หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์

หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ (อังกฤษ: humanoid robot) คือหุ่นยนต์ที่ออกแบบขึ้นมาโดยมีพื้นฐานมาจากร่างกายมนุษย์ โดยทั่วไปแล้วหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์มีลำตัวพร้อมหัว สองแขน และสองขา แม้หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์บางรูปแบบจะจำลองเฉพาะบางส่วนของร่างกายเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ตัวแต่เอวขึ้นไป หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์บางตัวยังอาจมี 'ใบหน้า' พร้อม 'ตา' และ 'ปาก' อีกด้วย แอนดรอยด์ (android) คือหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่สร้างเลียนแบบมนุษย์เพศชาย และ gynoid คือหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่สร้างเลียนแบบมนุษย์เพศหญิง

อาซิโม ของฮอนด้า ตัวอย่างหนึ่งของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์

หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์เป็นหุ่นยนต์อัตโนมัติ เนื่องจากมันสามารถปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมหรือตัวมันเอง และยังคงทำงานต่อเพื่อบรรลุเป้าหมาย สิ่งนี้เป็นข้อแตกต่างหลักระหว่างฮิวแมนนอยด์และหุ่นยนต์ชนิดอื่น เช่นหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ที่ใช้ปฏิบัติภารกิจในสภาพแวดล้อมที่มีโครงสร้างชัดเจนมาก ในบริบทนี้ ความสามารถของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์อาจรวมถึง แต่ไม่จำกัดแค่สิ่งเหล่านี้:

• ดูแลรักษาตัวเอง (เติมพลังงานให้ตัวมันเอง)
• เรียนรู้อัตโนมัติ (เรียนรู้หรือได้มาซึ่งความสามารถใหม่ ๆ โดยไม่ต้องได้รับความช่วยเหลือจากภายนอก, ปรับเปลี่ยนยุทธศาสตร์ตามสิ่งแวดล้อม และปรับตัวเข้ากับสถานการณ์ใหม่ ๆ)
• หลีกเลี่ยงสถานการณ์ที่จะเป็นอันตรายต่อมนุษย์ ทรัพย์สิน และตัวมันเอง
• โต้ตอบกับมนุษย์และสภาพแวดล้อมอย่างปลอดภัย

การพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์

ระบบปัญญาประดิษฐ์ที่ใช้ในการควบคุมการเคลื่อนที่หรือการเดินของหุ่นยนต์ ในขั้นต้น คือ การเดินแบบสถิตย์ หรือการเคลื่อนที่โดยอาศัยจุดศูนย์ถ่วงที่อยู่ภายในพื้นที่ครอบคลุมบริเวณขาทั้ง 2 ข้างของหุ่นยนต์ จากนั้นจึงเป็นการพัฒนาเป็นรูปแบบ การเดินแบบจลน์ หรือการเคลื่อนที่โดยอาศัยจุดศูนย์ถ่วงที่อยู่นอกพื้นที่ครอบคลุมของขาทั้ง 2 ข้าง ซึ่งเป็นรูปแบบการเดินของมนุษย์ตามลำดับ ซึ่งทีมวิศวกรได้ทำการศึกษาวิจัยและพัฒนาตามข้อมูลที่ทำการทดลองและจดบันทึกเป็นฐานข้อมูล จากการทดลองรูปแบบการเคลื่อนที่ของมนุษย์ ทีมวิศวกรได้คำนึงถึงองค์ประกอบสำคัญ 3 อย่างในการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ให้สามารถเดินได้เช่นเดียวกับมนุษย์ คือ

1. การพัฒนาความเร็วในการเคลื่อนที่ไปด้านหน้าของหุ่นยนต์
2. การเพิ่มเติมในระดับถัดไปของร่างกาย เช่น แขน มือและศีรษะ
3. การพัฒนาความสามารถในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ เช่นการก้าวเดินขึ้นลงบันได หรือการวิ่ง

การก้าวเดินแบบอิสระ

พื้นฐานในการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ 2 ขานั้น สามารถศึกษาได้โดยตรงจากการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์บนพื้นผิวที่เรียบ ไม่ขรุขระ ซึ่งหุ่นยนต์สามารถก้าวเดินได้ตามปกติ ลำดับต่อไปของการก้าวเดินคือการพัฒนาศักยภาพไปสู่การเคลื่อนที่ไปด้านหน้าของหุ่นยนต์อย่างอิสระ สามารถก้าวเดินบนพื้นผิวขรุขระ พื้นเอียงหรือพื้นที่ลาดชันรวมทั้งระดับของขั้นบันไดอย่างมีเสถียรภาพ และไม่เสี่ยงต่อการเสียหลักหกล้มขณะก้าวเดิน เทคนิคการก้าวเดินแบบอิสระของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ สามารถสรุปได้ดังนี้

1. เทคนิคขั้นพื้นฐานของการวางเท้าของหุ่นยนต์ โดยจะต้องคงสภาพแน่นอนไม่แปรเปลี่ยนไปตามลักษณะของพื้นผิว แม้หุ่นยนต์จะก้าวเดินในพื้นที่ขรุขระ
2. เทคนิคขั้นพื้นฐานของการปรับสภาพของหุ่นยนต์ หากในกรณีที่หุ่นยนต์ก้าวเดินแล้วมีการหกล้มหรือเสียการทรงตัว
3. เทคนิคขั้นพื้นฐานของการปรับสภาพของหุ่นยนต์ โดยให้ผลของการเคลื่อนที่ถูกต้อง แม่นยำโดยการจดจำเป้าหมายที่ต้องการ ซึ่งเทคนิคเหล่านี้ทีมวิศวกรได้นำมาพัฒนาเป็นส่วนต่าง ๆ ก่อนจะนำมารวมกันในรูปแบบการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์

เทคนิคการก้าวเดินอย่างมีเสถียรภาพ

 

จุดโมเมนต์ศูนย์ (ZMP) หรือจุดปฏิกิริยาที่พื้นฐาน

ปกติแล้วเมื่อมีการเคลื่อนที่หรือยืนอยู่นิ่ง ๆ ร่างกายของมนุษย์จะถ่ายโอนน้ำหนักตัวตามธรรมชาติ เพื่อรักษาสมดุลของร่างกายในท่านั้นไว้ แต่ถ้าการถ่ายโอนน้ำหนักของร่างกายไม่สมดุลกัน ร่างกายมนุษย์จะสามารถปรับสภาพให้สมดุลและไม่ล้ม โดยเคลื่อนตำแหน่งของเท้าซ้ายหรือขวาออกจากจุดที่ยืนอยู่ ซึ่งลักษณะดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นกับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ได้เช่นกัน เมื่อหุ่นยนต์ก้าวเดินไปข้างหน้า ผลจากแรงเฉื่อยและแรงดึงดูดของโลกจะมีผลโดยตรง ต่อการเพิ่มและลดความเร่งในท่าทางการเดินของหุ่นยนต์ ซึ่งแรงเหล่านี้เรียกว่าแรงเฉื่อยรวม และเมื่อเท้าของหุ่นยนต์กระแทกกับพื้น จะได้รับผลกระทบนี้โดยตรง เรียกว่าแรงปฏิกิริยาจากพื้น

การตัดกันในระหว่างแนวแรงเฉื่อยพื้น และรวมทั้งตำแหน่งดังกล่าวจะมีค่าโมเมนต์เท่ากับศูนย์ เรียกตำแหน่งในจุดนี้ว่า จุดโมเมนต์ศูนย์ (ZMP) ซึ่งเป็นจุดที่แรงปฏิกิริยาลง เรียกว่าจุดปฏิกิริยาที่พื้นฐาน ลักษณะท่าทางการเดินของหุ่นยนต์จะถูกกำหนดจากคอมพิวเตอร์โดยระบบปัญญาประดิษฐ์ ทำการคำนวณ ประมวลผลและส่งผลไปยังข้อหมุนต่าง ๆ ของหุ่นยนต์ โดยให้มีการสอดคล้องกันกับความเฉื่อยที่เกิดขึ้นจากการคำนวณ เรียกว่า ZMP เป้าหมาย เมื่อหุ่นยนต์เกิดความสมดุลของร่างกายในขณะที่ก้าวเดินได้อย่างสมบูรณ์แบบ แกนของแรงเฉื่อยรวมเป้าหมายและแรงปฏิกิริยาที่พื้น จะเป็นตำแหน่งเดียวกัน และเมื่อหุ่นยนต์ก้าวเท้าเดินผ่านพื้นผิวที่ขรุขระ ตำแหน่ง 2 ตำแหน่งดังกล่าวจะหนีออกจากกัน ส่งผลให้เกิดความสมดุลลงแรงที่จะทำให้หุ่นยนต์หกล้มเกิดขึ้นมาทันที

แรงที่ทำให้หุ่นยนต์เกิดการหกล้มเมื่อก้าวเดิน เกิดจากความเหลื่อมล้ำในระหว่าง ZMP เป้าหมายและแรงปฏิกิริยารวมที่พื้น ซึ่งเมื่อพิจารณาและวิเคราะห์แล้วพบว่า นั่นคือสาเหตุหลักที่ทำให้ความไม่สมดุลเกิดขึ้น และเมื่อหุ่นยนต์เกิดการเสียความสมดุล ระบบป้องกัน 3 ระบบที่จะป้องกันการหกล้มหรือเสียหลักการทรงตัวของหุ่นยนต์ ที่สามารถทำให้หุ่นยนต์ก้าวเดินต่อไปได้อย่างต่อเนื่องคือ

• ระบบควบคุมแรงปฏิกิริยา
• ระบบควบคุม ZMP
• ระบบควบคุมการวางเท้าของหุ่นยนต์

ดูเพิ่ม

• อาซิโม
• คิวริโอ
• นาโอะ
• วิทยาการหุ่นยนต์
• กฎ 3 ข้อของหุ่นยนต์
• โรโบคัพ
• การแข่งขันออกแบบหุ่นยนต์ระหว่างประเทศ
• เอบียูโรบอตคอนเทสต์
• อาซิโม
• ทฤษฎีระบบควบคุม
• เมคคาทรอนิกส์

อ้างอิง

1. การเคลื่อนที่โดยอาศัยสัญญาณนำภาพของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (FIBO) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
2. สมาร์ทเลิร์นนิ่ง, เรียนรู้การสร้างหุ่นยนต์, กรุงเทพฯ, 2549
3. แรงเฉื่อย กฎข้อที่ 2 ของนิวตัน
4. สมดุลกล
5. จุดโมเมนต์ศูนย์ ZMP
6. ฟิสิกส์ราชมงคล
7. แรงปฏิกิริยา กฎข้อที่ 3 ของนิวตัน

แหล่งข้อมูลอื่น

• หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (FIBO) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
• Android World มีแสดงพัฒนาการของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์