แขนหุ่นยนต์

** บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของบทความชุด Build Your Own Bot แนะนำการสร้างหุ่นยนต์ด้วยตัวเอง **

หลังจากที่ได้รู้จักกับหุ่นยนต์เคลื่อนที่ (mobile robot) ไปแล้ว เรามาทำความรู้จักกับหุ่นยนต์อีกประเภทหนึ่ง คือ แขนหุ่นยนต์ (robot arm, manipulator) กัน แขนหุ่นยนต์ คือ หุ่นยนต์ที่สามารถหยิบ จับ เคลื่อนย้าย มีปฎิสัมพันธ์กับสิ่งของได้ในพื้นที่การทำงาน (working space) ของมัน แต่ไม่สามารถทำงานนอก working space ได้

ก่อนอื่นมาดูคำศัพท์บางคำเกี่ยวกับแขนหุ่นยนต์ก่อน

• degrees of freedom หรือ องศาอิสระ คือ จำนวนแกน/ทิศทางที่สามารถเคลื่อนที่ได้ ถ้าเปรียบเทียบกับความสามารถในการเคลื่อนที่บนโลกสามมิติของเราก็จะมีการเคลื่อนที่ 3 แกน ขึ้น-ลง, ซ้าย-ขวา, หน้า-หลัง และการหมุนอีก 3 แกน เช่น
  • แขนหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ได้ในระนาบ และไม่สามารถปรับมุมการหมุนได้ จะมี 2 degrees of freedom
  • แขนหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ได้ในสามมิติ แต่ไม่สามารถปรับมุมการเอียงของปลายแขนได้จะมี 3 degrees of freedom
  • แขนหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ได้ในสามมิติ และควบคุมการหมุนของปลายแขนได้รอบทิศทาง ก็จะมี 6 degrees of freedom
  • หุ่นยนต์ที่มีมากกว่า 6 degrees of freedom คือ หุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนปลายแขนไปยังตำแหน่งใด ๆ ในสามมิติ และควบคุมการหมุนของปลายแขนได้รอบทิศ ได้มากกว่า 1 ท่าทางเพื่อให้ได้ตำแหน่งปลายแขนตำแหน่งเดียวกัน (เช่น แขนคนมี 7 degrees of freedom เราสามารถขยับแขนได้หลายท่า โดยที่ปลายมือเราอยู่ที่เดิม)
• workspace คือ พื้นที่การทำงานที่ปลายแขนหุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ไปได้
• link โครงสร้างแขนแต่ละท่อน
• joint ข้อต่อ แบ่งตามความสามารถในการเคลื่อนที่เป็น
  • active joint คือ ข้อต่อที่มีต้นกำลังติดตั้งอยู่ สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ได้
  • passive joint คือ ข้อต่อที่ไม่มีต้นกำลังติดตั้งอยู่ ไม่สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ได้ การเคลื่อนที่จะเป็นไปตามการเคลื่อนที่ของข้อต่ออื่น ๆ ที่เชื่อมโยงถึงกัน
    หรือแบ่งตามรูปแบบการเคลื่อนที่เป็น
  • revolute joint คือ ข้อต่อที่หมุนได้ (1 degree of freedom)
  • prismatic joint คือ ข้อต่อที่เคลื่อนที่เข้า-ออกเป็นแนวเส้น (1 degree of freedom)
  • screw joint คือ ข้อต่อที่หมุนและเคลื่อนที่เข้า-ออกสัมพันธ์กัน (1 degree of freedom)
  • spherical joint คือ ข้อต่อที่หมุนได้รอบ (2 degrees of freedom)
• base คือ link แรกสุดที่ถูกยึดอยู่กับที่
• wrist คือ ข้อต่อที่ไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในสามมิติ แต่ทำให้เกิดการหมุน มักไว้เป็นข้อต่อสุดท้ายที่ปลายแขน
• end-effector คือ อุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้ที่ปลายแขนเพื่อใช้ทำงาน อาจจะเป็นมือจับ ตัวดูดสูญญากาศ สว่าน เป็นต้น

แขนหุ่นยนต์แบ่งเป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ได้แก่

แขนหุ่นยนต์โครงสร้างอนุกรม (serial link manipulator)

เป็นแขนหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อที่มีต้นกำลังขับเคลื่อนต่อกันไปเรื่อย ๆ แบบอนุกรม ตัวอย่างแขนหุ่นยนต์โครงสร้างอนุกรม เช่น

• Cartesian robot arm เป็นแขนกลที่เคลื่อนที่บนแกนตั้งฉากกัน 3 แกน คือ ขึ้น -ลง, ซ้าย – ขวา, หน้า – หลัง

• Cylindrical robot arm เป็นแขนกลที่เคลื่อนที่ในพื้นที่ทรงกระบอก คือ ขึ้น – ลง, เข้า – ออก ตามแนวรัศมี, หมุนรอบแกน

• Spherical robot arm เป็นแขนกลที่เคลื่อนที่ในพื้นที่ทรงกลม คือ หมุนซ้าย – ขวา, หมุนขึ้น – ลง, เลื่อนเข้า – ออกตามแนวรัศมี

• Scara robot arm เป็นแขนกลที่เคลื่อนที่มีแกนหมุน 2 แกนขนานกัน เพื่อเคลื่อนที่ได้บนระนาบ และอีกแกนสำหรับขึ้น – ลง

• Articulate robot arm เป็นแขนกลที่เคลื่อนที่ในพื้นที่ค่อนข้างเป็นทรงกลม คล้ายในพวกรถขุด/แบคโฮ คือ หมุนซ้าย – ขวา, และมีแกนหมุนอีก 2 แกนที่ขนานกันเพื่อเคลื่อนที่ในระนาบแนวดิ่ง

• Anthropomorphic arm เป็นแขนกลที่มีลักษณะแบบแขนมนุษย์ คือ มีไหลที่หมุนได้ 2 แกน ซ้าย – ขวา, บน – ล่าง มีแกนหมุนรอบตัวเองที่โครงสร้างแกนแรก และมีแกนหมุนที่ข้อศอก

ข้อดี

• มีพื้นที่การทำงานกว้าง เพราะข้อต่อต่อกันออกไปเรื่อย ๆ
• การคำนวณการควบคุมค่อนข้างง่าย ตรงไปตรงมา เพียงแค่นำ transformation matrix ของแต่ละแกนคูณกันไปเรื่อย ๆ (รายละเอียดจะมาอธิบายนลงลึกในครั้งถัด ๆ ไป)

ข้อเสีย

• ความแข็งแรงต่ำ เพราะมีลักษณะเป็นโครงสร้างยื่นยาวออกไปจากฐาน
• ความเที่ยงตรง (precision) ต่ำ เพราะความคลาดเคลื่อนจะสะสมเพิ่มขึ้นตามลำดับของข้อต่อ
• เคลื่อนที่ช้า เพราะการติดตั้งต้นกำลังไปที่แต่ละข้อต่อทำให้แขนมีมวลมาก
• ออกแรงได้น้อย เพราะโครงสร้างไม่แข็งแรงมาก และการติดต้นกำลังที่มีกำลังมากก็จะมีน้ำหนักมากตาม

แขนหุ่นยนต์โครงสร้างขนาน (parallel link manipulator)

เป็นแขนหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อที่มีต้นกำลังขับเคลื่อนหลายตัวอยู่บริเวณฐานและมีโครงสร้างข้อต่อจากต้นกำลังแต่ละตัวไปยังปลายแขนเป็นโครงสร้างแบบปิดเป็นวงรอบ ตัวอย่างแขนหุ่นยนต์โครงสร้างขนาน เช่น

• Delta robot

• Rostock delta robot

• Stewart platform

ข้อดี

• ความแข็งแรงสูง เพราะเป็นโครงสร้างแบบปิด
• ความเที่ยงตรง (precision) สูง เพราะปลายแขนต่อมายังต้นกำลังทุกตัวที่ฐาน
• เคลื่อนที่เร็ว เพราะมวลส่วนใหญ่อยู่ที่ฐาน ปลายแขนจึงมีมวลน้อย
• ออกแรงได้มาก เพราะต้นกำลังทุกตัวช่วยกันออกแรง

ข้อเสีย

• พื้นที่การทำงานแคบ
• มีความซับซ้อนในการคำนวนการควบคุม

การเปรียบเทียบข้อดี – ข้อเสีย กล่าวถึงหุ่นยนต์โดยทั่วไป แต่ก็มีงานวิจัยจำนวนมากที่พยายามแก้ไขข้อเสียแต่ละข้อในหุ่นยนต์แต่ละแบบ เช่น

WAM arm เป็น serial link manipulator ที่ย้ายต้นกำลังทั้งหมดมาอยู่ที่ฐาน แล้วขับเคลื่อนผ่านสายเคเบิล ทำให้แขนมีมวลต่ำ เคลื่อนที่ได้เร็ว

ยังมีแขนหุ่นยนต์อีกมากมายหลายแบบ การจะสร้างแขนหุ่นยนต์ขึ้นมาก็ต้องคำนึงถึงงานที่จะทำ เช่น รูปแบบการเคลื่อนที่ ตำแหน่งต้น ตำแหน่งปลายอยู่ที่ไหน ต้องเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงรึเปล่า หรือเป็นเส้นโค้ง ต้องหมุนปลายแขนได้ด้วยรึเปล่า พื้นที่การทำงานมีลักษณะแบบใด ใหญ่ขนาดไหน งานที่จะทำต้องการความแม่นยำขนาดไหน ต้องออกแรงเยอะขนาดไหน เป็นต้น