[BYOB] ผ่าหุ่นยนต์ดูไส้ใน

** บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของบทความชุด Build Your Own Bot แนะนำการสร้างหุ่นยนต์ด้วยตัวเอง **

Build Your Own Bot ตอนที่ 3 มาแล้วครับ คราวนี้เราจะใกล้ความจริงกับการสร้างหุ่นยนต์กันซักที เรามาดูกันว่า จะสร้างหุ่นยนต์ซักตัว มีองค์ประกอบอะไรที่เราต้องเข้าไปยุ่งด้วยบ้าง เช่นเดียวกับตอนที่แล้วที่ได้ทำการแบ่งประเภทของหุ่นยนต์ไป องค์ประกอบของหุ่นยนต์ก็แตกต่างกันไปตามแต่ชนิดของหุ่นยนต์ และยังสามารถแบ่งในรูปแบบอื่น ๆ ได้ตามแต่ผู้แบ่งจะอยากแบ่ง

ส่วนประกอบของหุ่นยนต์ (ตามที่ผมอยากจะแบ่ง) ได้แก่

โครงสร้างและกลไก โครงสร้างของหุ่นยนต์เป็นส่วนที่ยึดส่วนต่าง ๆ ของหุ่นยนต์ไว้ด้วยกัน และ/หรือ เพื่อส่งกำลังไปตามส่วนต่าง ๆ ของหุ่นยนต์ ถึงแม้ว่าจะใช้คำว่าโครงสร้าง แต่ก็ไม่จำเป็นต้องเป็นโครง อาจจะเป็นแผ่น ก้อน ก็ได้ และก็ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะแข็ง อาจจะมีโครงสร้างอ่อนนิ่มก็ได้ ขึ้นกับจุดประสงค์การออกแบบและวัสดุที่ใช้
A) โครงสร้างและกลไกของหุ่นยนต์ตามแบบของ Theo Jansen สร้างด้วยโครงแข็ง, B) โครงสร้างหุ่นยนต์สร้างด้วยแผ่นโลหะ, C) แขนหุ่นยนต์งวงช้างของ Festo เป็นโครงสร้างอ่อนนิ่ม
ต้นกำลัง (actuator) ขึ้นชื่อว่าหุ่นยนต์ ก็ต้องมีความสามารถในการเคลื่อนไหว ต้นกำเนิดการเคลื่อนไหวมาจากอุปกรณ์ต้นกำลัง ซึ่งมีหลายประเภท เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า โซลินอยด์ไฟฟ้า (solenoid) โลหะจำรูป (shape memory alloy) โพลีเมอร์เปลี่ยนรูปได้ (electroactive polymer) กระบอกลม (pneumatic cylinder actuator) เป็นต้น
A) DC motor, B) solenoid, C) shape memory alloy, D) electroactive polymer, E) กระบอกลม
อุปกรณ์ตรวจวัด (sensor) หุ่นยนต์ต่างจากเครื่องจักรทั่ว ๆ ไปตรงที่มันมีความสามารถในการรับรู้สภาพต่าง ๆ ทำให้หุ่นยนต์ทำงานได้ฉลาด อุปกรณ์ตรวจวัดก็มีมากมายไม่แพ้ต้นกำลัง เช่น เซนเซอร์ตรวจวัดการเข้าใกล้ (proximity sensor) เซนเซอร์แสง กล้อง เซนเซอร์วัดระยะ (range finder) เซนเซอร์วัดการหมุนของเพลา (encoder) เป็นต้น
A) proximity sensor แบบต่าง ๆ, B) กล้อง, C) เซนเซอร์แสง, D) เซนเซอร์วัดระยะ Sharp IR range finder, E) encoder
แหล่งพลังงาน หุ่นยนต์จะทำงานได้ต้องมีแหล่งพลังงานซึ่งมีหลายประเภทอีกเช่นกัน เช่น พลังงานไฟฟ้า พลังงานเชื้อเพลิง พลังงานชีวภาพ พลังงานจากอากาศอัด เป็นต้น
ระบบอิเล็กทรอนิกส์ ถึงแม้ต้นกำลังและแหล่งพลังงานจะมีหลายรูปแบบ แต่ส่วนมากจะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือถ้าไม่ใช่ไฟฟ้าก็ยังจะต้องมีระบบไฟฟ้าไปควบคุมอยู่ดี ดังนั้นระบบอิเล็กทรอนิกส์จึงเป็นส่วนประกอบสำคัญอีกอย่างในหุ่นยนต์ที่ทำหน้าที่ติดต่อสื่อสาร รับสัญญาณตรวจวัดเข้ามา ส่งสัญญาณควบคุมออกไป
A) บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino, B) วงจรควบคุมมอเตอร์ของ Maxon
ระบบควบคุม (control) เมื่อมีต้นกำลังแล้ว มีอุปกรณ์ตรวจวัดแล้ว มีระบบอิเล็กทรอนิกส์แล้ว ระบบควบคุมมีหน้าที่ควบคุมให้ต้นกำลังทำงานตามที่ต้องการ เช่น หมุนมอเตอร์ไปที่มุมต่าง ๆ ความเร็วต่าง ๆ แรงต่าง ๆ หรือดันกระบอกลมไปที่ระยะต่าง ๆ เป็นต้น
ปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) ถือว่าเป็นขั้นสูงกว่าระบบควบคุมก็ว่าได้ หุ่นยนต์จะรู้ได้อย่างไรว่าต้องควบคุมกลไกต่าง ๆ ให้ทำงานแบบไหน นั่นคือหน้าที่ของปัญญาประดิษฐ์ที่จะต้องนำข้อมูลจากอุปกรณ์ตรวจวัดมาคิด คำนวณ วิเคราะห์ ตัดสินใจว่าหุ่นยนต์จะต้องทำอะไร เช่น จะหยิบของจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งก็จะต้องวิเคราะห์ว่าของที่จะหยิบอยู่ตรงไหน หน้าตาเป็นอย่างไร จะเอื้อมมือไปทิศไหน จะจับอย่างไร จับได้แล้วจะย้ายไปทิศไหน วางท่าไหน อย่างไร เป็นต้น
ปัญญาประดิษฐ์ของรถอัตโนมัติวิเคราะห์ข้อมูลจากเซนเซอร์ต่าง ๆ เพื่อวางแผนการเคลื่อนที่
ส่วนติดต่อผู้ใช้งาน (user interface) ตราบใดที่หุ่นยนต์ยังไม่ครองโลก ยังไงซะหุ่นยนต์ก็ต้องมีปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ ไม่ว่าจะเป็นตอนหุ่นยนต์ทำงานให้มนุษย์ หรือแม้กระทั่งตอนที่ผู้ควบคุมโปรแกรมให้หุ่นยนต์ทำงานตามที่ต้องการ
A) แป้นควบคุมหุ่นยนต์ (teaching pendant), B) ชุดควบคุมหุ่นยนต์กู้ภัย iRobot, C) หุ่นยนต์ Baxter