Balancing One-Wheeled Scooter ล้อเดียว ซิ่งๆ กันไปเลย

      จริงๆเป็นโปรเจคที่มีมานานแล้วแหละ แต่ที่เอามาให้ดูคิดว่ามันยังน่าสนใจอยู่ โดยเฉพาะใครที่คิดจะทำหุ่นยนต์ที่เดินได้ แม้แต่จะเคลื่อนไหวด้วยล้อเพียงล้อเดียว สิ่งหนึ่งที่ขาดไม่ได้เลย คือเรื่องของการทรงตัว โปรเจค Balancing One-Wheel Scooter ก็เป็นตัวอย่างหนึ่งที่น่าสนใจไม่น้อย ด้วยชิ้นส่วนและการทำงานที่ไม่ซับซ้อนมากนัก และยังทำให้เราเพลิดเพลินได้อีกด้วย

      เจ้า scooter ล้อเดียวนี้ เล่นเหมือนคล้ายๆ snow board นั่นแหละ (แต่ผมไม่เคยเล่นหรอก) อาศัยการถ่ายเทน้ำหนักของผู้เล่นไปข้างหน้าหรือไปข้างหลัง ก็จะทำให้ sensor balancing ส่งสัญญาณไปสั่งให้มอเตอร์หนุนไปข้างหน้าหรือข้างหลังเพื่อให้เกิดผลให้เจ้า scooter นี้รักษาตำแหน่งที่จะไม่ทำให้มันเอียงเลยจุดที่จะทำให้มันล้ม

      

ภาพโดยรวมของเจ้า scooter ล้อเดียวนี้ ประกอบไปด้วย

แบตเตอรี่แบบแห้ง DCมอเตอร์  สายพาน และชุดควบคุมมอเตอร์ซึ่งมีชุด balancing sensor ประกอบอยู่ด้วย

แบตเตอรี่

ใช้แบตเตอรี่ขนาด 12 V 12Ah เป็นแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดแบบแห้ง จำนวน 2 ก้อนแล้วนำมาต่ออนุกรมกันเพื่อทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขนาด 24 V เพื่อนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานของ DC มอเตอร์

 

 

 

 

DC Motor

ใช้ DC motor ขนาดแรงดัน 24V 400 watt เพื่อใช้ในการฉุดสายพานเพื่อหมุนล้อที่ติดอยู่กับเฟือง มอเตอร์นี้ไม่ควรจะกินกระแสไฟฟ้าเกิน 21 A

 

 

 

OSMC - High Current Motor Driver Driver OSMC - High Current Motor

ในการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ ก็ใช้วงจร H-Bridge เพื่อขับให้มอเตอร์ scooter ซึ่งเป็นวงจรที่นิยมในการขับมอเตอร์มาก ทำงานได้ไว และมีประสิทธิภาพ

 

 

 

 

Controller

ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ในการควบคุมการทำงานทั้งหมดของ scooter ล้อเดียวนี้ ก็คือ ไมโครคอลโทรลเลอร์จากค่าย Microchip คือเจ้า PIC16F878 ทำงานที่ความถี่ 20MHz โดยทำหน้าที่ประมวลผลสัญาณที่ส่งมาจาก  ADXRS300 Rate Gyro ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์วัดอัตราการโน้มเอียง มีการตอบสนองดีต่อความถี่สูง ส่งสัญญาณออกเป็น อะนาลอก สามารถตอบสนองอัตราเร็วได้ถึง 300 องศาต่อวินาที เมื่ออินทิเกรตสัญญาณจะได้สัญญาณบอกตำแหน่ง

และเจ้าตัวเซ็นเซอร์อีกตัวหนึ่งที่ขาดไม่ได้ ก็คือ ADXL202 คือ ไอซีที่พัฒนาบนพื้นฐานของเทคโนโลยีที่ชื่อว่า MEMS® สามารถวัดค่าความเร่งแบบเต็มค่าสเกลในช่วง -2g ถึง +2g และมีความไวหรือ Sensitivity 12.5% ต่อ g สามารถวัดค่าได้ทั้งความสั่นสะเทือน(dynamic หรือ vibration ) และ วัดค่าความโน้มถ่วง(static acceleration หรือ gravity )โดยทำการป้อนกลับแบบ PID ไปที่ตัวไมโครคอลโทรลเลอร์ด้วยความถี่ 100 Hz เพื่อไม่ให้เจ้า scooter เอียงไปข้างหน้าหรือข้างหลังมากไปจนล้ม โดยการส่งควบคุม PWM เพื่อป้อนให้กับมอเตอร์เพื่อให้มอเตอร์หมุนเพื่อต่อต้านการเอียงที่มากเกินไป

Chassis ตัวโครงรถ

ในโครงงานนี้ เค้าทำขึ้นมาเองโดยใช้เหล็กแผ่น 100mm x 3mm แล้วพับขึ้นรูป แต่ทั้งนี้ทางเจ้าของโปรเจคเค้าไม่ได้ให้แบบพิมพ์เขียวไว้ อาจจะต้องออกแบบขึ้นมาเอง

Drive Belt สายพานขับเคลื่อน

ใช้เฟืองทดขนาด 4.28:1 จำนวน 14 ฟัน เพื่อทำเป็นมูเล่ย์ โดยสายพาน และ pulleys ถูกจัดจำหน่ายโดย Wyko

ก็หวังคงจะมีประโยชน์บ้างสำหรับใครที่คิดจะเอาไปทำเป็นโปรจคจบนะครับ ถ้ามีโอกาสผมคงหาตัวอย่างโปรเจคมาเขียนลงในบล๊อกให้เพื่อนๆได้อ่านอีกแน่ๆ สุดท้ายได้เอาคลิปวีดีโอการทำงานของ Balancing One-Wheeled Scooter มาให้ดูกันครับ

อ่านเพิ่มเติม...

โปรแกรม PROTEUS จำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้า

โปรแกรม Proteus เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการจำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้า แต่ที่แตกต่างจากโปรแกรมจำลองการทำงานวงจรไฟฟ้าโปรแกรมอื่นๆก็คือ ความสามาถในการจำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้าที่มีการใช้ไมโครคอลโทรลเลอร์ในการทำงานด้วย ซึ่งนั่นเป็นจุดเด่นที่โปรแกรม Proteus สามารถนำหน้าเหนือโปรแกรมจำลองอื่นๆ

โปรแกรม Proteus เป็นโปรแกรมที่นักเล่นอิเล็กทรอนิกส์หลายๆคนนิยมใช้กันอย่างมาก เนื่องจากความสามารถในการจำลองการทำงานของไมโครคอลโทรลเลอร์ที่เราออกแบบวงจรและเขียนโปรแกรมเพื่อที่จะสั่งให้ไมโครคอลโทรลเลอร์ของเราทำงานตามที่เราโปรแกรมเอาไว้ ซึ่งช่วยให้เราออกแบบวงจรและทดลองโปรแกรมก่อนการสร้างวงจรควบคุมด้วยไมโครคอลโทรลเลอร์จริงได้อย่างสะดวกสบาย

ณ ปัจจุบัน โปรแกรม Proteus สามารถทำการจำลองการทำงานของการติดต่อแบบ USB ได้แล้ว ซึ่งถ้าหากเราจะทำการเขียนโปรแกรมไมโครคอลโทรลเลอร์เพื่อทำการติดต่อสื่อสารแบบ USB เราสามารถที่จะจำลองการทำงาน USB แบบเสือนจริงได้เลย ตัวอย่างเช่น ให้โปรแกรมทำการอ่านข้อมูลที่อยู่ใน Flash drive ของเราผ่าน USB port แล้วทำการโหลดข้อมูลลงบนตัวโปรแกรม Proteus ได้เลย

หากมีเวลาผมอยากทำ tutorial สำหรับการใช้โปรแกรม Proteus แบบพื้นฐานสักหน่อย เพื่อนๆจะได้เอาไปประยุกต์ใช้ต่อยอดกันเอง เดี๋ยวขอเวลาสักหน่อย ตอนนี้เดี๋ยวไปหาไมโครโฟนก่อน

อันนี้เป็น tutorial โปรแกรม Proteus ที่มีคนทำไว้ใน YouTube ครับ น่าจะพอทำให้เห็นภาพ ลองๆทำตามดูแล้วกัน

อ่านเพิ่มเติม...

คิดนอกกรอบ “พลังงานของหุ่นยนต์” (Robot Energy Problem)

     วันนี้ได้เข้าไปอ่านข่าวในเว็บเมเนเจอร์ เจอข่าวเกี่ยวกับการออกแบบหุ่นยนต์ ซึ่งหัวใจหลักของหุ่นยนต์คือการจัดการพลังงาน หากเราจะสร้างหุ่นยนต์สักตัว แต่ไม่มีพลังงานให้มันเพียงพอ หรือหุ่นยนต์ของเราต้องการพลังงานที่ใหญ่โต แบตเตอรี่ก้อนใหญ่สักสี่ห้าลูก ลองคิดดูว่าหุ่นยนต์จะใหญ่ขนาดไหน

 

     บางครั้งการขบคิดปัญหาที่เรากำหนดโจทย์ไม่เหมาะสมเราอาจจะหาคำตอบไม่ได้ เช่น หากเรามัวแต่คิดว่าเราต้องการกำลังไฟฟ้าให้กับหุ่นยนต์ที่เราออกแบบไว้เป็นกำลังไฟฟ้าเท่านู่นเท่านี้ เราก็คงมองหาว่าเราต้องใช้แบตเตอรี่กี่ก้อนถึงจะได้พลังงานเท่านั้น แต่หากเราเปลี่ยนคำถามใหม่ว่า หุ่นยนต์ต้องการแรงในการเดินเป็นจำนวนเท่านี้นิวตัว(นิวตัน คือ หน่วยของแรง) เราก็อาจจะได้คำตอบของแหล่งพลังงานของหุ่นยนต์นอกเหนือไปจากแหล่งพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น

 

       มีเรื่องเล่าที่ตลกอยู่เรื่องหนึ่ง (ไม่รู้จริงหรือเปล่า) นานมาแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ขององค์การนาซ่าพยายามคิดค้นประดิษฐ์ปากกาที่สามารถเขียนลงบนหินบนดวงจันทร์ เพื่อให้นักบินอวกาศที่จะไปเก็บตัวอย่างหินบนดวงจันทร์ได้สามารถเขียนข้อความตัวหนังสือลงบนหิน เพื่อบอกตำแหน่งที่เก็บหินบนดวงจันทร์เมือเวลานำหินกลับมาที่โลกจะได้รู้ตำแหน่ง นักวิทยาศาสตร์ก็พยายามทุ่มเทคิดค้นปากกาที่สามารถทำงานได้ดีแม้ในสภาพสูญญากาศ น้ำหมึกที่ทำงานได้แม้ในอุณหภูมิที่ติดลบ และหัวปากกาที่แข็งมาก สามารถขีดเขียนลงบนพื้นผิวที่เป็นหินได้ ทางการสหรัฐหมดเงินไปหลายแสนล้านดอลล่าห์ เพื่อสร้างปากกาด้ามนี้ขึ้นมา แต่ภายหลังจีนให้ดินสอนักบินอวกกาศคนละด้าม เพื่อใช้ในการเขียนหินบนดวงจันทร์ ซึ่งสามารถเขียนหินได้เหมือนกัน แต่ราคาถูกกว่าไม่รู้กี่เท่าตัว lol

 

หากเรากำหนดโจทย์ของปัญหาที่จำกัดกรอบความคิดของเราแล้ว ก็ยากที่จะทำให้เราแก้ปัญหาที่ดูเหมือนยาก ให้สำเร็จได้ครับ

 

 

พลังงาน (Energy) ที่ใช้ในการขับเคลื่อนกลไกหุ่นยนต์มีอยู่หลายประเภทด้วยกัน ที่นิยมแพร่หลายมากที่สุดคือพลังงานไฟฟ้า ด้วยเหตุผลที่ว่าสามารถควบคุม “กำลังงาน (Power)” ได้ง่าย นักศึกษาสายวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า กำลังงานคืออัตราการใช้พลังงานต่อหน่วยเวลา เมื่อเราสามารถควบคุมอัตราดังกล่าวได้ กลไกหุ่นยนต์และเครื่องจักรกลอื่นๆ ก็จะสามารถสำแดงสมรรถนะทางพลศาตร์ (Dynamics) ที่สัมพันธ์ระหว่าง มวล ความเร็ว และความเร่ง ได้อย่างถูกต้อง พลังงานนั้นมีประโยชน์มาก แต่หากขาดการควบคุมที่เหมาะสมกลับไร้ค่า หรือบางครั้งส่งผลอันตรายยิ่ง ตัวอย่างเช่น การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าต้องมีการควบคุมที่ละเอียดมาก มิฉะนั้นอาจเกิดเหตุเศร้าสลด ดังในกรณี ของเชอร์โนบิล ในโซเวียต และ ทรีไมล์ไอร์แลนด์ ที่มลรัฐเพนซิลวาเนีย สหรัฐอเมริกา

       ในทีมงานหุ่นยนต์สำรวจดาวอังคาร “Ambler” ที่ สถาบันหุ่นยนต์ มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน ออกแบบและสร้างให้องค์การนาซ่า เพื่อนผมคนหนึ่งได้เสนอให้ใช้ Nuclear Fuel ในการป้อนพลังงานให้หุ่นยนต์หกขาขนาดใหญ่ตัวนี้ แน่นอนครับการควบคุมค่อนข้างซับซ้อนและต้องดำเนินไปอย่างอัตโนมัติ เราไม่สามารถใช้ลักษณะการควบคุมภายใต้การดูแลของมนุษย์ (Supervisory Mode) ด้วยเหตุผลสองประการ คือ ไม่เร็วและไม่ละเอียดพอ ที่ว่าไม่เร็วพอนั้นเพราะมนุษย์นั่งบังคับการอยู่ที่ศูนย์ปฏิบัติการฮุสตัน สัณญานวิ่งไปถึงดาวอังคารต้องใช้เวลาอย่างน้อย 17 วินาที ทั้งนี้ยังไม่นับการถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆระหว่างทางอีก เราจึงต้องออกแบบให้หุ่นยนต์สามารถควบคุมการใช้พลังงานด้วยตัวเขาเอง (Autonomous)

 

       วันก่อนผู้บริหาร บริษัทโคโกโร จากประเทศญี่ปุ่น ได้มาหาผมเพื่อหารือสร้างความร่วมมืองานวิจัยกับสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาค สนาม (ฟีโบ้) ด้าน Actroid: Actor(ress) + Humanoid บริษัทนี้มีความสามารถสูงในการออกแบบและสร้างหุ่นยนต์สำหรับงาน Exhibition ต่างๆ ในขณะนี้ได้รับงานกระทรวงวัฒนธรรมของเรา ไปสร้างหุ่นยนต์ ”ยักษ์วัดแจ้ง” ขึ้นที่บูธแสดงผลิตภัณฑ์และผลงานไทยที่นครเซี่ยงไฮ้ หุ่นยนต์ตัวนี้จะมาซักซ้อมที่ อิมแพคเมืองทองปลายเดือน พ.ย. นี้ ผมมีโอกาสได้ชมวิดีโอคลิบแล้ว พบว่าการเคลื่อนไหว ค่อนข้างเป็นธรรมชาติมาก ทั้งนี้คงเป็นเพราะต้นกำลังใช้ระบบลม (Pneumatics) ที่มีการดูดซับพลังงานส่วนเกิน (Damping) ผ่านการอัดตัวของอากาศแล้วกลายเป็นความร้อนไป(Dissipation) หากพิจารณาทางคณิตศาสตร์แล้ว เราจะพบว่ารากของสมการ (Eigen Value) วิ่งหนีจากแกนจินตภาพ(Imaginary Axis)เข้าสู่แกนจริง (Real Axis) ลักษณะการสั่นจึงลดลง ขอให้ท่านผู้อ่านนึกถึงระบบกันกระเทือนของรถยนต์ เวลาโช๊คเสื่อมสภาพเหลือแต่สปริง รถเราจะกระเด้งมาก เพราะสปริง (Stiffness) ดูดและคายพลังงานออกมาในรูปพลังงานจลน์เหมือนเดิม ไม่ทำการ dissipate เป็นความร้อนเช่นโช๊ค อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับการขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ระบบลมนี้เสียงจะดังกว่า และความละเอียดในการเคลื่อนที่ต่ำกว่า

 

      ผมเพิ่งทราบว่า หุ่นยนต์ Repilee ของมหาวิทยาลัยโอซาก้า ที่มีหน้าตาคล้ายมนุษย์ มาก ก็เป็นผลงานออกแบบทางกลของบริษัทนี้เช่นกัน ผมและลูกศิษย์นักศึกษาปริญญาโทสองท่าน กำลังศึกษาผลรวมของอารมณ์ต่างๆที่แสดงออกมาทางหน้าตาหุ่นยนต์ผ่านระบบปัญญา ประดิษฐ์ ซึ่งต้องอาศัยความเชี่ยวชาญของบริษัทในการสร้าง Face Robot ขึ้นมา หากงานวิจัยนี้สำเร็จแล้ว ทางบริษัทจะได้ประโยชน์ด้วย นั่นคือผลิตภัณฑ์หุ่นยนต์ต้อนรับของบริษัท และหุ่นยนต์สำหรับการฝึกฝนการถอนฟัน และ การผ่าตัดอื่นๆ ก็จะมีการตอบสนองได้เสมือนจริงยิ่งขึ้น
แม้ ว่า Damping ช่วยให้การเคลื่อนที่ราบเรียบขึ้น แต่เป็นการสูญเสียพลังงานไปฟรีๆ สำหรับบางกรณี เราก็สามารถใช้ประโยชน์จากสะสมพลังงานแบบสปริง (Stiffness)ได้เช่นกัน ในสมัยที่ผมต้องลงแข่งขันหุ่นยนต์ที่ ปรมาจารย์ด้านหุ่นยนต์ของโลก: Prof. Matthew Mason จัดขึ้นเป็นประจำทุกปีที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน โดยท่านให้หุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยเคเปิลตัวเล็กมาหนึ่งตัว ชุด Tinker Toy คล้ายๆตัวเลโก้ มาหนึ่งชุด โจทย์คือผู้แข่งขันต้องโปรแกรมให้หุ่นยนต์โยนแท่งยางลบไปให้ไกลที่สุด มอเตอร์ตัวนิดเดียว แถมส่งกำลังผ่านเคเบิลอีก คำนวณทางทฏษฎีแล้วไม่มีทางที่หุ่นยนต์จะโยนยางลบไปได้เกินสองเมตรเลยครับ เพื่อนๆผมจาก School of Computer Sciences ที่เก่งก็เก่งจริง คงจะคิดซับซ้อนแบบ John Nash (ศิษย์เก่าในภาพยนตร์เรื่อง “Beautiful Mind”) สามารถโปรแกรมให้โยนไกลได้ถึง 1.8 เมตรเลยที่เดียว

       ผมไม่มีทางสู้ทาง Programming ได้เลยครับ โชคดีที่ผมนั้นมีพื้นฐานได้รับการฝึกฝนอย่างหนักจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระ จอมเกล้า ธนบุรี ให้เข้าใจระบบทางกายภาพ (Physical System) จากการปฎิบัติจริง ระบบทางกายภาพเป็นอนาลอก ผมจึงไม่จำเป็นต้องพึ่งระบบดิจิตอล (Computer Programming) มาจัดการเรื่องพลังงานน้อยๆจากมอเตอร์ตัวเล็กนั้น ซึ่งต้องมีการสูญเสียเพิ่มขึ้นอีกแน่นอน ผมจึงตัดสินใจประกอบ Tinker Toy เป็นเสาสูงห้านิ้ว โดยให้มีความยืดหยุ่นพอประมาณ ต่อจากนั้นเขียนโปรแกรมสองสามบรรทัดสั่งให้หุ่นยนต์หยิบยางลบวางไว้บนเสา แล้วหุ่นยนต์จึงทำการง้างเสาดังกล่าว พลังงานจลน์จึงถูกแปรเกือบทั้งหมด (Integration)ไปเป็นพลังงานศักย์สะสมไว้เสา จนเต็มที่แล้วจึงปลดปล่อยพลังงานทั้งหมดออกมาที่เดียวกับการใช้ง่าม หนังสติ๊ก พลังงานทั้งหมดนี้คือผลคูณของกำลังมอเตอร์กับเวลาที่ง้างเสา มีค่ามากกว่าการทำงานจุดจุดหนึ่งของมอเตอร์หลายเท่านัก
ปรากฏ ว่า ต้องใช้คำว่า “ยิง” แทนคำว่า “โยน” เพราะแท่งยางลบไปได้ไกลถึง 46 เมตร ที่จริงถ้าไม่กระทบผนังห้องเสียก่อน น่าไปได้อีกสัก 3-4 เมตร ผมจึงฟลุ๊กได้เป็น Robot Champion ในปีนั้นครับ

โดย ASTVผู้จัดการออนไลน์ 31 ตุลาคม 2552 09:36 น.

อ่านเพิ่มเติม...

แขนหุ่นยนต์ความเร็วสูง (Hi-speed Robot Hand)

 

ทุกๆครั้งที่เราเห็นหุ่นยนต์ ส่วนใหญ่มันจะค่อยๆเคลื่อนไหว นั่นก็เพราะว่า มันต้องผ่านกระบวนการในการตัดสินใจ ว่าจะเดินหรือเคลื่อนไหวไปทางไหน จะก้าวขาไหนก่อนหรือล้อไหนหมุนก่อน แต่วันนี้ เราจะมาดูหุ่นยนต์ที่เคลื่อนไหวเร็วที่สุดเลยก็ว่าได้ ซึ่งเป็นผลงานของชาวญี่ปุ่น ของคุณ Ishikawa Komuro แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียว

นับว่าเป็นการปฏิวัติวงการอุตสาหกรรมหุ่นยนต์เลยก็ว่าได้ เจ้าอุปกรณ์หลักที่เป็นหัวใจของการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วตัวนี้เป็นของ Sensory Motor  Fusion ซึ่งประกอบไปด้วย multiprocessor system , massively parallel active vision แล้วก็ multifingered hand-arm โดยในภายในเวลา 1 ms ( 0.001 วินาที)  เจ้า Sensory Motor  Fusion มีกระบวนการทำงาน 3 อย่างภายในเวลา 1 ms ได้แก่ กล้องความเร็วสูงจะทำการแปลงสภาวะสิ่งแวดล้อมในโลกแห่งความเป็นจริง เป็นโลกของกุ่นยนต์ซึ่งมันจะนำไปใช้ในการประมวลผลตัดสินใจ ต่อมา sensor หลายๆตัว จะทำการรับข้อมูลจากหลายๆแหล่งข้อมูลเข้า แล้วนำข้อมูลมาประมวลผลแบบขนาน ซึ่งจุดนี้เอง ทำให้การประมวลผลและการตัดสินใจกระทำได้รวดเร็วมาก

ในส่วนของการหยิบจับวัตถุ ที่ปลายนิ้วของแขนกล เค้าจะใช้ Tactile sensor ในการตรวจจับแรงในการบีบจับวัตถุ และยังมีส่วนประกอบอื่นๆที่สำคัญอีกมากมาย ซึ่งผมเองก็ยังไม่ถึงขั้นที่จะอธิบายได้ทุกอย่าง แต่อยากจะเอามาให้เพื่อนๆได้ดูกันไปก่อน

อ่านเพิ่มเติม...