การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ - สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ
 
สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน  เมนู 36
เล่มที่ ๓๖
เรื่องที่ ๑ มัสยิด
เรื่องที่ ๒ ละครชาตรี
เรื่องที่ ๓ เกวียน
เรื่องที่ ๔ ทองคำ
เรื่องที่ ๕ มะคาเดเมีย
เรื่องที่ ๖ หุ่นยนต์
เรื่องที่ ๗ แอนิเมชัน
เรื่องที่ ๘ โรคมาลาเรีย
เรื่องที่ ๙ โรคไต
รายชื่อผู้เขียน

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๓๖ / เรื่องที่ ๖ หุ่นยนต์ / การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

 การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์
การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

การเคลื่อนที่ (locomotion) หมายถึง การกระทำด้วยกำลัง เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ส่วนใหญ่แล้วการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์จะพิจารณาออกแบบตามวัตถุประสงค์ของการใช้งาน และสภาพการทำงานของหุ่นยนต์เป็นสำคัญ หากหุ่นยนต์ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งงานส่วนใหญ่เป็นงานที่ทำในขอบเขตจำกัด การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ก็ไม่มีความจำเป็น จึงออกแบบให้มีลักษณะเป็นแขนกลชนิดติดตั้งอยู่กับที่ แต่หากเป็นงานเชิงสำรวจ งานตรวจการณ์ หรือมีขอบเขตการทำงานกว้าง และต้องเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งต่างๆ ก็จะออกแบบหุ่นยนต์ให้สามารถเคลื่อนที่ได้

ความสามารถในการเคลื่อนที่ (mobility) หมายถึง ความสามารถของระบบขับเคลื่อนที่จะนำพาหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ไปบนพื้นผิว และผ่านสิ่งกีดขวางต่างๆ

ประเภทการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์สามารถแบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้ดังนี้

๑) การเคลื่อนที่โดยใช้ล้อ (Wheel-drive locomotion) 

คือ หุ่นยนต์ที่ใช้ล้อในการเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับหุ่นยนต์ทั่วไปที่ใช้งานบนพื้นราบ ซึ่งมีข้อดี คือ หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว มีการควบคุมง่าย ดังนั้นส่วนใหญ่หุ่นยนต์จึงถูกสร้างให้เคลื่อนที่โดยใช้ล้อ แต่ข้อจำกัดของการเคลื่อนที่ในลักษณะนี้คือ หุ่นยนต์ไม่สามารถไปในพื้นที่ต่างระดับได้ และการเดินทางในพื้นที่ขรุขระเป็นไปอย่างยากลำบาก
ล้อใช้ในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์
ล้อใช้ในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์
๒) การเคลื่อนที่โดยใช้ล้อสายพาน (Track-drive locomotion) 

คือ หุ่นยนต์ที่ใช้ล้อสายพานในการเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้งานในพื้นที่ขรุขระ หรือพื้นที่ที่มีความต่างระดับ ส่วนการควบคุมสามารถทำได้ง่ายเหมือนหุ่นยนต์ที่ใช้ล้อทั่วไป แต่มีข้อจำกัดคือ ไม่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวบริเวณที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไป เนื่องจากการตะกุยของล้อสายพาน
ล้อสายพาน เหมาะสำหรับใช้งานในพื้นที่ขรุขระหรือต่างระดับ
ล้อสายพาน เหมาะสำหรับใช้งานในพื้นที่ขรุขระหรือต่างระดับ
๓) การเคลื่อนที่โดยใช้ขา (Legged locomotion)

คือ หุ่นยนต์ที่ใช้ขาในการเคลื่อนที่ โดยเลียนแบบจากสิ่งมีชีวิต เช่น หุ่นยนต์เดิน ๔ ขา หรือหุ่นยนต์เดิน ๒ ขา ข้อดี คือ หุ่นยนต์สามารถไปได้ในทุกที่ หรือทุกสภาพพื้นผิว สามารถก้าวข้ามผ่านสิ่งกีดขวางต่างๆ ได้ และมีความสามารถในการเคลื่อนที่ดีกว่าล้อ ส่วนข้อจำกัดคือ การเคลื่อนที่ช้า การควบคุมทำได้ยากลำบากกว่าการเคลื่อนที่แบบใช้ล้อมาก และการรักษาสมดุลเป็นสิ่งที่จำเป็นมากสำหรับหุ่นยนต์ประเภทนี้ โดยเฉพาะหุ่นยนต์ที่ใช้ ๒ ขาในการเคลื่อนที่

๔) การเคลื่อนที่โดยการบิน (Flight locomotion) 

คือ หุ่นยนต์ที่ใช้ปีกหรือใบพัดในการเคลื่อนที่ หรือเรียกว่า หุ่นยนต์บิน ข้อดีของหุ่นยนต์บินคือ เคลื่อนที่ได้รวดเร็ว และสามารถเข้าไปในพื้นที่เสี่ยงภัย หรือพื้นที่ที่เข้าถึงได้ยาก ซึ่งงานส่วนใหญ่ของหุ่นยนต์ประเภทนี้คือ การสำรวจ หรือการตรวจการณ์ แต่มีข้อควรระวังคือ เนื่องจากหุ่นยนต์บินมีระยะในการปฏิบัติงานได้ค่อนข้างไกล การควบคุมจากระยะไกลจึงเข้ามามีบทบาทอย่างมาก หากมีระบบการควบคุมไม่ดีพอ อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อหุ่นยนต์ได้
หุ่นยนต์เรือดำน้ำ ส่วนใหญ่ใช้ในงานสำรวจ
หุ่นยนต์เรือดำน้ำ ส่วนใหญ่ใช้ในงานสำรวจ
๕) การเคลื่อนที่ในน้ำ (Swimming locomotion)

คือ หุ่นยนต์ที่ใช้ใบพัดหรือครีบในการเคลื่อนที่ และมีถังอับเฉาใช้ในการควบคุมการลอยตัวของหุ่นยนต์ ได้แก่ หุ่นยนต์ปลา และหุ่นยนต์เรือดำน้ำ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในงานสำรวจ แต่เนื่องจากการควบคุมของการเคลื่อนที่ในน้ำนั้น ไม่สามารถใช้ภาพในการนำทางได้ จึงต้องใช้อุปกรณ์ตรวจรู้อย่างอื่นมานำทางแทน เช่น ระบบการสะท้อนกลับของคลื่นเสียง ทำให้การควบคุมต้องมีความระมัดระวังเป็นอย่างมาก
๖) การเคลื่อนที่รูปแบบอื่น (Other locomotion)

คือ หุ่นยนต์ที่ไม่ใช้ขาและล้อในการเคลื่อนที่ เช่น หุ่นยนต์งู จะใช้การรวมแรงลัพธ์ที่เกิดจากการบิดเคลื่อนที่ไปมาในแต่ละข้อ ขับดันให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ข้อดีของหุ่นยนต์ประเภทนี้คือ สามารถไปได้ในทุกสภาพพื้นผิว ทั้งยังสามารถขึ้นที่สูง และเข้าไปในที่แคบๆ ได้ จึงสามารถปฏิบัติงานได้อย่างหลากหลาย และข้อดีอีกอย่างคือ ในแต่ละข้อต่อของหุ่นยนต์ที่ประกอบกันจะเหมือนกัน ดังนั้นถ้าข้อต่อใดเกิดความเสียหายขึ้น จะสามารถทดแทนด้วยข้อต่ออื่นได้ทันที    
หุ่นยนต์เคลื่อนที่บนผิวน้ำ
หุ่นยนต์เคลื่อนที่บนผิวน้ำ
ในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ต้องคำนึงถึงวิธีการหรือรูปแบบของการเคลื่อนที่ด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานในการเคลื่อนที่ต่ำที่สุด เพื่อให้หุ่นยนต์มีความสามารถในการหลบหลีกสิ่งกีดขวาง หรือเพื่อให้เกิดเสถียรภาพในขณะเคลื่อนที่
หุ่นยนต์ที่จำลองรูปร่างของสัตว์ต่างๆ ผลงานวิจัยโดยศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีแห่งชาติ (ไบโอเทค)
หุ่นยนต์ที่จำลองรูปร่างของสัตว์ต่างๆ ผลงานวิจัยโดยศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีแห่งชาติ (ไบโอเทค)
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
การพัฒนาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์เลียนแบบธรรมชาติ เริ่มเข้ามามีบทบาทมากขึ้น เช่น การออกแบบหุ่นยนต์เคลื่อนที่โดยใช้ ๒ ขาเหมือนมนุษย์ การออกแบบหุ่นยนต์เคลื่อนที่ใต้น้ำโดยอาศัยหางและครีบ ที่โบกไปมาเหมือนปลา หรือหุ่นยนต์ที่บินได้ โดยอาศัยปีก ที่กระพือเหมือนปีกนก ซึ่งจะเห็นได้ว่า กลไกการเคลื่อนที่ของธรรมชาติ ล้วนอาศัยกลไกการเคลื่อนที่แบบกลับไปกลับมา เนื่องจากกล้ามเนื้อของสิ่งมีชีวิตมีระยะยืด-หดที่จำกัด ต่างจากต้นกำลังในหุ่นยนต์ ซึ่งส่วนมากจะใช้มอเตอร์ที่ใช้การหมุนเป็นหลัก การเคลื่อนที่ในลักษณะกลับไปกลับมา ที่หาง หรือปีกของสัตว์ จะสร้างกระแสหมุนวน (vortex) ของของไหลอย่างต่อเนื่อง  กระแสหมุนวนนี้ สร้างแรงขับดันอันมหาศาล จากการโบกขยับอวัยวะเพียงเล็กน้อยของสัตว์ได้อย่างไร และทำไมจึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบขับเคลื่อนที่มนุษย์สร้างขึ้น ประเด็นนี้ยังคงเป็นปริศนา และต้องให้นักวิทยาศาสตร์ค้นคว้าหาคำตอบต่อไป
หุ่นยนต์บินได้ โดยอาศัยปีกที่กระพือเหมือนปีกนก
หุ่นยนต์บินได้ โดยอาศัยปีกที่กระพือเหมือนปีกนก
หัวข้อก่อนหน้า หัวข้อถัดไป