การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์
การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์โดยหลักแล้วจะพิจารณาออกแบบตามวัตถุประสงค์การ ใช้ และสภาพการทำงานของหุ่นยนต์เป็นสำคัญ หากหุ่นยนต์นั้นถูกใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งงานส่วนใหญ่จะเป็นงานที่ทำในขอบเขตจำกัด การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์จึงไม่มีความจำเป็น ดังนั้นหุ่นยนต์จึงถูกออกแบบให้มีลักษณะเป็นแขนกลชนิดติดตั้งอยู่กับที่ แต่หากการทำงานเป็นไปในเชิงสำรวจ ตรวจการณ์ หรืองานที่มีขอบเขตการทำงานที่กว้าง จำเป็นที่หุ่นยนต์ต้องสามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ในจุดต่างๆได้ หุ่นยนต์จะถูกออกแบบให้สามารถเคลื่อนที่ได้
• การเคลื่อนที่ โลโคโมชั่น (locomotion) หมายถึงเป็นการกระทำด้วยกำลังเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง
• ความสามารถในการเคลื่อนที่ โมบิลิตี้ (mobility) หมายถึงความสามารถของระบบขับเคลื่อนที่จะนำพาหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ไปในพื้น ผิวและสิ่งกีดขวางต่างๆ
การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์สามารถแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ได้ดังนี้
การเคลื่อนที่โดยใช้ล้อ (wheel-drive locomotion) คือหุ่นยนต์ที่ใช้ล้อในการเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับหุ่นยนต์ทั่วไปที่ใช้งานบนพื้นราบ โดยมีข้อดีคือ หุ่นยนต์จะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว การควบคุมง่าย ดังนั้นหุ่นยนต์ส่วนใหญ่จึงถูกสร้างให้เป็นหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่โดยใช้ล้อ สำหรับข้อจำกัดของการเคลื่อนที่ลักษณะนี้คือ หุ่นยนต์ไม่สามารถจะไปในพื้นที่ต่างระดับได้ การเดินทางในพื้นที่ขรุขระไปได้อย่างยากลำบาก
การเคลื่อนที่โดยใช้ล้อสายพาน (track-drive locomotion) คือหุ่นยนต์ที่ใช้ล้อสายพานในการเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้งานในพื้นที่ขรุขระ หรือพื้นที่ที่มีความต่างระดับ การควบคุมสามารถทำได้ง่ายเหมือนหุ่นยนต์ล้อทั่วไป ส่วนข้อจำกัดคือหุ่นยนต์ไม่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้ และอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวบริเวณที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปเนื่อง จากการตะกรุยของล้อสายพาน
การเคลื่อนที่โดยใช้ขา (legged locomotion) ) คือหุ่นยนต์ที่ใช้ขาในการเคลื่อนที่ โดยเลียนแบบมาจากสิ่งมีชีวิต เช่น หุ่นยนต์เดินสี่ขา หรือหุ่นยนต์เดินสองขา ข้อดีของหุ่นยนต์ที่ใช้ขา คือหุ่นยนต์สามารถไปได้ในทุกที่ ทุกสภาพพื้นผิว สามารถที่จะก้าวข้ามผ่านสิ่งกีดขวางต่างๆได้ มีความสามารถในการเคลื่อนที่ดีกว่าล้อ ส่วนข้อจำกัดคือ การเคลื่อนที่ช้า การควบคุมทำได้ยากลำบากกว่าการเคลื่อนที่แบบใช้ล้อมาก และการรักษาสมดุลเป็นสิ่งที่จำเป็นมากสำหรับหุ่นยนต์ประเภทนี้ โดยเฉพาะหุ่นยนต์ที่ใช้สองขาในการเคลื่อนที่
การเคลื่อนที่โดยการบิน (flight locomotion) คือหุ่นยนต์ที่ใช้ปีก หรือใบพัดในการเคลื่อนที่ ข้อดีของหุ่นยนต์บิน คือ เคลื่อนที่รวดเร็ว สามารถเข้าไปในพื้นที่เสี่ยงภัยหรือเข้าถึงลำบากได้ ซึ่งงานส่วนใหญ่ของหุ่นยนต์ประเภทนี้ก็คือการสำรวจ หรือการตรวจการณ์ ข้อควรระวังของหุ่นยนต์บิน เนื่องจากหุ่นยนต์บินมีระยะในการปฏิบัติงานได้ค่อนข้างไกล การควบคุมจากระยะไกลจึงเข้ามามีบทบาทอย่างมาก ระบบควบคุมที่ไม่ดีพออาจทำให้เกิดความเสียหายต่อหุ่นยนต์ได้
เคลื่อนที่ในน้ำ (swimming locomotion) คือหุ่นยนต์ที่ใช้ใบพัดหรือครีบในการเคลื่อนที่ และมีถังอับเฉาในการควบคุมการลอยตัวของหุ่นยนต์ ซึ่งได้แก่หุ่นยนต์ปลา และหุ่นยนต์เรือดำน้ำ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ในงานสำรวจ ข้อควรระวังของหุ่นยนต์เคลื่อนที่ในน้ำ เนื่องจากการเคลื่อนที่ใต้น้ำการควบคุมนั้นไม่สามารถใช้ภาพมาใช้ในการนำทาง ได้ การควบคุมจึงต้องใช้อุปกรณ์ตรวจรู้อย่างอื่นมานำทางแทน เช่น ระบบการสะท้อนกลับของคลื่นเสียง การควบคุมจึงต้องมีความระมัดระวังเป็นอย่างมาก
การเคลื่อนที่ในรูปแบบอื่น (other locomotion) คือหุ่นยนต์ที่ไม่ใช้ขาและล้อในการเคลื่อนที่เช่น หุ่นยนต์งูจะใช้การรวมแรงลัพธ์ที่เกิดจาการบิดเคลื่อนที่ไปมาในแต่ละข้อ ขับดันให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ข้อดีของหุ่นยนต์ประเภทนี้คือ สามารถไปได้ในทุกสภาพพื้นผิว ขึ้นที่สูงได้ และยังมีความสามารถในการเข้าที่แคบ จึงสามารถปฏิบัติงานได้อย่างหลากหลาย และข้อดีอีกอย่างของหุ่นยนต์ประเภทนี้คือในแต่ละข้อต่อของหุ่นยนต์ที่ประกอบ กันจะเหมือนกัน ดังนั้นถ้ามีบางข้อต่อที่เกิดความเสียหายขึ้น จะสามารถแทนด้วยข้อต่ออื่นได้ทันที
การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ ต้องคำนึงถึงวิธีการหรือรูปแบบของการเคลื่อนที่ด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานในการเคลื่อนที่ต่ำสุด เพื่อให้หุ่นยนต์มีความสามารถในการหลบหลีกสิ่งกีดขวางได้ หรือเพื่อให้เกิดเสถียรภาพในขณะเคลื่อนที่เป็นต้น
ท่าการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์
ท่าการเคลื่อนที่ (gait, locomotion gait) หมายถึง รูปแบบของการเคลื่อนไหวเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ ซึ่งแบ่งออกเป็น ท่าการเคลื่อนที่อย่างง่าย และท่าการเคลื่อนที่ประกอบ โดยท่าการเคลื่อนที่ประกอบอาจประกอบด้วยท่าการเคลื่อนที่อย่างง่าย ๒ ท่าขึ้นไป วิธีการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวขับเคลื่อน เช่น การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ ๔ ขา (quadruped robot) มีท่าการเคลื่อนที่ ๓ แบบ ในการทำให้ขาเคลื่อนที่เป็นคู่ๆ ได้แก่ การเดินแบบกึ่งเดินกึ่งวิ่ง (trot) การเดิน (pace) และการกระโดด (bound)
เสถียรภาพและจุดสมดุล
เสถียรภาพ (stability) คือ ความสามารถในการรักษาตำแหน่งหรือเส้นทางที่กำหนด ภายใต้การรบกวนจากสิ่งเร้าภายนอก ในทางวิศวกรรม เสถียรภาพในการควบคุมจะสัมพันธ์กับจุดสมดุลเสมอ ซึ่งจุดสมดุล (equilibrium point) คือ จุดที่มีความเร็วเป็นศูนย์ในขณะที่ไม่มีแรงภายนอก หรือสัญญาณรบกวนมากระทำ
จุดสมดุลสามารถแบ่งออกเป็น ๓ ชนิด ได้แก่
๑. จุดสมดุลที่มีเสถียรภาพ (stable equilibrium point) คือ วัตถุไม่ได้เคลื่อนที่ออกไปไกลจากจุดสมดุลที่เกินกว่าขอบเขตที่กำหนดให้
๒. จุดสมดุลที่มีเสถียรภาพแบบลู่เข้า (asymptotically stable equilibrium point) คือ วัตถุจะลู่เข้าสู่จุดสมดุลเสมอ
๓. จุดสมดุลที่ไม่มีเสถียรภาพ (unstable equilibrium point) คือ วัตถุจะเคลื่อนที่ออกไปไกลกว่าขอบเขตที่กำหนด
การพัฒนาการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์เลียนแบบธรรมชาติเริ่มมีบทบาทสูงขึ้น เช่นการออกแบบหุ่นยนต์เคลื่อนที่โดยใช้สองขาเหมือนมนุษย์ การออกแบบหุ่นยนต์เคลื่อนที่ใต้น้ำโดยอาศัยหางและครีบที่โบกไปมาเหมือนปลา หรือหุ่นยนต์ที่บินได้โดยอาศัยปีกที่กระพือเหมือนนก จะเห็นได้ว่ากลไกการเคลื่อนที่ของธรรมชาติล้วนอาศัยกลไกการเคลื่อนที่แบบ กลับไปกลับมา เนื่องจากกล้ามเนื้อของสิ่งมีชีวิตมีระยะยืดหดที่จำกัด ต่างจากต้นกำลังในหุ่นยนต์ซึ่งส่วนมากจะใช้มอเตอร์ที่ใช้การหมุนเป็นหลัก การเคลื่อนที่ในลักษณะกลับไปกลับมา ที่หางหรือปีกของสัตว์ จะสร้างกระแสหมุนวน (vortex) ของของไหลอย่างต่อเนื่อง กระแสหมุนวนนี้สร้างแรงขับดันอันมหาศาลจากการโบกขยับอวัยวะเพียงเล็กน้อยของ สัตว์ได้อย่างไร และทำไมจึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบขับเคลื่อนที่มนุษย์สร้างขึ้น ประเด็นความเข้าใจนี้ยังคงเป็นปริศนาและรอให้นักวิทยาศาสตร์ค้นคว้าหาคำตอบ ต่อไป
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น