ระบบขาเทียม

ระบบขาเทียม
(Prosthetic Knee Systems)

ระบบการทำงานของหัวเข่าของมนุษย์เป็นส่วนที่มีความสลับซับซ้อนอย่างมาก เนื่องจากหัวเข่าเป็นส่วนที่ต้องรองรับการยืน การเคลื่อนไหวต่างๆ การนั่ง และต้องทำการควบคุมการเดินให้มีความสะดวกลื่นไหลดังนั้นระบบเข่าเทียมจึงได้มีวิวัฒนาการมาอย่างต่อเนื่อง โดยในระยะแรกได้นำหลักการของลูกตุ้ม (Pendulum) มาประยุกต์ใช้ ซึ่งจะทำการปรับการแกว่งของขาโดยใช้ ยางและสปริง หรือใช้นิวเมติกหรือไฮดรอลิกเป็นส่วนประกอบ ต่อมาในปัจจุบันระบบเข่าเทียมบางแห่งได้นำการควบคุมการเคลื่อนไหวชั้นสูงมาใช้ในการปรับการแกว่งของขาเทียม ผ่านทางการคำนวณของ Microprocessors

เนื่องจากว่าผู้พิการในแต่ละรายมีความต้องการระบบขาเทียมที่แตกต่างกัน ดังนั้นผู้เชี่ยวชาญทางด้านระบบขาเทียมจึงต้องสามารถช่วยผู้พิการให้เลือกระบบขาเทียมที่เหมาะสมกับผู้พิการแต่ละคนได้ โดยทำการสอนให้ผู้พิการใช้งานระบบขาเทียมได้อย่างเหมาะสม เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความไม่สบายหรือการเดินสะดุดและการล้มได้ ปัจจัยสำคัญที่จะช่วยให้รู้ได้ว่าผู้พิการต้องการระบบขาเทียมแบบไหน คือ การสังเกตุพฤติกรรมวงจรการเดินของผู้พิการ ซึ่งโดยปกติวงจรของการเดินของคนทั่วไปจะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ
· Stance phase เป็นช่วงที่ขาเทียมอยู่บนพื้น เพื่อทำการรองรับลำตัว
. Swing phase เป็นช่วงที่ขาลอยจากพื้น เพื่อแกว่งขาไปด้านหน้า
ซึ่งพบว่าช่วงตรงกลางระหว่าง 2 ช่วงดังกล่าว จะแตกต่างกันในแต่ละราย ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้ผู้พิการแต่ละรายต้องการขาเทียมที่แตกต่างกัน



แม้ว่าในปัจจุบันจะมีระบบขาเทียมที่มีขายอยู่ในตลาดมากกว่า 100 แบบ แต่ระบบขาเทียมเหล่านี้สามารถถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ได้ดังนี้
แบบใช้หลักกลไกของฮาร์ดแวร์ (Mechanical knees) ซึ่งสามารถถูกแบ่งย่อยลงไปได้อีก 2 กลุ่มได้อีก คือ
หัวเข่าแบบแกนเดียว (Single-axis knees)
หัวเข่าหลายแกน (Polycentric หรือ Multi-axis knees)
แบบใช้การคำนวณ
แต่ถึงอย่างไรก็ตาม ผู้พัฒนาระบบขาเทียมส่วนใหญ่ไม่ได้คำนึงถึงระดับความซับซ้อนของระบบ แต่จะคำนึงถึงระบบกลไกที่เพิ่มความสมดุลมั่นคงให้กับระบบ ไม่ว่าจะใช้แบบปรับการล็อคโดยผู้ใช้เอง (Manual) หรือแบบใช้น้ำหนักในการปรับการล็อค (Weight-activated locking systems) นอกจากนี้ยังคำนึงถึงกลไกสำหรับควบคุมการเคลื่อนไหล ที่ใช้หลักการปรับค่าความเสียดทานและการควบคุมของไหลแบบนิวเมติก (Pneumatic) หรือไฮดรอลิก (Hydraulic) มาใช้ โดยการปรับค่าดังกล่าวจะมีทั้งการตั้งให้เป็นค่าคงที่หรือแบบแปรผัน
ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis) และหลายแกน (Polycentric)
1. ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis) หรือแบบบานพับ เป็นแบบที่มีความซับซ้อนน้อยที่สุด ซึ่งทำให้แบบนี้มีราคาถูกที่สุด มีอายุการใช้งานมากที่สุด แต่มีความยืดหยุ่นในการปรับแต่งน้อยที่สุด สำหรับขาเทียมแกนเดียวแบบธรรมดานี้ การเคลือนไหวในช่วงแกว่งขา (Free-swinging) ของระบบขาเทียมแบบนี้ จะไม่มีการควบคุมท่าทางของขาเทียม (Stance control) ผู้พิการจะต้องใช้แรงจากกล้ามเนื้อของตัวเองในการควบคุมขาเทียมให้มีความสมดุลเมื่อทำการยืน ด้วยเหตุนี้นี้ นักวิจัยจึงได้ทำการพัฒนาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยใช้การควบคุมแรงเสียดทานแบบคงที่และใช้การการล็อกแบบ Manual มาช่วยให้ผู้พิการให้ใช้งานได้สะดวกขึ้น

รูปที่ 1 ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis)

2. ระบบขาเทียมแบบหลายแกน (Polycentric) หรือขาเทียมแบบ “Four bar” ซึ่งจะมีการออกแบบให้มีแกนหมุนหลายแกน ทำให้ขาเทียมแบบนี้มีความสมดุลอย่างมากในช่วงแรกของ Stance phase และยังง่ายต่อการงอในช่วงเริ่มต้นของ Swing phase หรือเพื่อทำการนั่ง นอกจากนี้ขาเทียมแบบนี้ยังมีข้อดีที่ช่วงเริ่มต้น โดยความยาวของขาจะสั้นเมื่อเข้าสู่ช่วงเริ่มต้น เพื่อลดการปัญหาการเดินสะดุด ดังนั้นระบบขาเทียมแบบนี้จึงเหมาะสมกับผู้พิการส่วนใหญ่หรือผู้พิการที่ไม่สามารถใช้ขาเทียมแบบอื่นได้ ถึงแม้ว่าขาเทียมแบบหลายแกนมีกลไกที่ใช้ควบคุมการแกว่ง ซึ่งจะทำให้การเดินในแต่ละช่วงของการก้าวมีความเร็วที่เหมาะสม แต่ได้มีขาเทียมแบบหลายแกนจำนวนมากที่ใช้การควบคุมการแกว่งด้วยของไหล ทั้งแบบนิวเมติกและไฮดรอลิกมาช่วยในการควบคุมเพิ่มเติมเพื่อปรับความเร็วในการเดิน แต่ถึงอย่างไรก็ตามขาเทียมแบบหลายแกนยังมีข้อจำกัดในด้านช่วงการเคลื่อนที่ของเข่าในบางมุมถึงแม้จะไม่จุดสำคัญในการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ขาเทียมแบบนี้ต้องการการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนทดแทนที่บ่อยครั้งมากกว่าแบบอื่น

รูปที่ 2 ระบบขาเทียมแบบหลายแกน (Polycentric)

วิธีการสร้างความสมดุล

Manual Vs Weight-Activated Locking Systems
ผู้พิการบางคนต้องการให้ข้อเข้ามีการล็อคเพิ่มเติมเพื่อป้องการการเคลื่อนที่ที่เร็วเกินความต้องการ ซึ่งวิธีการล็อคสามารถแบ่งวิธีการป้องกันอยู่ 2 วิธีหลักๆ ได้แก่
วิธีที่แรก ทำการล็อคเข่าแบบ Manual ซึ่งจะทำงานร่วมกับการล็อคอัตโนมัติที่สามารถทำการปลดล็อคได้เอง เนื่องจากว่าการเดินปกติมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการล็อค โดยระบบการล็อคแบบนี้เหมาะสำหรับผู้พิการที่รักษาสมดุลไม่ได้วิธีที่สอง คือ Weight-activated stance-control knee ซึ่งจะทำการโดยใช้หลักการของน้ำหนักที่วางบนขาเทียม โดยเมื่อมีน้ำหนักกดลงที่ที่เข่า เข่าเทียมจะงอ ซึ่งลักษณะขาเทียมแบนี้เหมาะสำหรับผู้พิการที่อายุมากหรือมีกิจกรรมน้อย
วิธีการควบคุมการเคลื่อนที่
ระบบขาเทียมทุกแบบต้องการควบคุมการแกว่งของขาเพี่อทำการควบคุมท่าทาง ในหลายๆ กรณีการควบคุมแบบนี้สามารถทำได้โดยการใช้แรงเสียดทางจากกลไกที่แกนหมุน และทำการปรับเพื่อให้เหมาะสมกับจังหวะของขาอีกข้างหนึ่ง สำหรับขาเทียมแบบใช้แรงเสียดทานแบบคงที่ มีข้อได้เปรียบ คือ สามารถออกแบบได้ง่าย น้ำหนักเบา แต่มีข้อเสียหลักคือขาเทียมแบบนี้สามารถปรับความเร็วในการเดินได้แบบเดียวที่ในแต่ละเวลา แต่สำหรับขาเทียมที่ใช้แรงเสียดทานแบบแปรผันจะมีอาศัยหลักการทำงานโดยการเพิ่มความต้านทานในช่วงที่เข่างอจากการยืดขาสุด ถึงแม้ว่าจะขาเทียมแบบใช้แรงเสียดทานที่แกนหมุนจะทำการปรับปรุงมากขึ้น แต่ยังมีข้อจำกัดอยู่ ได้แก่ ขาเทียมแบบนี้ต้องการการปรับและการเปลี่ยนชิ้นส่วนในกลไกการเคลื่อนที่ค่อนข้างบ่อย และยังไม่สามารถทำการพัฒนาให้ดีได้เท่ากับแบบใช้ของไหลในการควบคุมท่าทางของขาเทียม
ระบบการควบคุมของไหล : นิวเมติก Vs ไฮดรอลิก
การควบคุมการแกว่างของขาเทียมขั้นสูง จะใช้หลักของ Fluid dynamics เพื่อเตรียมค่าความต้านทาน ซึ่งจะทำให้ผู้พิการสามารเคลื่อนที่ได้อย่างสะดวกทีความเร็วในแต่ละระดับ ขาเทียมแบบเนี้ประกอบด้วยลูกสูบอยู่ภายใน Cylinders ที่บรรจุอากาศ (นิวเมติก) หรือของไหล (ไฮดรอลิก) โดยขาเทียมจะทำการอัดอากาศเมื่อเข่างอ และจะทำการเก็บพลังงานไว้ เพื่อทำการปล่อยพลังงานกลับในช่วงการยืด นอกจากนี้สามารถทำการเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมท่าทางโดยทำการเพิ่ม Coil Spring สำหรับระบบนิวเมติก จะถูกใช้สำหรับการควบคุมการแกว่งของเข่า แต่พบว่ามีประสิทธภาพน้อยกว่าการควบคุมบบระบบไฮดรอลิก ซึ่งระบบไฮดรอลิกจะเหมาะสมมากกับผู้พิการที่มีการเคลื่อนไหวมาก เนื่องจากข้อเข่าเทียมจะทำงานได้ใกลเคียงกับเข่าปกติมาก โดยระบบไฮดรอลิกจะใช้ของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น Silicone oil แทนการใช้อากาศในระบบนิวเมติก เนื่องจากมีการตอบสนองในช่วงความเร็วที่กว้างกว่า ถึงแม้ว่าระบบไฮดรอลิกจะมีการให้ท่าทางที่ค่อนข้างสมบูรณ์ ซึ่งขาเทียมแบบนี้ต้องการการบำรุงรักษาที่มาก

รูปที่ 3 ระบบขาเทียมแบบไฮดรอลิก

ขาเทียมแบบใช้ Microprocessor
ระบบขาเทียมแบบ Microprocessor เป็นเทคโนโลยีที่ใหม่ ซึ่งระบบขาเทียมรุ่นใหม่จะใช้แนวทางนี้ในการพัฒนา โดยการทำงานจะใช้เซนเซอร์บนบอร์ดสามารถที่จะทำการตรวจสอบการเคลื่อนที่ จากกนั้นจะทำการปรับอากาศหรือของไหล เพื่อทำการควบคุม Cylinder ให้เคลื่อนที่ได้อย่างเป็นธรรมชาติและเหมาะสมกับผู้พิการแต่ละคน
จะที่กล่าวมาทั้งหมดจะเห็นว่าเทคโนโลยีในการสร้างระบบขาเทียมต่างๆ มากมาย แต่ก็ยังพบว่าขาเทียมในปัจจุบันยังต้องมีการพัฒนาต่อไป เพื่อให้มีราคาและคุณสมบัติที่เหมาะสมกับผู้พิการ ซึ่งเทคโนโลยีที่นำมาใช้เริ่มมีความหลากหลายมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นขาเทียมแบบใช้กลไก แบบไฮดรอลิก แบบการคำนวณ และแบบที่ใช้ “Bionic” หรือ Neurophosthetic

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

หุ่นยนต์ผ่าตัดหัวใจ

หุ่นยนต์ผ่าตัดหัวใจ

(CardioArm)

ผมได้เขียนบทความเทคนิค อธิบายทำงานของเอนโดสโคปแบบใหม่ ลงในหนังสือ Computer Integrated Surgery, Technology and Clinical Application, จัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์ของสถาบันเทคโนโลยีแห่งมลรัฐแมสซาซูเซตท์ หรือ MIT Press. สำหรับอุปกรณ์นี้ผมได้ใช้หลักการทางเทคโนโลยีหุ่นยนต์ในการออกแบบ และเนื่องจากเป็นความคิดแปลกใหม่ งานประดิษฐ์ชิ้นนี้จึงได้รับ US Patent ด้วย

นายแพทย์อาศัยเอนโดสโคปในการสำรวจการก่อตัวมะเร็งของระบบทางเดินอาหารในระยะเริ่มต้น มะเร็งลำไส้ใหญ่จัดเป็นโรคร้ายรุนแรงที่คร่าชีวิตคนไทย อาหารที่ไม่สะอาดที่มีเชื้อรา ไวรัส และสารเคมี ปนเปื้อนเป็นต้นเหตุสำคัญทำให้เกิดมะเร็งดังกล่าว รายงานล่าสุดพบว่าพริกป่นที่เรานิยมใช้ปรุงก๋วยเตี๋ยวนั้นมีเชื้ออัลฟาท็อกซินอยู่ค่อนข้างมาก นอกเหนือจากนั้นการรับประทานอาหารที่มีไขมันสูงและมีกากอาหารน้อย เพิ่มโอกาสเป็นมะเร็งในลำไส้ใหญ่ ซึ่งโดยเฉลี่ยจะถูกตรวจพบหลังจากคนไข้มีสภาวะเข้าสู่ขั้นอันตรายแล้ว ดังนั้นเพื่อรับรู้สุขภาพลำไส้ใหญ่ของเราจึงมีการแนะนำให้ไปหาหมอตรวจทุกปีเมื่ออายุครบ 35 ปี
กรรไกขนาดเล็กและอุปกรณ์ช่วยการผ่าตัดขั้นเริ่มต้น สามารถสอดใส่ผ่านเอนโดสโคป เพื่อทำการ “ตัด” เนื้องอกที่ลักษณะคล้าย หูด (Polyps) หรือดอกกระหล่ำ โดยมิต้องทำการเปิดช่องท้องของ ผู้ป่วยแต่ประการใด ทำให้โอกาสติดเชื้อและเสียโลหิตน้อยลงมาก มีผลให้ความเจ็บปวดและระยะพักฟื้นน้อยลงไปด้วยหลักการผ่าตัดที่เปิดแผลน้อยที่สุดหรือแทบไม่มีเลย (Minimal Invasive Surgery) นี้ กำลังได้รับความนิยมอย่างสูง โรงพยาบาลชั้นนำของไทยส่วนใหญ่มีมาตรฐานบริการสูงจนชาวต่างชาติแห่กันมารับการรักษาพยาบาล ก็ได้นำเทคนิคและอุปกรณ์แพทย์อันทันสมัยด้านนี้มา

The snakelike CardioArm moves around inside the membrane
encasing a pig’s heart. Credit: Amir Degani

ให้บริการตรวจเช็คและผ่าตัด ด้านระบบการหายใจ คุณภาพโลหิตในประจำเดือนของคุณสุภาพสตรี กระดูกและข้อต่อต่างๆ ไต ตลอดจนการศัลยกรรมพาสติก และที่น่าสนใจไม่น้อยคือการผ่าตัดหัวใจ เทคโนโลยีหุ่นยนต์มีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์แพทย์ด้าน Minimal Invasive Surgery ล่าสุด มีความร่วมมือระหว่าง ดร. โฮวี่ โชว์เซต นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน ผู้ออกแบบหุ่นยนต์งู TR 35 และ ศาสตราด้านศัลยกรรม มาโคร ซีนาติ แห่งมหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์กส์ ดำเนินการโครงการ CardioArm สำหรับการผ่าตัดหัวใจขึ้นมา CardioArm มีโครงสร้างทางกลคล้ายๆกับงู กล่าวคือประกอบด้วยข้อต่อและปล้องมากมายถึง 102 องศาอิสระ ซึ่งทำให้ CardioArm นี้ทำงานได้ละเอียดกว่า อุปกรณ์เอนโดสโคปมาตรฐานทั่วไป โดยมีสมองกลคอยควบคุมการทำงานให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต้องการ ผ่านการสั่งการของจอยสติกส์ สำหรับผู้ที่ศึกษาทางด้านกลไกย่อมทราบได้ทันที สมการการเคลื่อนคิเนแมติกส์มีความยุ่งยากเป็นทวีคูณตามจำนวนองศาอิสระ วิธีเลี่ยงความยุ่งยากนี้ทางผู้วิจัยได้เลือกควบคุมที่ละสามองศาอิสระ แนวความคิดนี้ใกล้เคียงกับสิ่งประดิษฐ์ที่ผมออกแบบสำหรับการตรวจหามะเร็งในลำไส้ใหญ่ที่ควบคุมที่ละหนึ่งองศาอิสระ (โปรดอ่านบทความของผมก่อนหน้านี้)

ข้อต่อของ CardioArm มีขนาดเล็กมาก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.2 ซม. ความยาว 3.0 ซม. จำเป็นต้องควบคุมมิให้อุปกรณ์สัมผัสกับเนื้อเยื่อของหัวใจ เพราะทำให้เกิดการบอบช้ำและภาวะ Trauma จนมีเลือดไหลออกภายใน การควบคุมแรง(Force Control)จักต้องทำด้วยความระมัดระวังเพราะกลไกและสภาวะแวดล้อมมีความยืดหยุ่นน้อย (Stiff) ทำให้มีโอกาสขาดเสถียรภาพสูง (Unstable) ผลก็คืออุปกรณ์จะเคลื่อนอย่างรวดเร็ว รุนแรง อย่างไร้ทิศทาง ซึ่งถือว่าอันตรายมาก นักวิจัยทั้งสองได้ร่วมกันตั้งบริษัท Cardiorobotics บริษัทได้ทดลองใช้อุปกรณ์นี้กับสุกรไปแล้วเก้าตัว คาดว่าจะทดลองใช้กับมนุษย์ภายในสิ้นปีนี้ เพื่อเป็นการติดตามและศึกษาเทคโนโลยีด้านนี้ ทางสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้)จะส่งบัณฑิตศึกษาภายใต้โครงการทุนของสำนักงานอุดมศึกษาแห่งชาติ ไปที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอนร่วมวิจัยกับดร. ดร. โฮวี่ โชว์เซต ประมาณแปดเดือนครับ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

หุ่นยนต์เพื่อสิ่งแวดล้อม

หุ่นยนต์เพื่อสิ่งแวดล้อม

นักวิจัยของ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี (มจธ) กำลังศึกษาและพัฒนาเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงในขบวนการผลิตน้ำมันปาล์มสำหรับ "เครื่องยนต์ไบโอดีเซล"

เครื่องจักรเหล่านี้ในปัจจุบันไทยเรานำเข้าจากประเทศมาเลเซีย ขณะเดียวกันด้วยการสนับสนุนจากกรมส่งเสริมอุตสาหกรรม ทีมนักวิจัยดังกล่าวยังให้ความสนใจการออกแบบระบบควบคุมแบบยืดหยุ่น (Flexible System) สำหรับการจุดระเบิดอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับเครื่องยนต์เบนซินที่มีการผสมใช้ “แก็สโซฮอล์” หลายเกรดตามเปอร์เซ็นต์ส่วนผสมของแอลกอฮอล์ สูงสุดคือ 100 เปอร์เซนต์ สำนักงานส่งเสริมการลงทุน ได้มีการอนุมัติการลงทุน โรงงานผลิตแอลกอฮอล์ไปแล้วหลายโรงที่มีกำลังการผลิตรวมกันถึง 12 ล้านลิตรต่อวัน อย่างไรก็ตามอัตราการใช้แอลกอฮอล์สำหรับเชื้อเพลิงยังอยู่ที่ประมาณ 800,000 ลิตรต่อวันเท่านั้น ผมเห็นว่าน้ำมันปาล์มและแอลกอฮอล์ที่เราสามารถผลิตได้เองในประเทศอาจเป็นหนทางออกที่จำเป็นในวิกฤตพลังงาน ผมจึงได้หารือขอคำชี้แนะจาก ท่านอธิบดีกรมส่งเสริมอุตสาหกรรม (คุณ ปราโมทย์ วิทยาสุข) ในการขยายผลสู่การปฏิบัติและการจัดการทางเทคโนโลยี ท่านได้กรุณาแนะนำว่า “ประเทศบราซิล” นั้น มีการใช้แอลกอฮอล์ในเครื่องยนต์เบนซินถึงขั้น 100 เปอร์เซ็นต์แล้วอย่างไม่มีปัญหาแล้วครับ
ผมมีความรู้เกี่ยวกับประเทศบราซิลน้อยมาก แต่จำได้แม่นว่านักฟุตบอลเก่งกาจระดับโลกหลายท่านเป็นคนชาตินี้ เมื่อค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมในเชิงลึกแล้ว จึงพบว่าบราซิลนั้นมีอุตสาหกรรมน้ำมันอยู่ พร้อมๆกับความหลากหลายทางชีวภาพของลุ่มน้ำอะเมซอน คนประเทศนี้มีความตระหนักและหวงแหนทรัพยากรธรรมชาติที่เกิด จากลุ่มแม่น้ำนี้ แต่การเฝ้าระวังตรวจสอบสภาวะสมดุลต่างๆ คงไม่ง่ายนักเพราะลุ่มน้ำเหล่านี้ยังมีสัตว์ร้ายอยู่มาก อาทิ จระเข้ งูพิษ และ พิรันย่า ฯลฯ เช่นเดียวกันกับที่ปรากฎอยู่ในภาพยนต์สารคดีทั่วไป ปัญหาเหล่านี้ ทำให้ นาย โรบินสัน รีส (รูปภาพ) วิศวกรเครื่องกล ที่บริษัทน้ำมันปิโตรบราส ของรัฐ ต้องคิดสร้างหุ่นยนต์ขึ้นมาช่วยงานสำคัญๆ เช่น งานติดตั้งและบำรุงรักษาหารอยรั่วของระบบท่อส่งน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ ซึ่งบางครั้งอยู่ลึกถึง 2,000 เมตร มีระยะทางกว่า 670 กิโลเมตร รถขับเคลื่อนสี่ล้อเชิงพาณิชย์ไม่สามารถนำมาใช้ทำงาน “ลุย” ผ่านแม่น้ำที่เต็มไปด้วยพืชลอยน้ำประเภทผักตบชวา ห่นยนต์ที่เขาสร้างขึ้นชื่อว่า “ชิโค” มีล้อคล้ายลูกบอลอัดลมที่ใช้เล่นตามชายหาด ทำหน้าที่สร้างแรงลอยตัวให้กับหุ่นยนต์ โดยที่วงรอบนอกของล้อมีลักษณะเป็นใบพาย มีการติดตั้งเซนเซอร์ตรวจสอบกลิ่นก๊าซที่รั่วออกมา แม้ต้นแบบตัวแรกนั้นใช้การควบคุมระยะไกล (Remote Control) แบบไม่ยุ่งยากนัก แต่ทางทีมของรีส กำลังออกแบบตัวที่สอง เพื่องานสำรวจและซ่อมแซมที่ซับซ้อนขึ้น ความหวังของรีส คือการช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าถึงป่าอะเมซอนอย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน ภาพและเสียงของสัตว์ที่หายาก ตลอดจนตัวอย่างใบไม้และน้ำในป่าดงดิบนี้จะช่วยให้เข้าใจเงื่อนไขของสภาวะธรรมชาติที่เปลี่ยนไป จนนำมาถึงวิธีการที่ทำให้คนบราซิลรักษาธรรมชาติของเขาไว้ได้

อย่างไรก็ตาม "ชิโค" รูปร่างอาจใหญ่โตเกินไปจนทำความตื่นตกใจต่อสัตว์ทั้งหลาย และไม่สามารถเข้าไปในที่เล็กๆได้ ที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน หุ่นยนต์ของ ดร. สิตติ มีขนาดเล็กกว่ามากเพียงเจ็ดเซนติเมตร มีหกขาเคลื่อนไหวเหมือนแมลงจริงๆ ทำจากโลหะเบาหนักเพียงประมาณครึ่งกรัม น้ำหนักเบาอย่างเดียวนั้นไม่พอที่จะทำให้แมลงประเภทนี้กลายเป็นผู้วิเศษ “เดินบนผิวน้ำ” ได้ แต่เขาต้องอาศัยขนเล็กๆที่ปลายเท้าปกป้องมิให้โมเลกุลของน้ำแตกตัวกันจนรักษาความตึงผิวไว้ได้ สำหรับหุ่นยนต์ที่สร้างขึ้นได้ใช้ประโยชน์จากความตึงผิวของน้ำโดยการเคลือบสารละลายเทฟลอนที่ขาหุ่นยนต์ ที่ลำตัวและขามีการใช้ตัวขับเคลื่อน (Actuator) พิเศษทำมาจาก โลหะผสมเซอรามิค พ่นบนเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งจะหดยืดตามความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ใส่เข้าไป เมื่อเปลี่ยนความถี่ของสันญาณป้อนทำให้ ดร.สิตติ สามารถควบคุมทิศทางการเคลื่อนและความเร็วของหุ่นยนต์ตัวนี้ ปัจจุบันได้ความเร็วอยู่ที่ 5 เซนติเมตรต่อวินาที แต่แมลงตัวจริงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกว่าถึง 40 เท่า คือ 2 เมตรต่อวินาที การที่หุ่นยนต์ตัวนี้สามารถสเก็ตเล่นบนผิวหน้าโดยอาศัยประโยชน์จากแรงตึงผิวนั้นเราพอเข้าใจได้ง่าย แต่การกระโดดบนผิวน้ำโดยที่ขาไม่จมน้ำไป เพื่อถีบตัวด้วยความเร็วสูงเช่นแมลงจริงๆนั้น เป็นเรื่องที่เราต้องเข้าใจฟิสิกส์ที่เกิดขึ้น ล่าสุดทีมนักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยแห่งชาติแห่งเซอูล ชื่อ นาย โฮยงคิม และ นาย ดักกิวรี ได้ใช้ประโยชน์การสมมาตรของทรงกลมทำให้แมลงหุ่นยนต์ตัวใหม่นี้กระโดดไปมาบนผิวน้ำได้ครับ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.ac.th

Rescure Robot

หุ่นยนต์กู้ภัย-ช่วยชีวิต

เหตุการณ์ถล่มตึกเวิลด์เทรดเมื่อไม่นานมานี้ ทำให้เกิดความต้องการอุปกรณ์และระบบที่สามารถเข้าถึงไปยังซากปรักหักพัง เพื่อกู้ภัยจนช่วยชีวิตคนที่ติดภายในออกมาได้อย่างปลอดภัย เทคโนโลยีหุ่นยนต์ถูกนำมาใช้เพื่องานที่ท้าทายและแข่งกับเวลาเช่นนี้ สาธารณชนทั่วโลกจึงได้ประจักษ์ถึงขีดความสามารถ หุ่นยนต์กู้ภัย(Rescure Robot) เป็นครั้งแรก

อันที่จริงหุ่นยนต์กู้ภัยได้ถูกคิดค้นและออกแบบมานานแล้ว เหตุการณ์สารละลายรั่วซึมของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่โรงผลิตไฟฟ้า Three Mile Island มลรัฐเพนซิลเวเนีย สหรัฐอเมริกา ในปี ค.ศ. 1979 นั้น รุนแรงและสร้างความหวาดผวาแก่คนเอมริกันมาก รัฐบาลได้ว่าจ้างให้มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอนสร้างหุ่นยนต์กู้ภัยที่ชื่อ Remote Reconaissance Vehicle (RRC) เพื่อทำหน้าที่เก็บทำความสะอาดบริเวณพื้นโรงไฟฟ้าที่ท่วมเอ่อล้นด้วยของเหลวที่ปนเปื้อนสารกัมมันตภาพรังสี หุ่นยนต์ RRC ทำงานถึงสี่ปีเต็มๆจึงเสร็จภารกิจ จนเกิดความปลอดภัยเพียงพอที่เจ้าหน้าที่สามารถเข้าไปปิดระบบต่างๆได้ ก่อนหน้านี้ผมได้แนะนำประเภทของหุ่นยนต์ที่จัดแบ่งตามระดับของความชาญฉลาด กล่าวคือ ที่มีความฉลาดสูงสุดไม่ต้องพึ่งการตัดสินใจของมนุษย์ เพราะรอไม่ได้อาจช้าเกินไปจนหุ่นยนต์ตกอยู่ในสถานการณ์อันตราย เช่น หุ่นยนต์สำรวจดาวอังคาร เป็นต้น ส่วนประเภทที่ผสมผสานจุดเด่นของมนุษย์ด้านการใช้เหตุผลและจุดแข็งของหุ่นยนต์ด้านความเร็ว/ละเอียด จะเป็นหุ่นยนต์ตามโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปที่ช่วยเพิ่มผลิตภาพทางอุตสาหกรรมให้สูงขึ้น ในขณะที่หุ่นยนต์กู้ภัยถูกออกแบบให้พึ่งการตัดสินใจของมนุษย์อย่างเต็มที่ เพราะผลลัพธ์การปฏิบัติการของหุ่นยนต์ประเภทนี้เกี่ยวข้องกับชีวิตมนุษย์โดยตรง

การออกแบบทางกลไกเป็นสิ่งที่ท้าทายมากเพราะหุ่นยนต์ต้องเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางลักษณะต่างๆ กลไกที่นำมาใช้งานมีตั้งแต่ ล้อ สายพาน ขา จนถึงกลไกเคลื่อนที่แบบงู อย่างไรก็ตาม ข้ออ่อนทางเทคนิคที่สำคัญที่พวกเรานักวิจัยหุ่นยนต์พยายามปรับปรุงหุ่นยนต์กู้ภัยให้มีสมรรถนะสูงขึ้นคือด้านการควบคุมระยะไกลที่ผู้บังคับหุ่นยนต์สามารถรับรู้ถึงสิ่งแวดล้อมที่หน้างานจริงของหุ่นยนต์แม้ว่าอยู่ห่างออกไปถึง 200-300 เมตรก็ตาม ข้อมูลด้านอุณหภูมิ ความดัน แก๊สพิษ ตลอดจนแรงกระทำปฏิสัมพันธ์ระหว่างหุ่นยนต์กับวัตถุสิ่งกีดขวาง หรือแม้กระทั่งต่อร่างกายคนบาดเจ็บมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จในการช่วยชีวิตมนุษย์ ระบบหุ่นยนต์ที่บูรณาการข้อมูลภาพและแรงเสียดทานที่เกิดขึ้น

ที่เรานิยมใช้งานหุ่นยนต์ช่วยการผ่าตัดของแพทย์ ควรนำมาประยุกต์ใช้กับงานกู้ภัยได้เช่นกัน จากสถิติที่ผ่านมาหากหุ่นยนต์ไม่สามารถช่วยผู้บาดเจ็บที่ติดอยู่ในซากสิ่งก่อสร้างได้ภายใน 48 ชั่วโมง โอกาสที่เหยื่อเคราะห์ร้ายจะรอดชีวิตมีน้อยมาก ที่ใดมีผู้บาดเจ็บนอนระทวยเคลื่อนไหวไม่ได้ เพียงแค่หุ่นยนต์ตรวจสอบอุณหภูมิแตกต่างได้ เราก็ทราบได้ทันทีว่าตำแหน่งใดบ้างของซากปรักหักพังที่เราต้องทุ่มกำลังความพยายามขุดเจาะเข้าไปถึงให้ได้เพื่อช่วยชีวิตอย่างทันท่วงที ถ้าหากยังใช้วิธี “นั่งเทียน-มองฟ้า” เดาเอาเอง จะทำให้ชีวิตที่ติดค้างอยู่ภายในกลายเป็นซากตามซากตึกไปได้ ในบางกรณี ผู้บังคับหุ่นยนต์อาจตื่นเต้นและลนลานอย่างช่วยไม่ได้ เพราะอยู่ในสถานการณ์ความเป็นความตายจำนวนมาก เราจึงได้นำเทคนิคง่ายๆในงานวิจัยพื้นฐานด้านการหลบสิ่งกีดขวางได้เองอย่างอัตโนมัติเพื่อไม่ให้ชนผนังหรือก้อนหินจนหุ่นยนต์ต้องพังไป การรักษาเอาตัวรอดโดยฝืนคำสั่งจาก Joystick ของผู้บังคับ “ มือ สั่น-ใจหวิว” นี้ เป็นเรื่องจำเป็นซึ่งดูเหมือนว่าจะเป็นไปตามกฎหุ่นยนต์ของนักเขียนนิยาย อาซิมอฟ ยังมีหุ่นยนต์ที่สายพันธุ์ใกล้เคียงกับหุ่นยนต์กู้อีกมาก เช่น หุ่นยนต์กู้ระเบิด ที่ทางกระทรวงกลาโหม ได้ร่วมมือกับสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) ออกแบบและสร้างขึ้น หากหุ่นยนต์ทำการกู้ระเบิดสำเร็จ คงจะดีมากและไม่ต้องไปเสียเวลามาใช้หุ่นยนต์กู้ภัยเลย เนื่องจากมีรายละเอียดค่อนข้างมาก ผมขอให้ข้อมูลครั้งหน้าครับ

เมื่อสามปีที่แล้วขณะที่ผมยังรับหน้าที่นายกสมาคมวิชาการหุ่นยนต์ไทย ทางตัวแทนบริษัทซิเมนต์ไทย มหาชน ได้มาหารือเกี่ยวกับการแข่งขันหุ่นยนต์ที่บริษัทต้องการส่งเสริมเยาวชนไทยด้านความคิดสร้างสรรค์ บริษัทนี้มีชื่อเสียงและเน้นเรื่องทรัพยากรบุคคล ผมเกิดที่สระบุรีตั้งแต่เด็กก็มีความประทับใจในความเอื้ออาทรของบริษัทที่ช่วยเหลือชุมชนมาโดยตลอดและรู้ว่าซิเมนต์ไทยเป็นบริษัทชั้นนำในภูมิภาค ตั้งใจว่าโตขึ้นอยากทำงานที่นี่ เมื่อได้รับทราบว่าบริษัทมีแนวนโยบายด้านนวัตกรรมเพื่อก้าวสู่ระดับโลกผมมีความยินดีเป็นอย่างยิ่ง จึงได้ให้ข้อมูลการแข่งขันหุ่นยนต์ต่างๆทั้งในและต่างประเทศ รวมทั้งได้แนะนำว่า การแข่งขันหุ่นยนต์กู้ภัย น่าจะเหมาะกับเป้าประสงค์ด้านส่งเสริมความสามารถด้านเทคโนโลยีของเด็กไทย นอกจากนี้ทางสมาคมวิชาการหุ่นยนต์ไทย ได้ติดต่อให้ทีมชนะเลิศจากไทยเข้าร่วมการแข่งขันใน World RoboCup ด้วย ความเมตตาด้านเงินทุนสนับสนุนอย่างต่อเนื่องจากซิเมนต์ไทยทำให้เด็กไทยทีมแชมป์ได้ไปเปิดหูเปิดตาที่ญี่ปุ่นเมื่อต้นปีนี้เอง ในปีหน้าเราจะส่งทีมชาติไปที่เยอรมนี กฎเกณฑ์การแข่งขันเลียนแบบสถานการณ์กู้ภัยจริง ท่านผู้อ่านสามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ เว็บไซด์ http://www.trs.or.th.

อ้างอิงจาก : djitt@fibo.kmutt.ac.th

Running Robot

เมื่อไม่นานนี้ ได้ดูวิดีโอหุ่นยนต์วิ่งได้ของ toyota มา เลยอยากจะมาแชร์กัน การสร้างหุ่นยนต์ให้วิ่งได้เป็นเรื่องที่ยากมากเลยเพราะหุ่นยนต์จะต้องสามารถรักษาสมดุลในลักษณะ dynamic ได้อย่างต่อเนื่อง หุ่นยนต์ตัวนี้ที่น่าสนใจก็คือการใช้เท่าที่มีลักษณะเป็น flexible คือมีความสามารถในการงอฝ่าเท้าได้ ซึ่งจะแตกต่างจากหุ่นยนต์อย่างอาซิโม หรือหุ่นยนต์ KM ของเรา งานวิจัยเกี่ยวกับ flexible foot มีอยู่หลายแนวด้วยกันนะคะ ตั้งแต่รูปแบบที่เท้าโค้งงอได้โดยการอาศัยการใช้วัสดุที่มีความอ่อนตัวมาทำฝ่าเท้า เท้าที่มีข้อต่อซึ่งเป็น passive joint จนถึงแบบที่เป็น active foot คือมีตัวขับเคลื่อนเช่นมอเตอร์อยู่ในฝ่าเท้า







เคยตั้งคำถามกับมั้ยคะว่าทำไมต้องทำนักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์โดยเฉพาะในประเทศญี่ปุ่นจึงสนใจทำหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์แทนที่จะทำหุ่นยนต์ที่เป็นล้อหรือมีหลายๆขา นักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์หลายๆคนสนใจทำหุ่นยนต์จากการมีแรงบันดาลในที่จะสร้างหุ่นยนต์ซึ่งสามารถใช้ชีวิตอยู่ในสังคมของมนุษย์ได้อย่างกลมกลืน หุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ หรือ humanoid robot หมายถึงหุ่นยนต์ที่มีลักษณะทางกายภาพคล้ายคลึงกับมนุษย์ กล่าวคือมีการเคลื่อนที่โดยอาศัยขาสองขา มีสองแขน มีหัวและมีตา การทำหุ่นยนต์ให้มีลักษณะเหมือนมนุษย์ ก็จะทำให้หุ่นยนต์สามารถทำงานต่างๆได้ในรูปแบบที่คล้ายคลึงกับมนุษย์ได้เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นการเดิน การขึ้นลงบันได การหยิบจับสิ่งของเป็นต้น นอกจากนี้การที่หุ่นยนต์มีลักษณะคล้ายมนุษย์ ก็จะทำให้การปฏิสัมพันธ์ระหว่างคนกับมนุษย์มีความเป็นธรรมชาติมากขึ้น แม้ว่าข้อดีของหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์จะมีอยู่หลายประการด้วยกัน แต่ว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ก็มีความยุ่งยากซับซ้อนมากกว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ชนิดอื่นๆเช่นกัน การที่หุ่นยนต์มีขาสองขา ทำให้เกิดความจำเป็นที่หุ่นยนต์จะต้องมีความสามารถในการรักษาการทรงตัวอยู่ตลอดเวลาเพื่อให้หุ่นยนต์มีเสถียรภาพไม่ว่าจะเมื่ออยู่ในขณะกำลังเคลื่อนที่หรือเมื่ออยู่กับที่ก็ตาม
แนวคิดในเรื่องของเสถียรภาพของหุ่นยนต์ก็สามารถอธิบายได้ง่ายๆคือหุ่นยนต์จะมีเสถียรภาพเมื่อไม่เกิดการล้มนั่นเอง แต่ในทางทฤษฎี เสถียรภาพสามารถอธิบายได้ในสองรูปแบบด้วยกัน กล่าวคือเสถียรภาพแบบสถิตย์ (static stability) และ เสถียรภาพแบบจลน์ (dynamic stability)
เสถียรภาพแบบสถิตย์ จะเกิดขึ้นเมื่อ center of gravity ของหุ่นยนต์ตกอยู่ภายในบริเวณรองรับ (convex hull of polygonal support) ของหุ่นยนต์ โดยจะพิจารณาในขณะที่หุ่นยนต์หยุดนิ่งอยุ่กับที่
ในทางกลับกัน เสถียรภาพแบบจลน์จะพิจารณาโดยรวมถึงกรณีที่หุ่นยนต์กำลังเคลื่อนที่อยู่อย่างต่อเนื่อง ในกรณีที่หุ่นยนต์กำลังเคลื่อนที่อยู่นั้น เวคเตอร์ความเร่งที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์จะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับเสถียรภาพ แนวคิดหนึ่งที่มีการนำมาใช้อย่างต่อเนื่องคือการพิจารณาตำแหน่งของ ZMP หรือ zero moment point [Vukobratovic and Stepanenco,1972] ดังแสดงในรูป

ซึ่งอีกนัยหนึ่งก็คือจุดที่เป็นจุดรวมแรงปฏิกริยาซึ่งเกิดขึ้นที่บริเวณรองรับ (center of pressure) การหาตำแหน่งของ ZMP สามารถทำได้จากการวัดแรงที่เกิดขึ้นที่ฝ่าเท้าของหุ่นยนต์ หรือได้จากการคำนวณจากแบบจำลองทางจลศาสตร์ของหุ่นยนต์ หากเส้นทางการเคลื่อนที่ของ ZMP อยู่ภายในบริเวณระหว่างจุดวางเท้าของหุ่นยนต์ระหว่างการเดิน หุ่นยนต์ก็จะสามารถรักษาเสถียรภาพระหว่างการเคลื่อนที่ได้

เมื่อพูดถึงหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้ หรือหุ่นยนต์แปลงร่าง ทุกๆคนคงจะนึกถึงหุ่นยนต์แบบในภาพยนตร์เรื่องทรานฟอร์เมอร์ จริงๆแล้วงานวิจัยทางด้านการออกแบบและพัฒนาหุ่นยนต์ที่ปรับเปลี่ยนรูปร่างและการทำงานได้โดยอัตโนมัตินั้นเป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่ง และได้มีนักวิจัยทางด้านหุ่นยนต์ทั่วโลกได้ทำงานวิจัยในหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาหุ่นยนต์ตามแนวคิดดังกล่าวอย่างต่อเนื่องมาเป็นเวลาหลายปีแล้ว ซึ่งแนวคิดและความก้าวหน้าของงานวิจัยในหัวข้อดังกล่าวก็เป็นที่มาของบทความนี้นั่นเอง
การพัฒนาหุ่นยนต์ให้มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนรูปร่างได้ด้วยตนเองนั้นจริงๆแล้วก็มีที่มาจากความพยายามในการเลียนแบบการทำงานของสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตทั่วไปมีโครงสร้างพื้นฐานอยู่ในรูปของเซลล์ซึ่งเป็นหน่วยย่อยซึ่งมีการทำงานที่ไม่ซับซ้อนมากนัก แต่สามารถทำงานร่วมกันจนเกิดเป็นรูปแบบการทำงานที่ซับซ้อนขึ้นมาได้ ในการทำงานของเซลล์นั้น แต่ละหน่วยย่อยจะมีรูปแบบการทำงานที่เหมือนๆกัน มีการเชื่อมโยงและติดต่อสื่อสารระหว่างกันจนเกิดเป็นโครงสร้างทางกายภาพโดยรวมที่มีการทำงานในรูปแบบต่างๆได้ เมื่อเซลล์หน่วยย่อยหนึ่งๆมีการชำรุดเสียหาย เซลล์รอบๆข้างก็ยังสามารถทำงานทดแทนกันต่อไปได้และมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองได้อีกด้วย ด้วยความยืดหยุ่นในการทำงานของเซลล์ที่อยู่ในสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาตินี้นั่นเอง ทำให้นักวิจัยหุ่นยนต์ได้พยายามพัฒนาหุ่นยนต์ซึ่งมีความสามารถเลียนแบบการทำงานของเซลล์ ในปีค.ศ. 1966 ศ.von Neumann ได้นำเสนอทฤษฎีที่เรียกว่า self-reproducing cellular automata ซึ่งเป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ในการสร้างรูปแบบการคำนวณที่ซับซ้อนขึ้นจากกฏการทำงานง่ายๆที่มีลักษณะซ้ำๆกันของหน่วยย่อยที่เหมือนๆกัน แต่ในส่วนของหุ่นยนต์ที่มีรูปแบบการทำงานเป็นกลุ่มซึ่งประกอบจากหน่วยย่อยนั้นไดัเริ่มมีการพัฒนาขึ้นโดยศ.Fukuda ในปี 1988 ซึ่งเรียกว่า CEBOT การทำงานของ CEBOTนั้นเป็นการทำงานร่วมกันของโมดูลหุ่นยนต์หลายๆแบบเช่นข้อต่อแบบหมุน มือจับ หรือแขนที่ยืดหดได้ โดยที่โมดูลเหล่านี้สามารถนำมาจัดเรียง และประกอบกันเพื่อการทำงานที่หลากหลายได้ อย่างไรก็ตามการพัฒนาหุ่นยนต์ที่ปรับเปลี่ยนได้หลังจาก CEBOT มักจะมุ่งเน้นไปที่โมดูลที่มีลักษณะเหมือนกันทั้งหมดมากกว่า เนื่องจากเป็นแนวคิดของระบบการทำงานแบบเซลล์ ซึ่งสามารถทำงานทดแทนกันได้ ปรับเปลี่ยนรูปแบบได้ และอาจนำไปถึงการซ่อมแซมหรือสร้างตัวเองได้ จากการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซอฟท์แวร์ การสร้างชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงและเทคโนโลยีทางด้านวัสดุศาสตร์ ทำให้ในช่วงตั้งแต่ปี 1990 เป็นต้นมาได้มีกลุ่มนักวิจัยหลายกลุ่มซึ่งได้ทุ่มเทกับการพัฒนาหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้ซึ่งมีสถาปัตยกรรมแบบเซลล์ (cellular architecture)ให้เกิดขึ้นอย่างเป็นรูปธรรมหลายงานดัวยกัน งานวิจัยที่สำคัญได้แก่การสร้างระบบหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้แบบโซ่ (chain-type system)ของ Mark Yim จาก Palo Alto Research Center หุ่นยนต์ที่กลุ่มวิจัยของ Yim ได้พัฒนาขึ้นเรียกว่า PolyBot ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งมีความสามารถในการต่อโมดูลเข้าด้วยกันแบบอัตโนมัติและปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงานเช่นจากหุ่นยนต์ที่ต่อกันเป็นเส้นซึ่งมีการเคลื่อนที่เป็นรูปคลื่นคล้ายการเคลื่อนที่ของงู เป็นหุ่นยนต์ซึ่งการการต่อกันเป็นขาสี่ขา หรือเป็นวงล้อ สำหรับการเคลื่อนที่ในสภาวะที่พื้นผิวไม่เรียบหรือพื้นที่ต่างระดับเป็นต้น

รูปที่ 1 หุ่นยนต์ PolyBot G2 จาก Palo Alto Research Center
นอกจากระบบที่มีรูปแบบการเชื่อมต่อกันเป็นแบบโซ่แล้ว หุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้อาจมีการเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างแบบตารางในสามมิติที่เรียกว่า lattice-type ได้ ด้งเช่นหุ่นยนต์ ATRON จาก University of Southern Denmark ดังแสดงในรูปที่ 2 หุ่นยนต์ ATRON มีโครงสร้างเป็นทรงกลมซึ่งสามารถเชื่อมต่อกันได้รอบด้าน ทำให้สามารถสร้างเป็นโครงสร้างสามมิติรูปแบบใดๆก็ได้โดยไม่จำกัดเหมือนกับหุ่นยนต์ซึ่งมีการเชื่อมต่อกับแบบโซ่ โครงสร้างของหุ่นยนต์แบบ lattice-type จะมีลักษณะคล้ายกับการต่อกันของโมเลกุล ซึ่งทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ แต่นั่นก็เป็นจุดอ่อนของหุ่นยนต์แบบ lattice-type ซึ่งในแต่ละหน่วยย่อยมักมีการทำงานที่ซับซ้อน และกลไกที่ยุ่งยากกว่าแบบโซ่



รูปที่ 2 หุ่นยนต์ ATRON จาก University of Southern Denmark
จากข้อดีและข้อเสียของระบบหุ่นยนต์แบบโซ่ และแบบ lattice ทำให้มีการพัฒนาหุ่นยนต์โดยอาศัยการรวมข้อดีของทั้งสองรูปแบบเข้าด้วยกัน เรียกว่าแบบ hybrid ระบบหุ่นยนต์แบบ hybrid เป็นการพัฒนาการเชื่อมต่อที่มีลักษณะคล้ายโซ่ แต่มีข้อต่อที่สามารถหมุนได้ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะสามมิติได้เช่นกัน แต่ยังคงไว้ซึ่งความง่ายของการทำงานในส่วนของการเชื่อมต่อคล้ายแบบโซ่ ระบบหุ่นยนต์รูปแบบนี้ได้แก่หุ่นยนต์ MTRAN (MTRAN I, II และ III) ซึ่งได้รับการออกแบบโดย ดร.Murata จากสถาบัน AIST (Advanced Industrial Science and Technology) ในประเทศญี่ปุ่น หุ่นยนต์ MTRAN มีการปรับเปลี่ยนรูปร่างโดยอาศัยการเชื่อมต่อกันระหว่างแต่ละโมดูลแบบอัตโนมัติ โดยที่ในเวอร์ชั่นที่หนึ่งและสองนั้นใช้แม่เหล็กในการยึดโมดูลเข้าด้วยกัน ส่วนในเวอร์ชั่นที่สามนั้น อาศัยกลไกทางกลที่มีลักษณะคล้ายเขี้ยวซึ่งจะยื่นออกมาเกี่ยวกับช่องของอีกโมดูลหนึ่งในการเชื่อมต่อ ทำให้การยึดติดกันระหว่างโมดูลนั้นมีความแข็งแรงขึ้นอย่างมาก ในโมดูลย่อยแต่ละโมดูลของ MTRAN นั้นจะมีทั้งมอเตอร์ที่ใช้ในการหมุนข้อต่อ ระบบประมวลผล แหล่งพลังงาน และส่วนของบัสสำหรับการสื่อสารอยู่ในโมดูล ซึ่งเมื่อโมดูลย่อยมีการเคลื่อนที่มาเชื่อมต่อกัน การสื่อสารระหว่างโมดูลก็จะได้รับการเชื่อมต่อแบบอัตโนมัติผ่านทางจุดเชื่อมต่อนั่นเอง

รูปที่ 3 หุ่นยนต์ MTRANIII จาก AIST
ในประเทศไทยก็มีงานวิจัยพัฒนาเกี่ยวกับหุ่นยนต์แบบปรับเปลี่ยนได้เช่นกัน สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม(FIBO) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้เริ่มพัฒนาหุ่นยนต์ปรับเปลี่ยนได้มาตั้งแต่ปีค.ศ.2003 ซึ่งหุ่นยนต์ที่ได้พัฒนาขึ้นมานี้เรียกว่าหุ่นยนต์ล้อแขน ซึ่งเป็นโมดูลหุ่นยนต์ที่มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนรูปแบบการเคลื่อนที่ในสภาวะแวดล้อมที่แตกต่างกันได้ โดยหุ่นยนต์ล้อแขนสามารถประกอบตัวกันเป็นหุ่นยนต์สองล้อ หรือสองแขน หรือแบบโซ่ได้ ตามรูปแบบของการทำงานที่ผู้ใช้ต้องการ แต่เนื่องจากต้นแบบหุ่นยนต์ล้อแขนที่ได้พัฒนาขึ้นนั้นมีความซับซ้อนสูงทั้งทางกลและทางอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้มีราคาแพง นักวิจัยจึงได้หันมามุ่งพัฒนาหุ่นยนต์ที่มีรูปแบบเป็นโมดูลที่มีการทำงานแบบง่ายๆ และราคาถูกขึ้นมาแทน ซึ่งเรียกว่า modular snake robot (MSR) แนวความคิดของการสร้าง modular snake robot นั้นคือการสร้างหุ่นยนต์ที่ลักษณะเป็นโมดูลรูปร่างเหมือนๆกัน เชื่อมต่อกันแบบโซ่ แต่มีการปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงาน เช่นการเคลื่อนที่ การหยิบจับสิ่งของ โดยอาศัยการสั่งงานจากโปรแกรมแทนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางกลงานวิจัย modular snake robot ในเบื้องต้นซึ่ง FIBO ได้มีการวิจัยและพัฒนาขึ้นนั้น มุ่งเน้นไปที่การออกแบบรูปแบบการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ MSR เพื่อใช้สำหรับการเคลื่อนที่ในท่อแคบทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของหุ่นยนต์ภายในท่อนั้นอาศัยแรงเสียดทานสถิตย์ที่เกิดขึ้นระหว่างหุ่นยนต์กับผนังท่อในการดันตัวหุ่นยนต์ไปข้างหน้า ในการสร้างรูปแบบของการเคลื่อนที่นั้น อาศัยการสร้างรูปแบบจาก motion shape vector ซึ่งเป็นเวคเตอร์ที่มีความยาวเท่ากับจำนวนข้อต่อของหุ่นยนต์ การเคลื่อนที่นั้นจะเกิดจากการเลื่อนตำแหน่งของ motion shape vector แบบ cyclic shifting ทำให้มุมแต่ละข้อต่อเปลี่ยนแปลงเป็นคลื่นรูปร่างต่างๆได้ ทุกๆช่วงเวลาที่ตั้งไว้ค่าหนึ่งๆซึ่งจะสัมพันธ์กับความเร็วในการเคลื่อนที่ และความสามารถในการยึดเกาะผนังท่อของหุ่นยนต์ ซึ่งรูปแบบที่ดีที่สุดของการเคลื่อนที่ภายในท่อคือรูปคลื่นแบบสามเหลี่ยมที่สลับไปมา ดังรูปที่ 4 ซึ่งสามารถยึดเกาะผนังท่อได้ดี และเคลื่อนที่ได้ภายในท่อได้อย่างรวดเร็ว ปัจจุบันทางคณะวิจัยก็ยังได้พัฒนาหุ่นยนต์อยู่อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้หุ่นยนต์ MSR นี้สามารถเคลื่อนที่ภายในท่อขนาดต่างๆได้ โดยการปรับตัวแบบอ้ตโนมัติ สามารถเลี้ยวและรักษาตำแหน่งของกล้องที่อยู่ในส่วนหัวให้ขนานกับท่อได้ รวมถึงการเพิ่มความสามารถในการหลบสิ่งกีดขวาง เคลื่อนที่บนพื้นผิวที่ลาดชัน และขรุขระได้ในอนาคต

รูปที่ 4 หุ่นยนต์ Modular Snake Robot จากสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม มจธ.

Robottt

iRAP_PRO

iRAP_PRO

.

.

.

.

.

.

.

จากคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลย ีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ชนะเลิศการแข่งขันหุ่นยนต์กู้ภัย Thailand Rescue Robot Championship 2008 จากผู้เข้าร่วมแข่งขัน 77 ทีม จาก 49 สถาบันการศึกษาทั่วประเทศ

iRAP_PRO from the Faculty of Engineering. University of Lausanne ย Techno. Others Mongkut North Bangkok. Winning robot rescue competitions Thailand Rescue Robot Championship 2008 participants from 77 competing teams from 49 institutions across the country.

IRAP_PRO team won the cup Royal Princess Maha Chakri Sirindhorn the. Very Siam Royal. With scholarship funds of 200,000 baht and rescue robot development potential of 300,000 baht and 500,000 baht in prize money totaled together represent Thailand to join the global rescue robot competition World Robocup 2009 by more than 6 months time to develop. performance robotic Union want to salvage the most effective members include iRAP_PRO.

ทีม iRAP_PRO ได้รับ รางวัลถ้วยพระราชทานจากสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี พร้อมรับทุนการศึกษาจำนวน 200,000 บาท และทุนพัฒนาศักยภาพหุ่นยนต์กู้ภัย จำนวน 300,000 บาท รวมเงินรางวัลมูลค่าทั้งสิ้น 500,000 บาท พร้อมเป็นตัวแทนประเทศไทยเข้าร่วมการแข่งขันหุ่นยนต์กู้ภัยระดับโลก World Robocup 2009 โดยใช้ระยะเวลากว่า 6 เดือน เพื่อพัฒนาสมรรถนะหุ่นยนตกู้ภัยให้มีประสิทธิภาพสูงสุด สมาชิก iRAP_PRO ประกอบด้วย

1. นางคฑาวุฒิ อุชชิน (โฟม) Electronics design and operator

2. นายสุรเชษฐ์ อินเทียม (เชษฐ์) Mechanical design

3. นายณัฐกรณ์ แซ่เอี๊ยว (ท็อง) Mechanical design

4. นายอาทิตย์ ตระกูลธงชัย ( บิ๊ก) Sensors and mapping

5. นายประพันธ์ คล้ายฤทธิ์ (เบิร์ด) Software and Controller development

6. นายวิษณุ จิตวิริยะ (ณุ) Electronics design and Sensors

7. นายธีรวัฒน์ เบ็ญจวิไลกุล (โจ๊ก) Mechanical design

8. นายภราดร ทับทิมแดง (เดียว) Mechanical design

9. นายกฤษฎา เจริญนิเวศนุกูล (มีน) Controller development

10. นายสุธี คำใจคง (ธี) Mechanical design

11. ผศ.ประมุข เจนกิตติยนต์ Team Advisor

12. อ.ชัชชัย เสริมพงษ์พันธ์ Team Advisor




มาดูบรรยกาศขณะกำลังแข่งขัน

ของนักศึกษา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

ตัวแทนประเทศไทยกันครับ

ขอขอบคุณ แล่งข้อมูลดี ๆ ๆ เกี่ยวกับ iRAP_PRO >>http://news2.kmutnb.ac.th/

เเน่นอนครับมาดูตรงฝั่งของประเทศอื่นๆ ที่มีดีเหมือกันครับ
หุ่นยนต์กู้ภัยของประเทศจีนครับ

นี่ครับคู่ปรับที่ระวังไว้ตลอดครับ"Japan"

อันนี้ ฮาฮาครับ