[1]unit1_basicrobot

บทท่ี 1 ความรู้พนื้ ฐานด้านหุ่นยนต์1.ความหมายของหุ่นยนต์ ความหมายของ \"หุ่นยนต\"์ โดยหลกั ทางวชิ าการของสถาบนั หุ่นยนตอ์ เมริกา (The Robot ofAmerica 1997) ไดใ้ หค้ วามหมายของคาวา่ หุ่นยนตไ์ ว้ ดงั น้ี หุ่นยนตค์ ือ “เคร่ืองจกั รใชง้ านแทนมนุษย์ ท่ีออกแบบใหส้ ามารถต้งั ลาดบั การทางาน การใชง้ านไดห้ ลากหลายหนา้ ท่ี ใชเ้ คลื่อนยา้ ยวสั ดุอุปกรณ์ ส่วนประกอบต่าง ๆ เครื่องมือหรืออุปกรณ์พิเศษ ตลอดจนการเคลื่อนท่ีไดห้ ลากหลายตามที่ต้งั ลาดบั การทางาน เพือ่ สาหรับใชใ้ นงานหลากหลายประเภท” (A Robot reprogrammable,multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools or specialized devicesthrough various programmed motions for the performance of a veriety of tasks.) นิยามโดยตรงของคาวา่ หุ่นยนต์ ตามหลกั ทางวชิ าการของสถาบนั หุ่นยนต์ อเมริกากค็ ือเคร่ืองจกั รกลทุกชนิดที่สามารถปฏิบตั ิงานแทนมนุษยไ์ ดท้ ุกประเภท ท้งั ทางตรงและทางออ้ มรวมท้งั ในงานท่ีเส่ียงอนั ตรายโดยท่ีมนุษยไ์ ม่สามารถปฏิบตั ิงานได้ ตลอดจนการทางานท่ีเป็นอตั โนมตั ิโดยตนเองหรือถูกควบคุมโดยมนุษย์ และสามารถปรับเปล่ียนรูปแบบการทางานได้หลากหลาย2. ประเภทของหุ่นยนต์ ประเภทของหุ่นยนต์ สามารถแบ่งแยกไดห้ ลากหลายรูปแบบ หลายประเภทตามแต่ลกั ษณะเฉพาะของการใชง้ าน ซ่ึงการแบ่งประเภทของหุ่นยนตม์ กั แบง่ แยกตามลกั ษณะโครงสร้างและส่วนประกอบของหุ่นยนตต์ ามแตก่ ารใชง้ าน สามารถแบ่งได้ ดงั น้ี 2.1 หุ่นยนต์ทต่ี ิดต้ังอย่กู บั ท่ี ไม่สามารถเคลอื่ นทไี่ ด้ หุ่นยนตท์ ่ีติดต้งั อยกู่ บั ที่ สามารถเคล่ือนไหวไปมาแตไ่ ม่สามารถเคลื่อนท่ีได้ หุ่นยนต์ในประเภทน้ี ไดแ้ ก่ แขนกลของหุ่นยนตท์ ่ีใชใ้ นงานดา้ นอุตสาหกรรมตา่ ง ๆ เช่น งานดา้ นอุตสาหกรรมผลิตรถยนตแ์ ขนกลของหุ่นยนตท์ ่ีใชง้ านในดา้ นการแพทย์ เช่นแขนกลท่ีใชใ้ นการผา่ ตดั หุ่นยนตป์ ระเภทน้ีจะมีลกั ษณะโครงสร้างท่ีใหญ่โต เทอะทะและมีน้าหนกั มาก ใชพ้ ลงั งานให้สามารถเคลื่อนไหวไดจ้ ากแหล่งจ่ายพลงั งานภายนอก และจะมีการกาหนดขอบเขตการเคลื่อนไหวของหุ่นยนตเ์ อาไว้ ทาใหห้ ุ่นยนตส์ ามารถเคลื่อนไหวไปมาไดใ้ นเฉพาะที่ท่ีกาหนดเอาไวเ้ ทา่ น้นั 2.2 หุ่นยนต์ทสี่ ามารถเคลอ่ื นไหวและเคลอ่ื นทไ่ี ด้

หุ่นยนตท์ ่ีสามารถเคล่ือนไหวร่างกายไปมาไดอ้ ยา่ งอิสระ หมายความถึงหุ่นยนตท์ ่ีสามารถเคลื่อนยา้ ยตวั เองจากตาแหน่งหน่ึงไปยงั อีกตาแหน่งหน่ึงไดอ้ ยา่ งอิสระ หรือมีการเคล่ือนที่ไปมาในสถานที่ตา่ ง ๆ เช่น หุ่นยนตท์ ่ีใชใ้ นการสารวจดวงจนั ทร์ขององคก์ รนาซ่า หุ่นยนตส์ ารวจใตภ้ ิภพหรือหุ่นยนตท์ ี่ใชใ้ นการขนถ่ายสินคา้ ซ่ึงหุ่นยนตท์ ่ีสามารถเคล่ือนไหวไดน้ ้ี ถูกออกแบบลกั ษณะของโครงสร้างใหม้ ีขนาดเล็กและมีระบบเคล่ือนที่ไปมา รวมท้งั มีแหล่งจ่ายพลงั สารองภายในร่างกายของตนเอง แตกตา่ งจากหุ่นยนตท์ ี่ไม่สามารถเคลื่อนท่ีไปมาได้ ซ่ึงจะตอ้ งมีแหล่งจา่ ยพลงั อยภุ่ ายนอก แหล่งจา่ ยพลงั สารองภายในร่างกายของหุ่นยนตท์ ่ีสามารถเคลื่อนไหวร่างกายและสามารถเคลื่อนที่ไปมาไดน้ ้นั โดยปกติแลว้ จะถูกออกแบบลกั ษณะของโครงสร้างใหม้ ีขนาดเล็กรวมท้งั มีปริมาณน้าหนกั ไมม่ าก เพอ่ื ไมใ่ หเ้ ป็นอุปกสรรคตอ่ การปฏิบตั ิงานของหุ่นยนตห์ รือออุปสรรคในการเคล่ือนท่ี3 องค์ประกอบของหุ่นยนต์ 3.1 ภาคเซนเซอร์ เป็นภาคที่สาคญั ในการตรวจจบั หาสถานะตา่ ง ๆ และตาแหน่งของตวั เอง โดยใชว้ สั ดุอื่น อา้ งอิงในการตรวจจบั เช่น วตั ถุตา่ ง ๆ เหล็ก พลาสติก หรือ สีต่าง ๆ โดยเราจะเลือก เซนเซอร์ที่ใชง้ านตา่ งกนั ตามตอ้ งการ เช่น ในหุ่นยนตส์ ่วนใหญ่ จะมีเซนเซอร์ ตรวจจบั วตั ถุ หรือสิ่งกีดขวางตา่ ง ๆ โดยจะเลือกใชต้ ามความเหมาะสม เช่น อลั ตราโซนิค อินฟราเรต เป็นตน้ เพอื่ ใหภ้ าคคอนโทรนรับรู้สถานภาพของตวั เอง และจดั การกบั ส่ิงที่ ตรวจเจอ ที่ใชก้ นั บอ่ ยในหุ่นยนต์ เพือ่ กาหนดทิศทางการเดินของหุ่น ท่ีรู้จกั กนั ในนาม หุ่นยนตเ์ ดินตามเส้น (Guide Line) โดย การเซนเซอร์ สี ขาวกบั สีดา โดยใชห้ ลกั การสะทอ้ นแสงน้นั เอง ในปัจจุบนั การเซนเซอร์ก็จะมีวงจรใหส้ ามารถเลือกใช้มากมาย ก็สามารถท่ีจะเลือกใชไ้ ดต้ ามความเหมาะสม หลงั จากเซนเซอร์ตรวจสอบแลว้ กจ็ ะส่งสัญญาณไปยงั ภาค คอนโทรน เพอื่ ประมวลผล จะสงั เกตวา่ ภาคเซนเซอร์จะมีเอาพุต เป็น 0 (0V.) และ 1 (5 V.) ในระบบดิจิตอลเพอ่ื ให้ รองรับกนั กบั ภาคคอนโทรนนน่ั เอง ภาคเซนเซอร์ น้นัยงั เป็นภาคท่ีตรวจสอบสภาวะของหุ่นยนต์ เพอื่ ท่ีจะใหห้ ุ่นรับรู้ถึงสภาพของตวั เอง เช่นตาแหน่ง สิ่งกีดขวาง ความสูญเสียในตวั หุ่น เป็นตน้ 3.2 ภาคควบคุม ภาคน้ีเป็นหวั ในหลกั ของหุ่นยนต์ เพราะเป็นตวั ประมวลผลและสง่ั การ เราสามารถที่จะทาใหห้ ุ่นของเรามีสมองสามารถคิด และตดั สินใจ ควบคุม รักษาสภาพตวั เอง และทางานตา่ ง ๆตามท่ีออกแบบไว้ เองได้ โดยใชก้ ารรับรู้จากภาค เซนเซอร์ น้นั เอง เมื่อประมวลผลแลว้ ก็จะส่งไปควบคุมอุปกรณ์ เมคคานิค ต่าง ๆ ดว้ ยสญั ญาณดิจิตอล โดยความสามารถท่ีจะคิดและตดั สินใจเราจะ

เป็นคนต้งั เง่ือนไขใหแ้ ก่มนั หรือ การเขียนโปรแกรมน้นั เอง เช่น ถา้ เซนเซอร์ ตรวจเจอวตั ถุใหเ้ ขา้ชน ถา้ ตรวจเจอเส้นสีขาวใหถ้ อยหลงั เป็นตน้ ข้ึนอยกู่ บั การออกแบบระบบของเรา โดยในปัจจุบนัมีตวั คอนโทรนใหเ้ ลือกมากมายแต่ สาหรับหุ่นยนตท์ ว่ั ไปจะมีข้นั ตอนการประมวลผลนอ้ ย ไม่ยงุ่ ยากซบั ซอ้ นมากนกั เราจึงนิยมใช้ ไมโครคอนโทรนเลอร์ เช่น PIC MCS-51 AVR เป็นตน้ แต่สาหรับหุ่นยนตท์ ่ีมาการประมวลผลมาก ซบั ซอ้ น เช่นหุ่นท่ีใชง้ านในโรงงานอุตสาหกรรม ก็จะใช้คอนโทรนตวั ท่ีมีความสามารถเพม่ิ ข้ึน เช่น PLC หรือเครื่อง PC โดยจะมีขอ้ เสียเปรียบและไดเ้ ปรียบแตกต่างกนั ไป เช่น หน่วยความจา ความสามารถในการประมวลผล ความเร็วในการประมวลผล ความยากง่ายในการเขียนโปรแกรม หรือเน้ือท่ีในการติดต้งั กค็ วรจะเลือกใชใ้ ห้เหมาะสมกบั งาน 3.3 ภาคไดรเวอร์ เนื่องจากภาคคอนโทรนจะส่ง เอาพุต เพอ่ื ไปควมคุม เมคคานิค ในระบบสญั ญาณดิจิตอลซ่ึงมีแรงดนั และกระแสนอ้ ย ไม่เพียงพอท่ีจะขบั เมคคานิคไดโ้ ดยตรง จึงจาเป็นตอ้ งผา่ นไดรเวอร์เม่ือขยายสัญญาณในการขบั ในปัจจุบนั มีวงจรไดรเวอร์ใหเ้ ราเลือกมากมายเหมือนกัน เช่นไอซี ไดรมอเตอร์ วงจรขบั โดยรีเลย์ วงจรขบั โดยทรานซิสเตอร์ หรือวงจรขบั โดยใชก้ ารเชื่อมโดยทางแสง แตล่ ะวงจรกจ็ ะมีขอ้ ไดเ้ ปรียบเสียเปรียบต่างกนั ก็ควรเลือกใชใ้ หเ้ หมาะสมกบั งานภาคไดรเวอร์ 3.4 ภาคจ่ายไฟ ส่วนใหญใ่ นหุ่นยนต์ ทว่ั ไปจะมีแหล่งจ่ายไฟอยา่ ง 2 ชุดใหญ่ ๆ ดว้ ยกนั คือ ภาคจ่ายไฟใหก้ บั ภาคคอนโทรน (5 V.) และภาคจ่ายไฟใหก้ บั เมคคานิค (แลว้ แต่สเป็กของเมคคานิคท่ีใช)้ ในภาคน้ีจะเป็นภาคสาคญั อีกภาคหน่ึงท่ีจะทาให้ ระบบของเรา มีความทนตอ่ การรบกวนตา่ ง ๆถา้ เราออกแบบภาคจา่ ยไฟไม่ดีแลว้ จะทาใหว้ งจรของเรา ถูกรบกวนจากสญั ญาณตา่ ง ๆ ไดง้ ่าย 3.5 ภาคเมคคานิค เป็นภาคที่เปล่ียนพลงั งานไฟฟ้ า เป็นพลงั งานกล ไปควบคุม ระบบการทางานของหุ่น เช่น การเดิน การจบั การยก เป็นตน้ ท่ีใชง้ านโดยทว่ั ไปก็มี มอเตอร์ชนิดต่าง ๆ ไฮโดรลิค นิวเมติกส์ เป็นตน้ ซ่ึงจะมีการใชง้ านที่แตกต่างกนั ไปก็ ควรเลือกใชใ้ หเ้ หมาะสมกบั งานภาคเมคคานิคสาหรับภาคน้ีจะไมจ่ ากดั แนวคิดในการสร้าง4. ระบบการทางานของโครงสร้างหุ่นยนต์ (Mechanical part) 4.1 ความรู้พนื้ ฐานของระบบรอก

เครื่องกลชุดรอกมี 2 ระบบคือ รอกยดึ ติด ( Fixed Pulley ) และรอกเคล่ือนท่ี ( Moveable Pulley ) โดยรอกยดึ ติดหมายถึง ระบบท่ีตวั รอกถูกยดึ ติดไว้ เคล่ือนที่ไม่ไดป้ ระกอบดว้ ยเชือก คลอ้ งเกี่ยวกบั วงลอ้ ของรอกส่วนของเชือกดา้ นท่ีใชอ้ อกแรงดึง หรือแรงพยายาม เรียกวา่ แขนของแรงพยายาม และส่วนของเชือกอีกดา้ นหน่ึงท่ีผกู กบั กอ้ นน้าหนกั หรือแรงตา้ นทานเรียกวา่ แขนของแรงตา้ นทานดงั รูป 4.2 ระบบสลกั เกลยี ว ความรู้พ้ืนฐานสลกั เกลียวของแมแ่ รงชนิดเกลียวหมุน ท่ีทาดว้ ยไมห้ รือโลหะเป็นเคร่ืองกอยา่ งง่ายอีกชนิดหน่ึง เครื่องกลชนิดน้ีเปรียบเสมือนกบั เอาพ้ืนเอียงมาพนั รอบแทง่ อะไรสักอยา่ งนนั่ เอง4.3 ระบบเฟื อง 1) เฟื องตรง(Spur gear) เป็นเฟื องท่ีมีลกั ษณะเป็นลอ้ ทรงกระบอก มีฟันขนานกบั แกนของตวั เฟื อง มีหนา้ ตดั ของ ฟันเฟื องขนานเทา่ กนั และเหมือนกนั ตลอดท้งั เฟื อง ดงั รูป 2)เฟื องหนอน (Worm gear) เฟื องชุดน้ีจะประกอบดว้ ยตวั เกลียวหนอนและเฟื องหนอน โดยเกลียวหนอนจะส่งกาลงั หมุนไปขบั ใหเ้ ฟื องหนอนหมุนตาม ดงั รูปเฟื องชนิดน้ีนิยมใชก้ บั การทดรอบความเร็วสูงๆ ใหเ้ ป็นความเร็วต่ามากๆ 3)เฟื องดอกจอก (Bevel gear) เฟื องชนิดน้ีมีลกั ษณะรูปร่างเป็นรูปทรงกรวย(Cone) ฟันของเฟื องจะอยโู่ ดยรอบผวิ ของทรงกรวย และขนานกบัแกนของเฟื อง ดงั รูป เฟื องดอกจอกจะใชส้ าหรับเปล่ียนทิศทางการส่งกาลงั

ระหวา่ งเพลาของลอ้ ที่ต้งั ฉากกนั เช่น การส่งกาลงั ไปยงั เพลาของลอ้ รถเป็ นตน้ จากการศึกษาเร่ืองระบบของรอกและเฟื องเราสามารถหาความไดเ้ ปรียบเชิงกลไดจ้ าก ความไดเ้ ปรียบเชิงกล = รัศมีของลอ้ / รัศมีของเพลา5. กลไกการเคลอ่ื นทข่ี องหุ่นยนต์ ในการสร้างหุ่นยนตเ์ ราควรกาหนดรูปแบบการเคลื่อนท่ีของหุ่นยนตท์ ี่เราจะสร้างข้ึนก่อน โดยอาศยั หลกั การพ้นื ฐานในการสร้างระบบการเคลื่อนที่ดงั ตอ่ ไปน้ี - สามารถเคลื่อนท่ีไปขา้ งหนา้ โดยไม่ลม้ กลิ้ง - เคล่ือนท่ีไปขา้ งหนา้ และถอยหลงั ไดอ้ ยา่ งเป็นเส้นตรง - สามารถหนั ไปทางซา้ ยและขวา ไดด้ ว้ ยวงเล้ียวท่ีแคบสุด - สามารถหันไปข้างหน้าและหยดุ ได้อย่างรวดเร็ว - สามารถควบคุมจากรีโมทคอนโทรล แบบตา่ งๆ - ฯลฯ ซ่ึงในระบบท่ีเราเลือกรูปแบบการเคลื่อนท่ีอาจจะเลือกใชอ้ ุปกรณ์ในการสร้างดงั ตอ่ ไปน้ี 5.1 GEAR BOX ใชเ้ ปล่ียนทิศทางการหมุน

5.2 ข้อเหวยี่ ง CRANG สามารถเปล่ียนการเปลี่ยนการเคล่ือนท่ีแบบหมุน ใหเ้ ป็นการเคล่ือนที่แบบ ไป – กลบั ได้ 5.3 ลูกเบยี้ ว (CAM) สามารถเปล่ียนการเปล่ียนการเคล่ือนท่ีแบบหมุน ใหเ้ ป็นการเคล่ือนท่ีแบบ ไป – กลบั ได้ 5.4 โซ่ข้นั บันได (LAD DER CHAIN) สามารถประยกุ ตใ์ ชไ้ ดใ้ นระบบขบั เคลื่อนที่ลอ้ของหุ่นยนต์ โดยอาศยั การส่งผา่ นกาลงั จากมอเตอร์ไปยงั ลอ้ ท่ีเคล่ือนท่ี หรือระหวา่ งลอ้ กบั ลอ้ กไ็ ด้

5.5 สายพานไทมง่ิ (TIMING BELT) สามารถประยกุ ตใ์ ชไ้ ดใ้ นระบบขบั เคลื่อนที่ลอ้ ของหุ่นยนต์ โดยอาศยั การส่งผา่ นกาลงั จากมอเตอร์ไปยงั ลอ้ ท่ีเคล่ือนท่ี หรือระหวา่ งลอ้ กบั ลอ้ ก็ได้6. การส่งผ่านกาลงั ของหุ่นยนต์ผ่านมอเตอร์ มอเตอร์ เป็นเคร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าที่เปลี่ยนพลงั งานไฟฟ้ าเป็นพลงั งานกล ประกอบดว้ ยขดลวดท่ีพนั รอบแกนโลหะที่วางอยรู่ ะหวา่ งข้วั แม่เหล็ก โดยเมื่อผา่ นกระแสไฟฟ้ าเขา้ ไปยงั ขดลวดท่ีอยู่ระหวา่ งข้วั แม่เหล็ก จะทาใหข้ ดลวดหมุนไปรอบแกน และเม่ือสลบั ข้วั ไฟฟ้ า การหมุนของขดลวดจะหมุนกลบั ทิศทางเดิมอุปกรณ์ท่ีใชม้ ากท่ีสุดในการทาใหเ้ กิดกาลงั คือ มอเตอร์ และมอเตอร์ก็มีหลากหลายชนิดโดยแบ่งเป็น มอเตอร์กระแสตรง และมอเตอร์กระแสสลบั สาหรับมอเตอร์ท่ีนิยมใชใ้ นการทาหุ่นยนตอ์ ยา่ งแพร่หลายน้นั มีดงั ตอ่ ไปน้ี มอเตอร์กระแสตรง,สเตปปริงมอเตอร์ และโซโวมอเตอร์ เป็นตน้ ซ่ึงแตล่ ะชนิดก็จะเหมาะสมกบั ลกั ษณะของโครงสร้างหุ่นยนตท์ ี่ใชง้ านแตกต่างกนั ไป

7. วสั ดุทใี่ ช้ในการสร้างหุ่นยนต์- ไม้- อลูมิเนียม- โลหะ เหลก็- ชุดตวั ตอ่ สาเร็จรูป-เครื่องมือท่ีใชส้ าหรับการจบั ยดึ-ฯ8. แหล่งจ่ายพลงั งานและการควบคุม (POWER SUPPLY AND TEMPORARY CONTROL BOX) แหล่งจา่ ยพลงั งานของหุ่นยนตเ์ พือ่ การแข่งขนั อาจจะไม่ยงุ่ ยากสลบั ซบั ซอ้ นมากนกั อาจใช้แหล่งจา่ ยพลงั งานจากชุดเครื่องมือแบตเตอร่ี (BATTERY) เมื่อพดู ถึงพลงั งานท่ีจะใชก้ บั หุ่นยนต์คงตอ้ งกล่าวถึงเพ่อื ใหผ้ สู้ นใจศึกษาไดท้ ราบไวใ้ นเบ้ืองตน้ - แบตเตอร่ี - POWER SUPPLY ADAPTER9. วงจรควบคุม CONTROL SWITEH - REMOTE SWITCH - CPU (COMPUTER) - MPU (ไมโครโปรเซสเซอร์)

- ไมโครคอลโทรลเลอร์10. วงจรไฟฟ้ า (CIRCUIT)11. สัญลกั ษณ์และหน่วยพนื้ ฐานทางอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ทคี่ วรรู้- สัญลกั ษณ์ทางอเิ ลก็ ทรอนิกส์ (SYSMBOLS)- หน่วยพนื้ ฐานทางอเิ ลก็ ทรอนิกส์

12. เคร่ืองมอื เบือ้ งต้นในการสร้างหุ่นยนต์