ส่วนประกอบของหุ่นยนต์

ในหุ่นยนต์ขนาดเล็กทั่ว ๆ ไปจะประกอบด้วย 4 ส่วนหลักคือ 1.ส่วนควบคุม 2.ส่วนตัวตรวจจับหรือเซนเซอร์ 3.ส่วนกลไกการเคลื่อนไหว 4.แหล่งพลังงาน

ส่วนตัวตรวจจับหรือเซนเซอร์

ส่วนนี้เป็นส่วนที่สำคัญอย่างยิ่งของหุ่นยนต์ หุ่นยนต์จะทำงานได้ถูกต้องหรือไม่ ขึ้นอยู่กับ การทำงานของอุปกรณ์นี้ เพราะในการทำงานของหุ่นยนต์จะต้องรับสัญญาณอินพุตจาก สภาพแวดล้อมมากำหนดเงื่อนไขในการทำงาน เช่น ให้เดินตามแสงก็ต้องมีตัวตรวจจับ แสง หากตัวตรวจจับแสงไม่ทำงานหรือทำงานผิดพลาด หุ่นยนต์ก็ไม่สามารถทำงานได้ หรือทำงานผิดพลาดตามไปด้วย และหลายครั้งที่ใช้การตรวจจับสัญญาณของหุ่นยนต์มา เป็นตัวแบ่งประเภทหุ่นยนต์ด้วยเช่น line tracking robot คือหุ่นยนต์ที่ใช้เซนเซอร์ แสงตรวจจับเส้นทางในการเคลื่อนที่ เป็นต้น

หน้าที่ของอุปกรณ์ตรวจจับคือ ทำการตรวจสัญญาณ หรือการเปลี่ยนแปลงเชิง วิทยาศาสตร์ แล้วนำข้อมูลที่ได้มารายงานให้ส่วนควบคุมรับทราบ เช่น ในหุ่นที่ตรวจ สอบการชนวัตถุ ก็จะใช้เซนเซอร์สัมผัสเป็นตัวทำหน้าที่รายงานว่ามีการชนกันสิ่งกีด ขวางหรือไม่ ถ้ามีการชนก็ให้เลี้ยวหลบไปอีกทางเป็นต้น

อุปกรณ์ตรวจจับที่ใช้ในหุ่นยนต์มีมากมาย ได้แก่

1. ตัวตรวจจับแสง (Light Sensor) มีทั้งแบบตรวจจับแสงขาวและแสงอินฟราเรด และผลการตรวจจับสามารถให้ผลในรูปของความต้านทานไฟฟ้า, แรงดันไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า หรือสัญญาณลอจิก "0" กับ "1" ก็ได้ ตัวอย่างของตัวตรวจจับแสงได้แก่ LDR (Light Detect Resistor) คือ ตัวต้าน ทานแปรค่าตามแสง เมื่อมีแสงตกกระทบมาก ค่าความต้านทานจะลดลง,หรือ โฟโต้ไดโอด(Photo Diode) ใช้ตรวจจับแสงอินฟาเรต หากมีแสง อินฟาเรตตกกระทบ ค่าความต้านทานจะลดลง เป็นต้น

2. ตัวตรวจจับการสัมผัส (Touch Sensor) เป็นตัวตรวจจับที่มีส่วนประกอบหลักคือ สวิทซ์ (switch) เมื่อสวิทซ์ถูกกด เป็นการต่อวงจร ซึ่งเราสามารถ กำหนดได้ว่าจะต่อวงจรแบบเมื่อสวิทซ์ถูกกดแล้วให้ค่าแรงดันสูงหรือไม่มีค่าแรงดันก็ได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบลายวงจร สวิทซ์ที่ใช้ในวงจรตัวตรวจจับ การสัมผัสนี้ส่วนมากแล้วจะใช้สวิทซ์แบบกดติดปล่อยดับ และวงจรก็จะออกแบบให้สร้างสัญญาณเอาต์พุตเป็นลอจิก "0" หรือ "1" ซึ่งจะส่งไปยังส่วนควบคุมต่อไป

3. ตัวตรวจจับอุณหภูมิ (Temperature Sensor) เป็นตัวตรวจจับที่จะให้ค่าแปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ มี 2 ชนิด คือ เทอร์มิสเตอร์ (thermistor) ซึ่งเป็นตัวต้านทานแปรค่าตามอุณหภูมิ มี 2 แบบคือ 1.แบบให้ค่าแปรผันตามค่าของอุณหภูมิ (Positive Temperature Co-efficient : PTC) เมื่ออุณหภูมิสูง ค่าความต้านทานจะสูงตาม 2. แบบให้ค่าแปรผกผันกับค่าอุณหภูมิ (Negative Temperature Co-efficient : NTC) เมื่ออุณหภูมิสูง ค่าความต้านทานจะลดลง อุปกรณ์อีกชนิดหนึ่งที่มีการนำมาใช้คือ เทอร์โมคับเปิล (thermo-couple) ให้ผลการวัดอุณหภูมิเป็น ค่าแรงดัน ปัจจุบันมีการใช้ไอซีตรวจจับอุณหภูมิ ซึ่งจะให้ผลเป็นแรงดันไฟฟ้าแปรผันตามอุณหภูมิและแปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิตอลเพื่อส่งต่อไปยัง ส่วนควบคุมได้เลย

4. ตัวตรวจจับแบบอื่น ๆ เช่น ตัวตรวจจับอัลตร้าโซนิก (Ultrasonic Ranger), ตัวตรวจจับความดันอากาศ (Presure Sensor), ตัวตรวจจับความ เข้มของสนามแม่เหล็ก (Hall-effect Sensor), ตัวตรวจจับค่าความเป็นกรดเป็นด่าง (pH Sensor), ตัวตรวจจับความดังเสียง (Sound Sensor) เป็นต้น จะเห็นได้ว่าตัวตรวจจับที่กล่าวถึงนั้นมีคุณสมบัติเฉพาะ ซึ่งถ้านำมาใช้กับหุ่นยนต์ ก็จะทำให้หุ่นยนต์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น นั่นหมายถึงราคาก็ย่อม สูงด้วยเช่นกัน

กลไกเคลื่อนไหว

เป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับหุ่นยนต์เพราะเป็นส่วนที่ทำให้หุ่นยนต์ดูเหมือนมีชีวิต และชี้ให้เห็นว่าส่วนควบคุมกำลังดำเนินงานใดอยู่ กลไกการเคลื่อนไหวของ หุ่นยนต์มีส่วนประกอบปลีกย่อย 2 ส่วนคือ ส่วนกลไกเคลื่อนไหว และส่วนกำเนิดแรงขับเคลื่อน

ส่วนกำเนิดแรงขับเคลื่อนที่รู้จักกันทั่วไปว่า มอเตอร์ นั้นมีหลายชนิดที่นิยมใช้ให้เหมาะสมกับงาน มอเตอร์ไฟตรงธรรมดา จะราคาถูก ใช้ง่ายเพราะเพียงแค่จ่ายไฟ เข้ามอเตอร์ก็สามมารถหมุนทำงานได้ ปัจจุบันมีการผลิตมอเตอร์ที่มีชุดเฟืองทดภายในตัวมอเตอร์ด้วยเพื่อให้ได้แรงบิดและลดจำนวนรอบให้หมุนช้าลงเพื่อควบคุม การทำงานได้ง่ายขึ้น เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor) เป็นมอเตอร์ที่ออกแบบมาให้หมุนได้ไม่ครบรอบ นิยมนำมาทำเป็นส่วนกำเนิดแรงขับเคลื่อนขาหุ่นยนต์ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ ( Steper Motor) เป็นมอเตอร์ที่สามารถควบคุมการหมุนเป็นองศาได้ นิยมนำมาใช้กับหุ่นยนต์ที่ต้องการกลไกเคลื่อนไหวที่เที่ยงตรงแม่นยำ เช่นแขนกล เป็นต้น

มอเตอร์แบบต่าง ๆ ที่กล่าวถึงจะต้องมีวงจรในกรขับเคลื่อนเฉพาะของตัวเอง ความต้องการพลังงานไฟฟ้าก็จะต่างกันออกไปแล้วแต่ขนาดของมอเตอร์ และแรงที่ เกิดจากมอเตอร์ ดังนั้นมอเตอร์ที่หมุนเร็วมากหรือมอเตอร์ที่มีแรงบิดสูงจะกินไฟมาก ซึ่งเป็นส่วนที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษเพราะจะมีผลต่อแหล่งจ่ายไฟของ หุ่นยนต์ด้วยเนื่องจากหุ่นยนต์ส่วนมากจะทำงานเป็นอิสระจึงไม่มีการใช้สายไฟต่อเข้าแหล่งจ่ายไฟภายนอก แต่จะใช้แหล่งจ่ายไฟที่พกพาไปกับหุ่นได้นั่นคือใช้ แบตเตอรี่นั่นเอง ดังนั้นถ้าจะใช้มอเตอร์ที่ต้องการกำลังไฟมาก ๆ เราจึงนิยมแยกแหล่งจ่ายไฟที่สูงกว่าเป็นการเฉพาะให้กับมอเตอร์และใช้ไฟเอาต์พุตจากส่วนควบ คุมเป็นตัวกำหนดการทำงาน ผลดีที่ได้คือมอเตอร์ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพเพราะได้ไฟเลี้ยงจากแหล่งพลังงานโดยตรง และเป็นการตัดสัญญาณรบกวนที่อาจจะ เกิดขึ้นระหว่างมอเตอร์ทำงานด้วย

ในทางปฏิบัติ เราสามารถนำมอเตอร์มาขับเคลื่อนหุ่นยนต์โดยตรงได้ หากมอเตอร์นั้นมีกำลังและแรงบิดที่มากพอ เช่นสเต็ปเปอร์มอเตอร์ หรือพวกเซอร์โวมอเตอร์ ที่มีการดัดแปลงให้หมุนได้ครบรอบ แต่สำหรับมอเตอร์ไฟตรงธรรมดาแล้ว โดยมากจะมีความเร็วรอบสูงมาก ๆ แต่มีแรงบิดน้อยทำให้ควบคุมได้ยาก นำไปใช้ขับ เคลื่อนกลไกหุ่นยนต์ได้ไม่ดีนัก เนื่องจากแรงบิดน้อย จึงไม่สามารถเอาชนะความฝืดของพื้นผิวหรือตัวน้ำหนักของหุ่นยนต์เองได้ จึงทำให้หุ่นไม่เคลื่อนที่หรือเคลื่อน ได้ไม่ดี ไต่เนินลาดเอียงไม่ได้ เป็นต้น ดังนั้นส่วนประกอบที่สองซึ่งก็คือตัวกลไกขับเคลื่อนไหว(mechanic) จึงเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งที่จะเข้ามาแก้ปัญหาต่าง ๆ เหล่านี้

กลไกเคลื่อนไหวแบบขาเดิน และกลไกเคลื่อนไหวที่เป็นแขนกล

กลไกที่เข้ามาช่วยมอเตอร์ไฟตรงให้มีแรงบิดากขึ้น และสามารถลดความเร็วลงเพื่อให้สามารถควบคุมได้ง่ายขึ้นคือ ชุดเฟือง (gear box) ด้วยหลักการประกบ เฟืองต่างขนาดเข้าด้วยกันเป็นผลให้เกิดการหมุนที่เร็วขึ้นหรือช้าลง พร้อมทั้งให้แรงบิดที่มากขึ้นหรือลดลงด้วย นอกจากนี้ยังมีกลไกอื่น ๆ ที่คล้ายคลึงกันในการปรับอัตราความเร็วรอบของมอเตอร์เช่นการใช้ล้อและเพลา การใช้ชุดสายพาน เป็นต้น ในการเลือกกลไกเคลื่อนไหวจึงจำเป็นต้องออกแบบให้ เหมาะสมกับงานที่หุ่นยนต์ต้องทำต้องปฏิบัติเพราะชิ้นส่วนกลไกทุกชิ้นล้วนแล้วแต่มีน้ำหนัก ซึ่งจะมีผลโดยตรงต่อความสามารถในการขับเคลื่อน และกำลังไฟที่ ต้องใช้ในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์

แหล่งพลังงาน

เป็นส่วนที่สำคัญที่สุด และเป็นตัวสร้างปัญหาให้กับหุ่นยนต์มากที่สุดด้วย ที่ว่าเป็นส่วนสำคัญที่สุดก็เพราะเป็นส่วนที่เป็นพลังงานใช้ในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์ ทำให้หุ่นยนต์สามารถทำกิจกรรมที่เราสั่งให้ทำได้ แหล่งพลังงานสำหรับหุ่นยนต์ขนาดเล็กส่วนใหญ่จะใช้แบตเตอรี่ที่เราสามารถหาได้ทั่วไปเช่น ขนาด AAA หรือ AA ที่จ่ายแรงดัน 1.5 V แต่เนื่องจากว่า กว่าที่เราจะสั่งให้หุ่นยนต์ทำงานได้ตรงตามที่ต้องการก็จะมีการทดลองแล้วทดลองอีกอยู่หลายครั้ง ซึ่งแม้ว่าแรา จะใช้ชนิดธรรมดา ก็ยังค่อนข้างเปลืองอย่างมาก ดังนั้นจึงนิยมนำแบตเตอรี่ชนิดที่สามารถประจุไฟใหม่ได้มาใช้ เช่นถ่านชาร์ตแบบ NiCd เป็นต้น ซึ่งสามารถให้ แรงดันไฟที่ 1.2 V ต่อก้อน นอกจากแหล่งพลังงานที่จำเป็นต้องพิจารณาคัดเลือกอย่างดีแล้ว วงจรที่ใช้ควบคุมกระแสไฟและแรงดันก็จำเป็นอย่างยิ่ง เพราะแผงวงจรที่ใช้เป็นส่วนควบคุมหุ่นยนต์นั้นโดยมากแล้วใช้กระแสไฟที่มีแรงดันเพียง 5 V เท่านั้น ดังนั้นถ้าเราจะใช้ถ่านชนิดแรงดัน 9 V ก็จำเป็นต้องต่อพ่วง วงจรควบคุมแรงดันไฟ (regulator) ไว้ด้วย สำหรับปัญหาสำคัญของแหล่งพลังงานของหุ่นยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้แบตเตอรี่ ก็คือน้ำหนักของแบตเตอรี่ที่มากเอาการอยู่ และก็เป็นภาระสำคัญอย่างยิ่งต่อกลไกการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์

ส่วนควบคุม

ในหุ่นยนต์อัตโนมัติสมัยใหม่จะใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เรียกว่า "ไมโครคอนโทรลเลอร์"(microcontroller) เป็นอุปกรณ์หลักในการควบคุมและประมวลผล โดยในส่วนควบคุมนี้จะบรรจุโปรแกรมควบคุมที่ผู้ใช้งานเขียนขึ้นลงในหน่วยความจำ และสามารถเปลี่ยนแปลงแก้ไขได้ โดยส่วนควบคุมนี้จะมีส่วนต่ออุปกรณ์ภายนอก 2 ลักษณะคือ พอร์ตอินพุต(input ports) และพอร์ตเอาต์พุต(output ports)

สำหรับพอร์ตอินพุตยังแบ่งออกเป็น 2 แบบคือ พอร์ตอินพุตดิจิตอล (digital input port) และพอร์ตอินพุตอะนาลอก(analog input port) โดยพอร์ตอินพุตดิจิตอลจะรับสัญญาณที่เป็นลอจิก"0" หรือ "1" แล้วส่งไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อประมวลผล ส่วนพอร์ตอินพุตอะนาลอก จะรับแรงดันไฟฟ้าเข้ามาแล้วผ่านวงจร แปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิตอล (analog to digital converter : ADC) เพื่อให้เป็นข้อมูลดิจิตอลก่อนส่งเข้าไปยัง ไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยปกติพอร์ตอินพุตอะนาลอกจะสามารถ รับแรงดันได้ไม่เกิน 5 โวลต์ ส่วนความละเอียดในการแปลง สัญญาณอยู่ระหว่าง 8-16 บิต แต่ในหุ่นยนต์ที่มีประสิทธิภาพดี ควรใช้ตั้งแต่ 10 บิตขึ้นไป