หุ่นยนต์งูเลื้อยสำรวจพื้นที่

ระยะต้นๆ นั้นหุ่นยนต์และอุปกรณ์แมคาโทรนิคส์ ถูกนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมหลากหลายประเภทเพื่อประโยชน์ในการลดต้นทุนการผลิตต่อหน่วยให้ต่ำที่สุดและเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้สูงขึ้น แต่ยังมีงานบางอย่างที่จำเป็นต้องใช้หุ่นยนต์แทนแรงงานมนุษย์ เนื่องจากลักษณะของงาน หรือบริเวณที่ต้องปฏิบัติงานนั้นมีความซับซ้อนยากแก่การปฏิบัติงานหรือมีความเสี่ยงภัยต่อมนุษย์ในระดับสูงจนมนุษย์และหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไปไม่สามารถทำงานนั้นได้ งานลักษณะดังกล่าวได้แก่ งานในการสำรวจต่างๆ เช่น งานสำรวจทางทะเล งานสำรวจอวกาศ งานกู้ภัย เช่น "ตึกถล่ม" เหตุการณ์เพลิงไหม้รุนแรง หรือแม้กระทั่งการใช้หุ่นยนต์ในโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นต้น งานประเภทนี้ต้องการหุ่นยนต์รุ่นพิเศษที่เลียนแบบการเคลื่อนที่ของสัตว์เลื้อยคลานแบบ S-Curve เช่น งู เป็นต้น

ศูนย์วิจัยหุ่นยนต์ทั่วโลกจึงได้เร่งศึกษาและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์งู (Serpentine Robot) ขึ้นมา ผู้นำงานวิจัยด้านนี้คือ ศาสตราจารย์ ชิเกโอะ ฮิโรเซะ จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว สำหรับประเทศไทย 3 หน่วยงานสำคัญที่สนับสนุนงานวิจัยนี้ คือ มูลนิธิโทเรเพื่อการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ประเทศไทย สภาวิจัยแห่งชาติและสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ได้ให้การสนับสนุนงานวิจัยพื้นฐานเรื่องนี้แก่สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม(ฟีโบ้) โดยมีคุณภาคภูมิ วิริยะเจริญสุนทร เป็นนักวิจัยของโครงการ

หุ่นยนต์งูมีลักษณะทางกลไกแบบ "มัลติจอยท์" จึงเหมาะสมกับการใช้งานในลักษณะดังกล่าว เนื่องจากมีจำนวนองศาอิสระ (degree of freedom) มากกว่าหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไป บางครั้งถูกเรียกว่า Redundant robots โดยลำตัวหุ่นยนต์จะถูกออกแบบให้เป็นปล้องๆ แต่ละปล้องเชื่อมกันด้วยข้อต่อ ซึ่งข้อต่อแต่ละข้อถูกออกแบบเป็นพิเศษให้ข้อต่อหนึ่งข้อมีสององศาอิสระ คือ สามารถเคลื่อนที่ระนาบขึ้น - ลง และ ซ้าย - ขวา หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่หลบหลีกสิ่งกีดขวางได้เป็นอย่างดี ในต่างประเทศมีการศึกษาเรื่อง Redundant robots กันมานานแล้ว ตัวอย่างของงานวิจัยนั้นได้แก่ MELARM สร้างโดยห้องปฏิบัติการวิศวกรรมเครื่องกลของกระทรวงพาณิชย์และอุตสาหกรรมระหว่างประเทศ (MITI) ประเทศญี่ปุ่น MELARM เป็นหุ่นยนต์ที่มีสองแขน แต่ละแขนมีเจ็ดองศาอิสระ สร้างขึ้นเพื่อใช้ในการทดลองเรื่อง การควบคุมแบบ master - slave หรืองานวิจัยหุ่นยนต์ Self Approach system สร้างโดย บริษัทโตชิบาที่ญี่ปุ่นเป็นหุ่นยนต์ที่มี 17 องศาอิสระ มีลักษณะคล้ายคลึงงูมากที่สุด สร้างขึ้นเพื่อใช้ตรวจสอบสภาพของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์และ UJIBOT เป็นหุ่นยนต์ที่พัฒนาจากมหาวิทยาลัยเกียวโต เป็นแขนกลซึ่งมีเจ็ดองศาอิสระ ทำการทดลองเกี่ยวกับเรื่องการหลบหลีกสิ่งกีดขวาง 

งานวิจัยหุ่นยนต์งูของฟีโบ้ใช้ประโยชน์จากทฤษฎี Active Cord Mechanism เพื่อคำนวณหาแรงลัพท์ แนวสัมผัสกับลำตัวหุ่นยนต์ (Tangential Forces) จากการที่ด้านล่างเป็นล้ออิสระที่มิได้ต่อกับมอเตอร์ใดๆและการติดตั้งไม่ยอมให้เกิดการเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉาก(Radial Forces) หุ่นยนต์งูนี้จึงเคลื่อนที่ไปด้านหน้าหลังได้เท่านั้น เราได้ประยุกต์ใช้หลักการพลศาสตร์ของศาสตราจารย์โทมัส เคน แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดเพื่อหาโมเดลการเคลื่อนที่ทางคณิตศาสตร์และการใส่แรงกระตุ้น (Perturbing Bias) จนทำให้หุ่นยนต์สามารถ เลื้อยไปมาได้เช่นเดียวกับงูจริงๆ

ปัญญาประดิษฐ์และสมการศักยภาพ (Potential Function) ก็มีส่วนช่วยให้หุ่นยนต์สามารถหลบหลีกสิ่งกีดขวางได้ ทีมนักวิจัยฟีโบ้หวังว่าจะมีโอกาสพัฒนาให้หุ่นยนต์งูนี้ว่ายน้ำและดำน้ำได้เช่นเดียวกับงูของสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียวครับ
ชมวิดิโอผลการทดลองได้ที่ http://www.fibo.kmutt.ac.th/

ขอบคุณดร.ชิต เหล่าวัฒนา ผู้เขียนและผู้อนุเคราะห์ข้อมูลเพื่อเผยแพร่