการซ่อมแซมหรือสร้างตัวเองได้ จากการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซอฟท์แวร์ การสร้างชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงและเทคโนโลยีทางด้านวัสดุศาสตร์ ทำให้ในช่วงตั้งแต่ปี 1990 เป็นต้นมาได้มีกลุ่มนักวิจัยหลายกลุ่มซึ่งได้ทุ่มเทกับการพัฒนาหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้ซึ่งมีสถาปัตยกรรมแบบเซลล์ (cellular architecture)ให้เกิดขึ้นอย่างเป็นรูปธรรมหลายงานดัวยกัน งานวิจัยที่สำคัญได้แก่การสร้างระบบหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้แบบโซ่ (chain-type system)ของ Mark Yim จาก Palo Alto Research Center หุ่นยนต์ที่กลุ่มวิจัยของ Yim ได้พัฒนาขึ้นเรียกว่า PolyBot ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งมีความสามารถในการต่อโมดูลเข้าด้วยกันแบบอัตโนมัติและปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงานเช่นจากหุ่นยนต์ที่ต่อกันเป็นเส้นซึ่งมีการเคลื่อนที่เป็นรูปคลื่นคล้ายการเคลื่อนที่ของงู เป็นหุ่นยนต์ซึ่งการการต่อกันเป็นขาสี่ขา หรือเป็นวงล้อ สำหรับการเคลื่อนที่ในสภาวะที่พื้นผิวไม่เรียบหรือพื้นที่ต่างระดับเป็นต้น
รูปที่ 1 หุ่นยนต์ PolyBot G2 จาก Palo Alto Research Center
นอกจากระบบที่มีรูปแบบการเชื่อมต่อกันเป็นแบบโซ่แล้ว หุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้อาจมีการเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างแบบตารางในสามมิติที่เรียกว่า lattice-type ได้ ด้งเช่นหุ่นยนต์ ATRON จาก University of Southern Denmark ดังแสดงในรูปที่ 2 หุ่นยนต์ ATRON มีโครงสร้างเป็นทรงกลมซึ่งสามารถเชื่อมต่อกันได้รอบด้าน ทำให้สามารถสร้างเป็นโครงสร้างสามมิติรูปแบบใดๆก็ได้โดยไม่จำกัดเหมือนกับหุ่นยนต์ซึ่งมีการเชื่อมต่อกับแบบโซ่ โครงสร้างของหุ่นยนต์แบบ lattice-type จะมีลักษณะคล้ายกับการต่อกันของโมเลกุล ซึ่งทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ แต่นั่นก็เป็นจุดอ่อนของหุ่นยนต์แบบ lattice-type ซึ่งในแต่ละหน่วยย่อยมักมีการทำงานที่ซับซ้อน และกลไกที่ยุ่งยากกว่าแบบโซ่
รูปที่ 2 หุ่นยนต์ ATRON จาก University of Southern Denmark
จากข้อดีและข้อเสียของระบบหุ่นยนต์แบบโซ่ และแบบ lattice ทำให้มีการพัฒนาหุ่นยนต์โดยอาศัยการรวมข้อดีของทั้งสองรูปแบบเข้าด้วยกัน เรียกว่าแบบ hybrid ระบบหุ่นยนต์แบบ hybrid เป็นการพัฒนาการเชื่อมต่อที่มีลักษณะคล้ายโซ่ แต่มีข้อต่อที่สามารถหมุนได้ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะสามมิติได้เช่นกัน แต่ยังคงไว้ซึ่งความง่ายของการทำงานในส่วนของการเชื่อมต่อคล้ายแบบโซ่ ระบบหุ่นยนต์รูปแบบนี้ได้แก่หุ่นยนต์ MTRAN (MTRAN I, II และ III) ซึ่งได้รับการออกแบบโดย ดร.Murata จากสถาบัน AIST (Advanced Industrial Science and Technology) ในประเทศญี่ปุ่น หุ่นยนต์ MTRAN มีการปรับเปลี่ยนรูปร่างโดยอาศัยการเชื่อมต่อกันระหว่างแต่ละโมดูลแบบอัตโนมัติ โดยที่ในเวอร์ชั่นที่หนึ่งและสองนั้นใช้แม่เหล็กในการยึดโมดูลเข้าด้วยกัน ส่วนในเวอร์ชั่นที่สามนั้น อาศัยกลไกทางกลที่มีลักษณะคล้ายเขี้ยวซึ่งจะยื่นออกมาเกี่ยวกับช่องของอีกโมดูลหนึ่งในการเชื่อมต่อ ทำให้การยึดติดกันระหว่างโมดูลนั้นมีความแข็งแรงขึ้นอย่างมาก ในโมดูลย่อยแต่ละโมดูลของ MTRAN นั้นจะมีทั้งมอเตอร์ที่ใช้ในการหมุนข้อต่อ ระบบประมวลผล แหล่งพลังงาน และส่วนของบัสสำหรับการสื่อสารอยู่ในโมดูล ซึ่งเมื่อโมดูลย่อยมีการเคลื่อนที่มาเชื่อมต่อกัน การสื่อสารระหว่างโมดูลก็จะได้รับการเชื่อมต่อแบบอัตโนมัติผ่านทางจุดเชื่อมต่อนั่นเอง
รูปที่ 3 หุ่นยนต์ MTRANIII จาก AIST
ในประเทศไทยก็มีงานวิจัยพัฒนาเกี่ยวกับหุ่นยนต์แบบปรับเปลี่ยนได้เช่นกัน สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม(FIBO) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้เริ่มพัฒนาหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้มาตั้งแต่ปีค.ศ.2003 ซึ่งหุ่นยนต์ที่ได้พัฒนาขึ้นมานี้เรียกว่าหุ่นยนต์ล้อแขน ซึ่งเป็นโมดูลหุ่นยนต์ที่มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนรูปแบบการเคลื่อนที่ในสภาวะแวดล้อมที่แตกต่างกันได้ โดยหุ่นยนต์ล้อแขนสามารถประกอบตัวกันเป็นหุ่นยนต์สองล้อ หรือสองแขน หรือแบบโซ่ได้ ตามรูปแบบของการทำงานที่ผู้ใช้ต้องการ แต่เนื่องจากต้นแบบหุ่นยนต์ล้อแขนที่ได้พัฒนาขึ้นนั้นมีความซับซ้อนสูงทั้งทางกลและทางอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้มีราคาแพง นักวิจัยจึงได้หันมามุ่งพัฒนาหุ่นยนต์ที่มีรูปแบบเป็นโมดูลที่มีการทำงานแบบง่ายๆ และราคาถูกขึ้นมาแทน ซึ่งเรียกว่า modular snake robot (MSR) แนวความคิดของการสร้าง modular snake robot นั้นคือการสร้างหุ่นยนต์ที่ลักษณะเป็นโมดูลรูปร่างเหมือนๆกัน เชื่อมต่อกันแบบโซ่ แต่มีการปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงาน เช่นการเคลื่อนที่ การหยิบจับสิ่งของ โดยอาศัยการสั่งงานจากโปรแกรมแทนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางกลงานวิจัย modular snake robot ในเบื้องต้นซึ่ง FIBO ได้มีการวิจัยและพัฒนาขึ้นนั้น มุ่งเน้นไปที่การออกแบบรูปแบบการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ MSR เพื่อใช้สำหรับการเคลื่อนที่ในท่อแคบทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของหุ่นยนต์ภายในท่อนั้นอาศัยแรงเสียดทานสถิตย์ที่เกิดขึ้นระหว่างหุ่นยนต์กับผนังท่อในการดันตัวหุ่นยนต์ไปข้างหน้า ในการสร้างรูปแบบของการเคลื่อนที่นั้น อาศัยการสร้างรูปแบบจาก motion shape vector ซึ่งเป็นเวคเตอร์ที่มีความยาวเท่ากับจำนวนข้อต่อของหุ่นยนต์ การเคลื่อนที่นั้นจะเกิดจากการเลื่อนตำแหน่งของ motion shape vector แบบ cyclic shifting ทำให้มุมแต่ละข้อต่อเปลี่ยนแปลงเป็นคลื่นรูปร่างต่างๆได้ ทุกๆช่วงเวลาที่ตั้งไว้ค่าหนึ่งๆซึ่งจะสัมพันธ์กับความเร็วในการเคลื่อนที่ และความสามารถในการยึดเกาะผนังท่อของหุ่นยนต์ ซึ่งรูปแบบที่ดีที่สุดของการเคลื่อนที่ภายในท่อคือรูปคลื่นแบบสามเหลี่ยมที่สลับไปมา ดังรูปที่ 4 ซึ่งสามารถยึดเกาะผนังท่อได้ดี และเคลื่อนที่ได้ภายในท่อได้อย่างรวดเร็ว ปัจจุบันทางคณะวิจัยก็ยังได้พัฒนาหุ่นยนต์อยู่อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้หุ่นยนต์ MSR นี้สามารถเคลื่อนที่ภายในท่อขนาดต่างๆได้ โดยการปรับตัวแบบอ้ตโนมัติ สามารถเลี้ยวและรักษาตำแหน่งของกล้องที่อยู่ในส่วนหัวให้ขนานกับท่อได้ รวมถึงการเพิ่มความสามารถในการหลบสิ่งกีดขวาง เคลื่อนที่บนพื้นผิวที่ลาดชัน และขรุขระได้ในอนาคต
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น