โครงการวิจัยการออกแบบระบบควบคุมและลดการสั่นสะเทือนของแขนกลข้อต่อยึดหยุ่นแบบหลายข้อต่อ
โครงการวิจัยนี้เป็นโครงการที่ได้รับการสนับสนุนจากสถาบันวิจัยและพัฒนาแห่งมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ โดยพัฒนาเทคโนโลยี ที่สามารถนำไปต่อยอดในเชิงพาณิชย์ได้ด้วย โดยมี อ.ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา เป็นหัวหน้าโครงการวิจัย และเป็นนักวิจัย

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง และผู้รับผิดชอบหลักสูตรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ (นานาชาติ)​ ม.เกษตรศาสตร์ วิทยาเขตศรีราชา คณะวิศวกรรมศาสตร์ศรีราชา

งานวิจัยนี้จึงได้ออกแบบหุ่นยนต์และการควบคุมหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อยืดหยุ่น ทั้งในแบบห้องปฏิบัติการ และหุ่นยนต์ที่สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้ ซึ่งจะใช้ระบบควบคุมที่แตกต่างกัน ระบบควบคุมในอุตสาหกรรมจะใช้พวกเซอร์โวมอเตอร์กระแสสลับ ส่วนในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่จะใช้มอเตอร์กระแสตรงเพื่อทำการทดสอบกระบวนการควบคุม

การออกแบบแขนกลแบบยืดหยุ่นนั้นมีการคิดค้นมานานหลายสิบปีแล้ว แต่ยังไม่มีการนำไปใช้ได้จริงในปัจจุบัน เดินจาก มีความซับซ้อนทางด้าน กลไกทำให้เกิดการสั่นสะเทือนระหว่างการเคลื่อนที่และเมื่อต้องการรักษาตำแหน่ง เคยจัดการพื้นที่นั้นก็จะเหลือการสั่นสะเทือนตกค้างหรือ residual vibration ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้หุ่นยนต์ประเภทนี้ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงในอุตสาหกรรม

แต่ในความเป็นจริงแล้วลักษณะของการยืดหยุ่นนั้นจะพบได้ในเครื่องจักรและแขนกลทั่วไปรวมทั้งในอุตสาหกรรมด้วยโดยเฉพาะเมื่อระบบมีขนาดใหญ่มากขึ้น และมีคนตายที่ซับซ้อนมากขึ้นส่วนต่างๆของเครื่องยนต์ไม่ว่าจะเป็นระบบเกียร์ที่คบกันอยู่การมีน้ำมันหล่อลื่น ในแต่ละข้อต่อ การทดเกียร์หลายๆครั้ง จะทำให้เกิดลักษณะของความยืดหยุ่นมากขึ้น และทำให้เกิดการสั่นสะเทือน ซึ่งหากเราไม่พิจารณาการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นนั้น เมื่อนำไปใช้งานจริงก็จะทำให้เกิดการสั่นที่ไม่คาดคิดหรือหากไปตรงกับการสังเคราะห์ความถี่ธรรมชาติก็จะทำให้ชิ้นส่วนต่างๆเกิดความเสียหายขึ้นได้อย่างมาก จะทำให้อายุการใช้งานลดลง

ข้อต่อที่จุดนั้นดูเหมือนมีแต่ผลเสียที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน แต่ในความเป็นจริงนั้นก็ต่อที่จุดนั้นก็ช่วยให้เกิดความสมูทในการขับเคลื่อนขึ้น ทำให้กลไกต่างๆ นั้นไม่ได้รับแรงกระแทกอย่างเต็มที่ การมีน้ำมันหล่อลื่นต่างๆ ช่วยแปลงลดภาระการรับแรงของชิ้นส่วนต่างๆ ทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ นั้นสามารถใช้ได้ทนทานมากยิ่งขึ้น และยังมีประโยชน์ต่อความปลอดภัยของผู้ใช้งานด้วย เนื่องจากการลดการกระแทกจะทำให้การเคลื่อนที่หรือการชนนั้นมีความเสียหายลดลง

ข้อต่อยึดจุดนั้นต้องพิจารณาพฤติกรรมของการเคลื่อนที่ซึ่งสามารถพิจารณาได้ในรูปแบบต่างๆ โดนอดีตที่ผ่านมาในการศึกษาสมการทางคณิตศาสตร์ของข้อต่อยืดหยุ่น ทำให้เราสามารถเข้าใจพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลที่มีลักษณะของข้อต่อยืดหยุ่นได้ โดยการศึกษาจากสมการทางคณิตศาสตร์แบบ first principle ซึ่งมีลักษณะการเคลื่อนที่เหมือนกับ Mass spring damper เป็นการเคลื่อนที่ของกลไกแบบแมคคานิคทางกล

ลักษณะของกลไกนี้ก็จะประกอบไปด้วย absorb แรงด้วยสปริงและแดมเปอร์ การเปลี่ยนพลังงานจลน์ไปอยู่ในรูปพลังงานศักย์ แรงเสียดทานและแรงต้านเกิดขึ้นยังช่วยลดการสั่นสะเทือน

ในการออกแบบแขนกลแบบข้อต่อยืดหยุ่นของหุ่นยนต์ 2 ข้อต่อแบบสการ่า ได้พิจารณาแกนหมุนที่มีข้อต่อยืดหยุ่นแบบ 2 แกน โดยสร้างชุดปฏิบัติการขนาดเล็กเพื่อจำลองการทำงานของหุ่นยนต์ ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์กระแสตรงพร้อมเกียร์ ได้ทำการเขียนโปรแกรมเพื่อลดการสั่นสะเทือนของระบบ

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา / Asst.Prof. Kittipong Yaovaja (D.Eng)
หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง (Head of RAAS research Group)

ลักษณะของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมนั้น เราทำการศึกษาการเคลื่อนที่ทั้ง 2 แบบคือ การศึกษาการเคลื่อนที่แบบเชิงเส้น รายการศึกษาการเคลื่อนที่แบบเชิงมุม

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่แบบเชิงเส้นนั้น กลไกของผู้ยนต์ จะต้องทำการแปลงการเคลื่อนที่การหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้า ให้อยู่ในเชิงเส้น ตัวมอเตอร์ในจะถูกต่อกับระบบลิเนียร์ไกด์และ Linear Screw บังคับให้เกิดการเคลื่อนที่แบบเชิงเส้นเท่านั้น โดยมอเตอร์ก็จะทำการขับเคลื่อน ชุดแขนกล ที่มีมวลน้ำหนัก หลาย 10 กิโลกรัม และมีขนาดจุดยึดเหมือนกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมของ ABB Robot IRB 120 ซึ่งสามารถนำเจ้า Robot อุตสาหกรรมดังกล่าวมาแทนที่ได้

ส่วนการเคลื่อนที่แบบเชิงมุมนั้น เราเรียกว่า revoluted joint เช่นเดียวกับหุ่นยนต์สกาล่าและหุ่นยนต์แบบ 6 แกน โชว์หุ่นยนต์ที่สร้างนั้นออกแบบขึ้นมาใหม่ เป็นหุ่นยนต์แบบสกาล่า ที่มีข้อต่อแบบยึดจุดที่แกนแรกโดยหุ่นยนต์ส่วนใหญ่นั้นจะต้องขับเคลื่อนโหลดที่มีน้ำหนักมากแต่ความเร็วต่ำ ดังนั้นเราจึงใช้ระบบเกียร์มอเตอร์ในการทดรอบของมอเตอร์ลง โดยส่วนใหญ่แล้วเคลียร์ของมอเตอร์ก็จะอยู่ในช่วงประมาณอัตราทด 50-100

ออกแบบและสร้างหุ่นยนต์ SCARA แบบ Flexible Joint บน Flexible Rail ติดตั้งที่คณะวิศวกรรมศาสตร์ศรีราชา ม.เกษตรศาสตร์
– หุ่นยนต์นี้ใช้มอเตอร์อุตสาหกรรมที่ควบคุมด้วยความแม่นยำสูง มีระบบควบคุมแบบเรียลไทม์ สร้างขึ้นมาโดยเครื่องจักร CNC ร่วมกับเครื่องจักรที่มีช่างชำนาญการคอยควบคุม โดยได้ออกแบบลักษณะกลไกการยืดหยุ่นตัวแบบใหม่ เพื่อป้องกันการกระแทกของชิ้นส่วนหุ่นยนต์ และช่วยป้องกันการเกิดอุบัติเหตุกับพนักงานที่ปฎิบัติงานหุ่นยนต์ที่รุนแรง โดยทีมงานกลุ่มวิจัย RAAS ม.เกษตรศาสตร์ (ศรีราชา) #RAAS_KU

อัลบั้ม สร้างหุ่นยนต์ SCARA Flexible

การควบคุมมอเตอร์ทั้งสองตัวนั้นจะเป็นการควบคุมมอเตอร์กระแสสลับ ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่ผลิตและใช้ในโรงงานทั่วไปนำเข้ามาจากญี่ปุ่น โดยผู้ผลิต Sanyo เด็นจิ ซึ่งนิยมใช้มาก ในโรงงานที่ใช้ระบบ automation ทั่วไป ซึ่งในความเป็นจริงแล้วมอเตอร์มันจะมาคู่กับระบบขับเคลื่อนอิเล็กทรอนิกส์ หรือเรียกกันว่าอิเล็กทรอนิกส์ไดรฟ์ ในไดรฟ์นั้นก็จะมีวงจรไฟฟ้า ที่ทำการควบคุมการทำงานของมอเตอร์ เชื่อมต่อกับระบบวัดสัญญาณตำแหน่งของมอเตอร์หรือเรียกกันว่า encoder ซึ่งมีหลายรูปแบบไม่ว่าจะเป็น Absolute Encoder/ incremental Encoder

ความซับซ้อนของตัว Drive ก็จะมีผลกับประสิทธิภาพในการควบคุมการขับเคลื่อน ซึ่งในแต่ละผู้ผลิตก็จะออกแบบวงจรที่แตกต่างกันรวมถึงฟังก์ชั่นการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป เมื่อเราพิจารณาถึงการสั่นสะเทือนของระบบ เราต้องเชื่อมโยงพฤติกรรมของระบบ เข้ากับ ฟังก์ชันการทำงานของ drive ให้ได้หลายโหมด เช่น โหมดตำแหน่ง โหมดความเร็ว และโหมดแรง และทำงานแต่ละโหมดพร้อมกันไปได้

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของมวลใดๆ การสั่นสะเทือนนั้นก็จะขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของความถี่ธรรมชาติ Wn และพฤติกรรมความหน่วง ตามสมการอนุพันธ์อันดับที่ 2 ถ้าเป็นระบบง่ายๆ เราสามารถหาค่าพารามิเตอร์พวกนี้ได้จากลักษณะของระบบเช่น ความยาวข้อต่อ มวลของระบบค่าคงที่ของสปริงและอื่นๆแต่ถ้าเป็นระบบที่ซับซ้อนซึ่งอาจจะมีแรงเสียดทานมาจากหลายส่วนมีการประกอบของชิ้นส่วนหลายชิ้นมีลักษณะรูปร่างของมวลที่ซับซ้อน ซึ่งเราสามารถทำการหาค่าพารามิเตอร์นี้ได้จากการทดลองกับระบบจริง จากการเก็บค่าสัญญาณ input และ output เพื่อมาหาความสัมพันธ์ กับแบบจำลองที่เราสมมุติขึ้นมาอาจจะเป็นแบบจำลองที่เราเลียนแบบมาจากของจริง ซึ่งเป็นหลักการทั่วไปในการทำ System modeling

เมื่อเราทราบพฤติกรรมของระบบแล้ว เราก็สามารถนำพฤติกรรมเหล่านี้มาคำนวณ และทำนายลักษณะการสั่นสะเทือนที่อาจจะเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ และเมื่อเราต้องการลดการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นนั้น เราก็ทำการออกแบบ ระบบควบคุม ที่ทำการ หักล้างการสั่นสะเทือน ที่เกิดขึ้นของระบบ ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี

ได้แก่วิธีการหลีกเลี่ยงพลังงานที่ไปกระตุ้นความถี่ธรรมชาติที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน วิธีนี้ก็จะสามารถลดการสั่นสะเทือนได้ง่าย แต่ก็มีข้อเสียคือ การควบคุมก็จะเป็นไปได้ช้าลงการตอบสนองช้าลงเนื่องจากคำสั่งที่ป้อนนั้นถูกลดทอนพลังงานบางส่วนลงไป เราอาจจะใช้ระบบกรองความถี่ที่เราไม่ต้องการออกไป ที่จะไปกระตุ้นการสั่นสะเทือนเช่นการใช้ตัวกรองความถี่บางช่วงหรือ bandpass filter ในระบบอุตสาหกรรมเองก็จะมีการใช้งานกลุ่มนี้อยู่ เธอทำการ Auto จูนนิ่งระบบครั้งแรกก่อน ปัญหาพฤติกรรมการสั่นสะเทือนของระบบ และทำการกรอก parameter ที่เหมาะสมในการควบคุมนั้นเอง

อีกวิธีนึง ก็จะเป็นวิธีในการ ชดเชยคำสั่งหักล้างการสั่นสะเทือน วิธีนี้ก็จะมีข้อดีก็คือสามารถสั่งงานแขนกลหุ่นยนต์ได้อย่างรวดเร็ว แต่ก็จะต้อง สั่งงานหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ในทิศทางที่แตกต่างกันออกไปหรือตรงกันข้ามเพื่อชดเชยการสั่นสะเทือน ระบบควบคุมที่ใช้กับ Controller แบบนี้ ก็จะต้องมีความเร็วในการตอบสนองกับช่างดี บางครั้งอาจจะต้องเลี้ยงกับ Sensor ภายนอกเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการ control แล้วการเขียนโปรแกรมนั้นก็จะมีความซับซ้อนและความหลากหลายมากกว่า แล้วต้องมีความแม่นยำในการสั่งการระบบควบคุม เพื่อให้เกิดการชดเชยอย่างถูกต้อง

การต่อยอดระบบแขนกลแบบยืดหยุ่นนั้นสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในระบบที่ต้องการความนิ่มนวลในการทำงาน มีของไหลหรือ น้ำมันที่มีความยืดหยุ่นในระบบ หรือการนำไปประยุกต์ใช้งานกับมนุษย์ ซึ่งในปัจจุบันนั้นมีงานอุตสาหกรรมมากมายหลากหลายที่มนุษย์ต้องเข้ามามีส่วนร่วมทำงานกับหุ่นยนต์ในเราเรียกกลุ่มหุ่นยนต์พวกนี้ว่า collaborative robot เสื้อจะต้องการความคิดความซับซ้อนของมนุษย์ในการทำงานบางประเภท ร่วมกับความถูกต้องความแม่นยำทันละเอียดของหุ่นยนต์ ซึ่งปัญหาหลักก็คือหุ่นยนต์นั้น ไม่มีความปลอดภัยในการใช้งานกับมนุษย์ เราต้องสร้างทั้งระบบกลไกที่เหมาะสม ความฉลาดความอัจฉริยะรวมทั้งเซ็นเซอร์ต่างๆที่ติดตั้งภายในหุ่นยนต์ เพื่อทำให้การผลิตนั้นสามารถผลิตงานที่มีความซับซ้อนได้

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา / Asst.Prof. Kittipong Yaovaja (D.Eng)
หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง (Head of RAAS research Group)

ตัวที่สามารถขยายจากหุ่นยนต์ในภาคอุตสาหกรรมมาใช้ในหุ่นยนต์ภาคบริการได้ ซึ่งคาดการณ์ว่าหุ่นยนต์บริการนั้นจะมีการขยายการเติบโตอย่างรวดเร็วกว่า เนื่องจากจะมีหลายธุรกิจที่จะต้องใช้หุ่นยนต์แทนคนในการทำงานในอนาคต นอกเหนือจากกระบวนการผลิตในโรงงาน

ทดสอบหุ่นยนต์ใหม่ที่สร้างขึ้นมา ยังไม่เสร็จดี เป็นหุ่นยนต์ SCARA ยังไม่ได้ติดตั้งปลายแขนกล โดยทีมงานกลุ่มวิจัย RAAS ม.เกษตรศาสตร์ (ศรีราชา) #RAAS_KU

ออกแแบบและขึ้นรูปหุ่นยนต์สการ่าที่ โรงกลึงย่าน บางวัว สมุทรปราการ สำหรับงานวิจัยหุ่นยนต์แขนกลข้อต่อยืดหยุ่น

กระบวนการในการควบคุมที่เหมาะสมนั้นก็จำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้หุ่นยนต์ที่มีความซับซ้อนเหล่านี้นั้นสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องแม่นยำ ไม่เกิดความผิดพลาดต่างๆและยังช่วยลดความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้น

ลักษณะการออกแบบหุ่นยนต์นั้นก็จะทำการร่างโครงร่างหรือแบบ 3 มิติขึ้นมาในโปรแกรม solidwork ขอดูลักษณะการเคลื่อนที่และการทำงานโดยรวมของหุ่นยนต์ การพิจารณามวลในแดนต่างๆ หลังจากนั้นก็ทำการออกแบบระบบข้อต่อยืนจุดซึ่งโดยหลักการนั้นก็จะใช้ระบบลดการสั่นสะเทือนเช่นสปริง ทางคนหรือบางครั้งอาจจะใช้สปริงที่ใช้ลมก็ได้ โดยการเลือกสปริงที่เหมาะสมก็ขึ้นอยู่กับลักษณะของงานแล้วก็ภาระที่ต้องทำการใช้งาน

หุ่นยนต์ Flexible Joint ตัวใหญ่ๆ รับโหลดได้ดี มี 4-5 DOF กำลังผลิต ตอนนี้ใกล้จะเสร็จแล้วครับ แต่ต้องแก้ไขอีกหน่อย ใส่ Sensor Encoder เพิ่ม 2 แกนยึดหยุ่น โดยทีมงานกลุ่มวิจัย RAAS ม.เกษตรศาสตร์ (ศรีราชา) #RAAS_KU

วีดีโอ ตอนทดสอบการเคลื่อนที่

เกี่ยวกับ

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา / K.Yaovaja
หัวหน้ากลุ่มวิจัยวิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูง / RAAS
และผู้รับผิดชอบหลักสูตรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ (นานาชาติ)​ / RASE
คณะวิศวกรรมศาสตร์ศรีราชา เกษตรศาสตร์ วิทยาเขตศรีราชา / KU Sriracha