หุ่นยนต์ที่ถูกออกแบบให้เดินได้เหมือนมนุษย์มากยิ่งขึ้น

wabian-feet-1369938326472

ตั้งแต่มีการพัฒนาหุ่นยนต์ประเภทเดินสองขาเสมือนมนุษย์ (humanoid robots) ขาของหุ่นยนต์ประเภทนี้โดยส่วนใหญ่จะถูกออกแบบให้มีระบบขับเคลื่อน และข้อต่อเหมือนกับขาของมนุษย์อย่างคร่าว ๆ เท่านั้น กล่าวคือ ขาหนึ่งข้างจะถูกออกแบบให้มีมอเตอร์เพียงแค่ 6 ตัว คือเป็นมอเตอร์ 3 ตัวสำหรับส่วนสะโพก อีก 1 ตัวสำหรับหัวเข่า และอีก 2 ตัวสำหรับข้อเท้า แม้ว่าการออกแบบในลักษณะนี้จะได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถใช้งานได้ดี และใช้กันมานาน  แต่ก็ยังมีข้อจำกัดอยู่อีกหลายอย่างที่นักวิจัยและพัฒนาประสบปัญหามาตลอด 25 ปี

นักวิจัยจาก Humanoid Robotics Institute จากมหาวิทยาลัย Waseda บ้านเกิดของหุ่นยนต์ประเภทเดินสองขาเสมือนมนุษย์ ได้มีการพัฒนาและออกแบบขาของหุ่นยนต์ขึ้นมาใหม่โดยมีจุดมุ่งหมายที่จะทำให้หุ่นยนต์มีความสามารถในการเดินใกล้เคียงกันกับมนุษย์มากขึ้น

ทีมนักวิจัยของ Professor Atsuo Takanishi  ได้นำเสนอขาหุ่นยนต์ที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นี้ในงาน ICRA ซึ่งจัดขึ้นที่ประเทศเยอรมัน  การออกแบบขาหุ่นยนต์ดังกล่าวนี้เริ่มต้นจากการพิจารณากลไกส่วนขาของหุ่นยนต์ WABIAN-2R ซึ่งถึงว่าเป็นหุ่นยนต์เดินสองขาที่มีความซับซ้อนมากที่สุดตัวหนึ่งนับตั้งแต่มีการเปิดตัวครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 2006

เจ้า WABIAN-2R มีความสูง 148 เซนติเมตร หนัก 64 กิโลกรัม และมี 41 องศาอิสระ  สามารถเดินได้คล้ายคลึงกับการเดินของมนุษย์เป็นอย่างมาก จุดเด่นที่ทำให้  WABIAN-2R แตกต่างจากหุ่นยนต์ตัวอื่น ๆ ก็คือความสามารถในการเคลื่อนที่ของส่วนสะโพกที่ทำให้ WABIAN-2R มีความสามารถในการเดินแบบเข่าตรง (walk with stretched knees) ได้ ซึ่งไม่เหมือนกับหุ่นยนต์อย่าง ASIMO ที่ต้องอาศัยการย่อเข่าขณะเดิน

หุ่นยนต์สองขาส่วนมากจะเดินโดยการวางเท้าแบบขนานกับพื้น (ทั้งฝ่าเท้ากระทบพื้นพร้อมกัน) แต่ด้วยกลไกการเดินของ WABIAN-2R ที่ประกอบด้วยฝ่าเท้าที่มีส่วนโค้งเว้า และส้นเท้าที่หยืดหยุ่นได้จะใช้เดินแบบการลงส้นเท้า (คือส่วนส้นเท้าจะถึงพื้นก่อน และส่วนที่เป็นปลายเท้าถึงพื้นทีหลัง) เหมือนกับการเดินของมนุษย์

การเดินของ WABIAN-2R นี้ยังคงมีปัญหาบางประการที่ทำให้ไม่สามารถเดินเหมือนมนุษย์ได้โดยสมบูรณ์ กล่าวคือ ขาทั้งสองข้างของมนุษย์ที่ปกติจะห่างกัน 90 มิลลิเมตรโดยประมาณ แต่ขาของหุ่นยนต์ WABIAN-2R มีระยะห่างระหว่างเท้าอยู่ที่ประมาณ 180 มิลลิเมตร หรือประมาณสองเท่าของขามนุษย์  ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากขนาดของมอเตอร์ของส่วนข้อเท้าที่มีขนาดใหญ่ของ WABIAN-2R นั่นเอง  ปัญหาอีกประการหนึ่งก็คือการเดินแต่ละก้าวของ WABIAN-2R จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์ถ่วงประมาณ 50 มิลลิเมตร เทียบกับมนุษย์ที่มีการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์ถ่วงขณะเดินอยู่ที่เพียง 30 มิลลิเมตร  และปัญหาประการสุดท้ายก็คือ WABIAN-2R ไม่สามารถหมุนข้อเท้าได้เหมือนมนุษย์เนื่องจากข้อจำกัดที่มีมอเตอร์ที่ข้อเท้าอยู่จำนวน 2 ตัวเท่านั้น

WABIAN-2R_2008
WABIAN-2R

จากข้อจำกัดทั้งสามข้อของ WABIAN-2R ทีมนักวิจัยของ Professor Atsuo Takanishi จึงได้เริ่มทำการออกแบบกลไกของขาใหม่ทั้งหมด  เช่นปัญหาของการที่ข้อเท้าไม่สามารถหมุนได้นั้น แม้ว่าที่จะสามารถแก้ปัญหาโดยใช้การหมุนที่ส่วนสะโพกแทนได้  แต่ทว่าวิธีนี้ก็จะทำให้เกิดปัญหาตามมาคือจะทำให้ส่วนหัวเข่าขยับตามไปด้วย  ดังนั้นการออกแบบขาหุ่นยนต์ใหม่นี้จึงอาศัยการเพิ่มมอเตอร์เข้าไปในตำแหน่งของขาที่อยู่ต่ำกว่าหัวเข่าลงมา (ขาส่วนล่าง)  อีกทั้งยังต้องออกแบบให้ขาส่วนล่างมีขนาดเล็กลงเพื่อแก้ปัญหาเรื่องระยะหว่างระหว่างเท้าทั้งสองข้างที่ห่างกันเกินไปในขาหุ่นยนต์รุ่นก่อน

ในขาต้นแบบที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นี้ จะใช้มอเตอร์ที่ติดอยู่ที่ตำแหน่งใต้หัวเข่าเพื่อช่วยในการหมุนข้อเท้าในแนวระนาบ  และกำจัดมอเตอร์ 2 ตัวที่ปกติจะใช้เพื่อการขยับข้อเท้าในแนวขึ้น-ลง และ ตะแคงซ้าย-ขวา (pitch and roll) ออกไป และแทนที่ด้วยกลไกที่เคลื่อนที่ในแนวดิ่งแบบขนาน (linear parallel link mechanism) ที่จะช่วยลดขนาดความกว้างของขาลง

Wabian-2R's new leg design
ขาหุ่นยนต์ที่ออกแบบใหม่สำหรับ Wabian-2R

ปัญหาที่ทีมนักวิจัยกลุ่มนี้เจอก็คือข้อต่อแบบกลม (ball joint) ที่พวกเขาต้องการใช้สำหรับส่วนข้อเท้านั้นไม่สามารถหาซื้อได้ทั่วไป เพราะข้อต่อแบบกลมที่วางขายอยู่ตามท้องตลาดไม่สามารถรับนำหนักและแรงกระแทกได้มากเท่าที่พวกเขาต้องการ  พวกเขาจึงต้องออกแบบ และพิจารณาชนิดวัสดุที่ต้องการใช้สำหรับข้อต่อส่วนนี้เองทั้งหมด

ด้วยความช่วยเหลือของบริษัท Hephaist Seiko ข้อต่อแบบใหม่ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นมาใหม่นี้ทำให้ขาของหุ่นยนต์มีความยืดหยุ่น และมีความสามารถในการเคลื่อนที่เพิ่มมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ หุ่นยนต์ WABIAN-2R ที่ได้รับการติดตั้งขาคู่ใหม่นี้เข้าไปนี้ได้ชื่อเรียกใหม่ว่า WABIAN-2RIII

Wabian-2R-III
Wabian-2R-III

ด้วยขาคู่ใหม่นี้ทำให้  WABIAN-2RIII  มีความสามารถในการเดินเทียบเคียงกับมนุษย์มากขึ้น ด้วยเวลาที่ใช้ในการก้าวเดินที่ 0.6 วินาที แนวการวางตัวของฝ่าเท้าที่เฉียงออกไปทางด้านข้าง 12 องศา และระยะห่างระหว่างขาสองข้างอยู่ที่ 90 มิลลิเมตร  รูปด้านล่างเป็นรูปเปรียบเทียบระหว่างขาคู่เก่ากับขาคู่ที่พัฒนาขึ้นมาใหม่

ภาพเปรียบเทียบขารุ่นเก่า กับขาที่พัฒนาขึ้นมาใหม่
ภาพเปรียบเทียบขารุ่นเก่า กับขาที่พัฒนาขึ้นมาใหม่

นอกจากนี้ระยะการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์ถ่วงยังถูกลดลงมาจาก 50 มิลลิเมตร เหลือเพียง 34 มิลลิเมตร  ใกล้เคียงกับมนุษย์ซึ่งมีค่าอยู่ที่ 30 มิลลิเมตรมาก

ก้าวต่อไปในการพัฒนาขาคู่ใหม่นี้คือการทดลองการเดินไปข้างหน้าเพื่อค้นหาว่ายังมีอะไรที่พวกเขาจะสามารถปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงเพื่อที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถเดินด้วยท่าทางที่เหมือนมนุษย์มากขึ้นไปอีกได้หรือไม่

สำหรับรายละเอียดของผลลัพธ์ ผู้อ่านสามารถค้นหาเพิ่มเติมได้จากเอกสารการวิจัยในชื่อหัวข้อ “New Shank Mechanism for Humanoid Robot Mimicking Human-like Walking in Horizontal and Frontal Plane”

รายชื่อกลุ่มนักวิจัยมีดังต่อไปนี้
T. Otani, A. Iizuka, D. Takamoto, H. Motohashi, T. Kishi, P. Kry czka, N. Endo, L.
Jamone, K. Hashimoto, T. Takashima, H.O. Lim, and A. Takanishi

ที่มาและภาพ IEEE Spectrum

LINE it!