วิทยาการหุ่นยนต์

วิทยาการหุ่นยนต์ เป็นศาสตร์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่เป็นการบูรณาการกันระหว่างศาสตร์วิทยาการคอมพิวเตอร์ และวิศวกรรมศาสตร์ ศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบ การผลิต การควบคุม และการประยุกต์ใช้งานหุ่นยนต์ จุดประสงค์หลักของวิทยาการหุ่นยนต์คือการออกแบบเครื่องจักรอัจฉริยะที่สามารถช่วยเหลือมนุษย์ในการทำงานในชีวิตประจำวัน สร้างความปลอดภัยในการทำงานของมนุษย์ วิทยาการหุ่นยนต์ประยุกต์ใช้ความรู้ที่เกี่ยวข้องกับ วิศวกรรมข้อมูล, วิศวกรรมคอมพิวเตอร์, วิศวกรรมเครื่องกล, วิศวกรรมไฟฟ้า, วิศวกรรมซอฟต์แวร์, และอื่น ๆ

มือหุ่นยนต์

วิทยาการหุ่นยนต์เป็นการพัฒนาเครื่องจักรที่สามารถทดแทนแรงงานมนุษย์และลอกเลียนแบบกิจกรรมที่มนุษย์ทำ หุ่นยนต์สามารถประยุกต์ใช้ได้ในหลากหลายสถานการณ์ และในการใช้งานหลากวัตถุประสงค์ ในทุกวันนี้หุ่นยนต์จำนวนมากทำงานที่เป็นอันตราย (อาทิเช่น การตรวจสอบวัตถุที่ปนเปื้อนกัมมันตรังสี, การตรวจสอบวัตถุระเบิด และการปลดชนวนวัตถุระเบิด) แปรรูปผลิตภัณฑ์ในโรงงาน รวมไถึงทำงานในสภาวะแวดล้อมที่มนุษย์ไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้เพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ (อาทิเช่น อวกาศห้วงลึก, ใต้มหาสมุทร, ในอุณหภูมิสุดขั้ว หรือทำความสะอาดวัตถุปนเปื้อนสารพิษ) หุ่นยนต์มีรูปร่างที่หลากหลาย หุ่นยนต์บางชนิดออกแบบมาเพื่อจำลองหน้าตาและการเคลื่อนไหวของมนุษย์ ยกตัวอย่างเช่น การเดิน, การวิ่ง, การยกน้ำหนัก, การเรียนรู้การพูด, การจดจำใบหน้า หรือพฤติกรรมอื่น ๆ ที่มนุษย์ทำ หุ่นยนต์จำนวนหนึ่งในปัจจุบันได้รับการออกแบบ โดยได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ เรียกว่า “วิทยาการหุ่นยนต์ชีวภาพ (Bio-inspired Robotics)”

แนวคิดการประดิษฐ์เครื่องจักรที่สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัตินั้น สามารถย้อนไปได้ตั้งแต่สมัยคลาสสิก แต่การวิจัยด้านวิทยาการหุ่นยนต์ที่เป็นระบบเพื่อการใช้งานจริงนั้นไม่ได้มีเริ่มวิจัยที่จริงจัง จวบจนกระทั่งคริสต์ศตวรรษที่ 20 โดยในประวัติศาสตร์ที่ผ่านมา มีการตั้งสมมติฐานจำนวนมากจากทั้งผู้เชี่ยวชาญ นักประดิษฐ์ และวิศวกร ว่าวันหนึ่งหุ่นยนต์จะมีศักยภาพพอที่จะเลียนแบบท่าทางของมนุษย์และจัดการงานต่าง ๆ ได้อย่างที่มนุษย์ทำ ทุกวันนี้ วิทยาการหุ่นยนต์เป็นสาขาวิชาที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วจากปัจจัยขับเคลื่อนทางเทคโนโลยีที่มีการเติบโตที่สูงในต้นศตวรรษที่ 21 มีการวิจัยหุ่นยนต์เพื่อจุดประสงค์ที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นการใช้งานในบ้าน, การใช้งานทางพาณิชย์ และการใช้งานทางการทหาร มีการสร้างหุ่นยนต์จำนวนมากเพื่อทำงานที่เป็นอันตรายสำหรับมนุษย์ อาทิเช่น การปลดชนวนระเบิด, การค้นหาผู้รอดชีวิตในซากปรักหักพังที่ไม่มั่นคง และการสำรวจซากเรือที่จมลงใต้ก้นสมุทร นอกจากนี้ ยังมีการประยุกต์ใช้เครื่องมือหุ่นยนต์ในการช่วยสอนวิชา STEM (วิทยาศาสตร์, เทคโนโลยี, วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์) และปัจจุบันยังมีการวิจัยทางวิทยาการหุ่นยนต์เพื่อจุดประสงค์ทางการแพทย์ โดยเฉพาะเรื่องของนาโนบอท (Nanobot) ที่ใช้ในการรักษาโรคที่รักษาไม่ได้ด้วยยารักษาโรคทั่วไป ซึ่งอาจกลายเป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการแพทย์สมัยใหม่ในศตวรรษที่ 21

วิทยาการหุ่นยนต์ เป็นสาขาวิชาย่อยของวิศวกรรมศาสตร์ที่เกี่ยวกับแนวคิด การออกแบบ การประดิษฐ์ และการควบคุมหุ่นยนต์ สาขาวิชานี้เป็นการบูรณาการความรู้ที่เกี่ยวข้องกับ วิศวกรรมคอมพิวเตอร์, วิทยาการคอมพิวเตอร์ (โดยเฉพาะสาขาปัญญาประดิษฐ์), อิเล็กทรอนิกส์, วิศวกรรมเมคคาทรอนิกส์, นาโนเทคโนโลยี และวิศวกรรมชีวภาพ (Bioengineering)

ความหมายและที่มาของคำว่าวิทยาการหุ่นยนต์

คำว่าวิทยาการหุ่นยนต์ (Robotics) ตามที่สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ได้บัญญัติความหมายไว้ มีความหมายว่า “วิทยาการว่าด้วยการออกแบบ สร้าง และประยุกต์หุ่นยนต์” เป็นคำที่ทับศัพท์จากภาษาอังกฤษคำว่า “Robotics” มีรากศัพท์มาจากคำว่า “Robot” ซึ่งถูกเผยแพร่สู่สาธารณะครั้งแรกโดยนักเขียนขาวเช็กชื่อ คาเรล ชาเปค (Karel Čapek) ในบทละครชื่อ R.U.R. (Rossum's Universal Robots) เผยแพร่ในปี ค.ศ.1920 (พ.ศ. 2463) รากศัพท์ของคำว่า “Robot” มาจากคำภาษาสลาฟว่า “Robota” อันหมายถึง คนรับใช้ บทละครเปิดฉากในโรงงานผลิตเหล่ามนุษย์เทียมที่เรียกว่า “โรบ็อท” สิ่งมีชีวิตที่มีหน้าตาและท่าทางคล้ายมนุษย์ คล้ายกับแนวคิดเรื่องแอนดรอยด์ในปัจจุบัน คาเรล ชาเปค (Karel Čapek) กล่าวว่าเขาไม่ได้เป็นผู้คิดคำดังกล่าว แต่เป็นพี่ชายของเขาชื่อ โยเซฟ ชาเปค (Josef Čapek) จากจดหมายสั้นที่เขาได้เขียนถึง Oxford English Dictionary

อ้างอิงจาก Oxford English Dictionary คำว่า Robotics ถูกใช้ครั้งแรกในหนังสือนวนิยายวิทยาศาสตร์ของไอแซค อาซิมอฟ (Isaac Asimov) ชื่อว่า “Liar!” ตีพิมพ์ในเดือนพฤษภาคม ปี ค.ศ.1941 (พ.ศ. 2484) ในวารสาน โดยต่อมาเขาได้เป็นผู้บัญญัติกฎ 3 ข้อของหุ่นยนต์ อันเป็นแนวคิดที่แพร่หลายในวงการนิยายวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา

การจัดประเภทของหุ่นยนต์

แบ่งตามเวลาที่คิดค้น

• รุ่นที่ 1 หุ่นยนต์แขนกล มีระบบควบคุม (control system) ที่ไม่ซับซ้อน คำตามคำสั่งที่โปรแกรมไว้
• รุ่นที่ 2 หุ่นยนต์ที่เรียนรู้ได้ สามารถเคลื่อนไหวในรูปแบบก่อนหน้า ที่เคยทำโดยผู้ปฏิบัติงานมนุษย์ วิธีการนี้ทำได้ด้วยอุปกรณ์เชิงกล ผู้ควบคุมหุ่นยนต์ทำการเคลื่อนไหวที่ต้องการโดยหุ่นยนต์จะจดจำการเคลื่อนไหวนั้น
• รุ่นที่ 3 หุ่นยนต์ที่มีการควบคุมเซ็นเซอร์ (senserized control) คอมพิวเตอร์ที่ควบคุมการทำงานจะประมวลผลคำสั่งของโปรแกรม และส่งไปยังหุ่นยนต์เพื่อทำการเคลื่อนไหวที่จำเป็น

ตามโครงสร้าง

1. หุ่นยนต์ข้อปล้อง (polyarticulated robot) หุ่นยนต์กลุ่มนี้มีรูปร่างและการกำหนดค่าที่แตกต่างกัน คุณสมบัติทั่วไปคือการอยู่นิ่ง (แม้ว่าจะโปรแกรมการเคลื่อนไหวได้อย่างไม่จำกัด) และมีโครงสร้างเพื่อย้ายองค์ประกอบเทอร์มินัลในพื้นที่ตามพิกัดที่กำหนด โดยมีการทำงานอิสระที่จำกัด หุ่นที่อยู่ในกลุ่มนี้ ประกอบด้วย หุ่นยนต์แขนกล (manipulative robot), หุ่นยนต์อุตสาหกรรม (industria robot) และ หุ่นยนต์ชนิดคาร์ทีเซียน (Cartesian robot) ใช้ในพื้นที่ทำงานที่ค่อนข้างยาว หรือ ดำเนินการกับวัตถุที่มีระนาบสมมาตรแนวตั้ง
2. หุ่นยนต์เคลื่อนที่ (mobile robot) เป็นหุ่นยนต์ที่มีความสามารถในการเคลื่อนที่ที่ดี โดยเคลื่อนที่ด้วยรถยนต์ หรือ แพลตฟอร์ม และติดตั้งระบบหัวรถจักรกลิ้ง (rolling locomotive system) หุ่นยนต์จำพวกนี้เคลื่อนที่ได้โดยการควบคุมระยะไกล หรือ จากข้อมูลเซนเซอร์ที่ตรวจจับจากสภาพแวดล้อม หุ่นยนต์เหล่านี้สร้างประสิทธิภาพในการขนส่งชิ้นส่วนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งในห่วงโซ่การผลิต นำโดยแทร็ก materialized ผ่านการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากระบบวงจรฝังตัวในพื้นดินหรือผ่านแบนด์ที่ตรวจจับข้อมูลด้วยโฟโตอิเล็กทริก หุ่นยนต์จำพวกนี้สามารถหลบสิ่งกีดขวางและมีความฉลาดสูง

3. iCub หุ่นยนต์แอนดรอยด์ในงานนิทรรศกาล Festival Economia 2018

   หุ่นยนต์แอนดรอยด์ (android) เป็นประเภทของหุ่นยนต์ที่มีการออกแบบจากรูปร่าง การเคลื่อนไหว และ พฤติกรรมของมนุษย์ ปัจจุบันหุ่นยนต์แอนดรอยด์ยังมีการพัฒนาน้อยมาก โดยไม่มีประโยชน์ใช้สอยเชิงพาณิชย์ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการวิจัยและทดลอง หนึ่งในแง่มุมที่ซับซ้อนที่สุดของหุ่นยนต์เหล่านี้ ก็คือการเคลื่อนที่แบบสองเท้า ในกรณีนี้ปัญหาหลักคือการควบคุมกระบวนการแบบไดนามิกและประสานงานในเวลาจริง พร้อมกับการรักษาสมดุลของหุ่นยนต์ในเวลาเดียวกัน
4. หุ่นยนต์เลียนแบบสัตว์ หรือ หุ่นยนต์ซูมอร์ฟิก (zoomorphic robot) มีระบบการเคลื่อนที่และการออกแบบที่เลียนแบบการเคลื่อนไหวของสัตว์ (นักวิทยาการหุ่นยนต์บางคนจัดให้แอนดรอยด์ เป็นหุ่นยนต์ซูมอร์ฟิก) หุ่นยนต์ซูมอร์ฟิก แบ่งเป็นสองประเภทหลักคือ เดิน และ ไม่เดิน กลุ่มของหุ่นยนต์ซูมอิกแบบไม่เดินนั้นมีวิวัฒนาการน้อยมาก การทดลองที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่นโดยอาศัยส่วนของทรงกระบอกขอบเอียงตามแกน ควบคู่กับเคลื่อนไหวที่สัมพันธ์กันของการหมุน ในส่วนของหุ่นยนต์ซูมอร์ฟิกที่ใช้การเดินเพื่อการเคลื่อนที่จะมีรูปแบบที่หลากหลายและมีการพัฒนาทดลองกันในวงกว้าง มีจุดประสงค์เพื่อพัฒนาหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนในภูมิประเทศที่หลากหลาย อาทิ พื้นผิวขรุขระ พื้นผิวที่เป็นแอ่งโคลน หุ่นยนต์เหล่านี้มีศักยภาพด้านการสำรวจอวกาศและในการศึกษาภูเขาไฟ
5. หุ่นยนต์ไฮบริด (hybrid robot) หุ่นยนต์เหล่านี้จำแนกประเภทได้อย่างยากลำบาก มีการวางโครงสร้างที่เป็นการรวมกันของหุ่นยนต์หลายประเภท ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ที่มีการเคลื่อนไหวคล้ายสัตว์และมีล้อเคลื่อนที่ เป็นหนึ่งในคุณลักษณะของหุ่นยนต์เคลื่อนที่และหุ่นยนต์ซูมอร์ฟิก เป็นต้น

ประวัติศาสตร์วิทยาการหุ่นยนต์

ในปี ค.ศ.2482 นายนอร์เบิร์ต วีเนอร์ (Norbert Wiener) นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้บัญญัติหลักการของไซเบอร์เนติกส์ (Cybernatics) อันเป็นพื้นฐานของสาขาวิชาวิทยาการหุ่นยนต์ในเวลาต่อมา

หุ่นยนต์ระบบอัตโนมัติเพิ่งจะมีปรากฏในช่วงหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 20 หุ่นยนต์ดิจิทัลตัวแรกที่สามารถโปรแกรมได้ด้วยระบบคอมพิวเตอร์มีชื่อว่า “Unimate” ติดตั้งในปี ค.ศ.1961 (พ.ศ. 2504) เพื่อใช้ยกแท่งเหล็กร้อนมาวางทับกันเป็นกอง จากเครื่องฉีดอะลูมิเนียม (Die Casting Machine) ในปัจจุบันมีการใช้หุ่นยนต์เพื่อการพาณิชย์และอุตสาหการอย่างแพร่หลายเพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพ รวดเร็วกว่า มีคุณภาพมากกว่า และราคาถูกกว่าแรงงานมนุษย์ หุ่นยนต์ถูกใช้ในการทำงานที่สกปรก, อันตราย, หรือไม่สามารถทำให้ประสบผลสำเร็จได้โดยมนุษย์ หุ่นยนต์มีการออกแบบอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตสินค้าในโรงงานอุตสาหกรรม, การประกอบชิ้นส่วนยานยนต์, การบรรจุภัณฑ์, การทำอุตสาหกรรมเหมืองแร่, การขนส่ง, การสำรวจอวกาศและพื้นผิวโลก, การผ่าตัด, การสงคราม, การวิจัยในห้องปฏิบัติการ, การรักษาความปลอดภัย และการแปรรูปสินค้าจำนวนมาก (Mass Production) เพื่อจำหน่ายสำหรับผู้บริโภคในเชิงพาณิชย์

ปี ค.ศ.	เหตุการณ์	ชื่อหุ่นยนต์	ผู้ประดิษฐ์
300 ปีก่อนคริสตกาล	เอกสารลายลักษณ์อักษรแรกที่กล่าวถึงวิทยาการหุ่นยนต์ปรากฏในคัมภีร์ลัทธิเต๋าภาษาจีนชื่อ เลี่ยจื่อ (Lie Zi) ในการพบกันระหว่างอุปราชมู่แห่งแคว้นโจว(Mu of Zhou) และวิศวกรเครื่องกลชื่อว่า หยานซี (Yan Shi) ในเอกสารได้มีการบันทึกว่าหยานซีได้แสดงสิ่งประดิษฐ์รูปร่างคล้ายมนุษย์ให้แก่อุปราชได้ชม		หยานซี (ภาษาจีน: 偃师, ภาษาอังกฤษ: Yan Shi)
400 ปีก่อนคริสตกาล	มีการประดิษฐ์นกไม้ที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ ซึ่งมีความสามารถในการบิน	พิราบบิน	อาร์คีตัสแห่งทาเรนตุม (Archytas of Tarentum)
คริสต์ศตวรรษที่ 1	แฮรอนแห่งอเล็กซานเดรีย (Heron of Alexandria) ได้บรรยายถึงเครื่องยนต์มากกว่า 100 ชนิด อาทิ เครื่องพ่นไฟ, เครื่องหยอดเหรียญ, เครื่องดนตรีจากแรงลม และเครื่องจักรไอน้ำ ในหนังสือชื่อ “Pneumatica and Automata”		Ctesibius, Philo of Byzantium, Heron of Alexandria, และอื่น ๆ
1206	อัลจาซารี (Al-Jazari) วิศวกรมุสลิม ได้ประดิษฐ์หุ่นยนต์วงดนตรีมนุษย์ที่สามารถโปรแกรมได้ ขับเคลื่อนด้วยการไหลของน้ำ	วงดนตรีมนุษย์กล, ที่ล้างมือกล, หุ่นยนต์นกยูงที่เคลื่อนที่เองได้	Al-Jazari
1495	การออกแบบหุ่นยนต์มนุษย์	อัศวินจักรกล	Leonardo da Vinci
1738	เป็ดกล ที่สามารถกิน, กระพือปีก และขับถ่าย	Digesting Duck	Jacques de Vaucanson
1898	นิโคลา เทสล่า (Nikola Tesla) นำเสนอเรือบังคับลำแรกที่ใช้สัญญาณวิทยุในการบังคับ	Teleautomaton	Nikola Tesla
1921	มีการเผยแพร่ตัวละครมนุษย์กลพวกแรกสู่สาธารณะ มีชื่อว่า โรบอท ในบทละครชื่อ R.U.R.	Rossum's Universal Robots	Karel Čapek
ทศวรรษที่ 1930s	การจัดแสดงหุ่นยนต์มนุษย์ (Humanoid Robot) ในปี ค.ศ.1939 และ 1940	Elektro	Westinghouse Electric Corporation
1946	คอมพิวเตอร์ดิจิทัลเครื่องแรก	Whirlwind	Multiple people
1948	หุ่นยนต์ที่แสดงพฤติกรรมแบบง่าย ๆ ของสิ่งมีชีวิต	Elsie and Elmer	William Grey Walter
1956	หุ่นยนต์เชิงพาณิชย์ตัวแรก จากบริษัท Unimation ก่อตั้งโดย George Devol และ Joseph Engelberger จดสิทธิบัตรในชื่อของ George Devol	Unimate	George Devol
1961	หุ่นยนต์ตัวแรกที่ประดิษฐ์เพื่อใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม	Unimate	George Devol
1967	หุ่นยนต์มนุษย์อัจฉริยะ (Android) ตัวแรก สามารถเดินได้ จับสิ่งของได้ด้วยมือ ใช้เซนเซอร์ตรวจจับสิ่งของ สามารถวัดระยะห่างและทิศทางได้ด้วย External Receptor, ตาเทียม และหูเทียม สามารถสนทนากับมนุษย์ในภาษาญี่ปุ่นได้ด้วยปากจำลอง	WABOT-1	มหาวิทยาลัยวาเซดะ
1971	หุ่นยนต์โซเวียตตัวแรกลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคาร แต่เสียการควบคุมหลังจอดลงพื้นผิวได้ไม่ถึง 10 วินาที	Mars 3	สหภาพโซเวียต
1973	หุ่นยนต์อุตสาหกรรมตัวแรกที่มีแกน 6 แกนที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า	Famulus	KUKA Robot Group
1974	หุ่นยนต์ตัวแรกของโลกที่สามารถควบคุมได้ด้วยคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก (Microcomputer) ดีไซน์การออกแบบหุ่นยนต์ได้รับการจดสิทธิบัตรในปี ค.ศ.1972	IRB 6	ABB Robot Group
1975	หุ่นยนต์แขนกลที่สามารถโปรแกรมได้หลากหลายในการใช้งาน โดยบริษัท Unimation	PUMA	Victor Scheinman
1976	หุ่นยนต์ตัวแรกบนดาวอังคาร (สัญชาติอเมริกัน)	Viking I	NASA
1978	ภาษาโปรแกรมสำหรับหุ่นยนต์ภาษาแรกที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถตรวจจับตำแหน่ง, รูปร่าง และเสียง	Freddy I และ II, ภาษาโปรแกรมหุ่นยนต์ RAPT	Patricia Ambler และ Robin Popplestone
1982	The complete robot ชุดหนังสือนิยายไซไฟของ ไอแซค อซิมอฟ (Isaac Asimov) ได้การเพิ่มกฏของหุ่นยนต์ข้อที่ 0 ลงไปในกฎ 3 ข้อของหุ่นยนต์ เพิ่มทำให้กฎของหุ่นยนต์มีความซับซ้อนและมีความถูกต้องทางจริยธรรมที่สูงขั้น	Robbie, SPD-13 (Speedy), QT1 (Cutie), DV-5 (Dave), RB-34 (Herbie), NS-2 (Nestor), NDR (Andrew), Daneel Olivaw	ไอแซค อาซิมอฟ
2011	หุ่นยนต์ที่เดินสองขา และมีปฏิกิริยากับผู้คนได้	Asimo	ฮอนด้า
2014	หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่จดจำใบหน้า จดจำคำพูด และ แสดงอารมณ์ความรู้สึกได้	Sophia	Hanson Robotics Co. Ltd

ลักษณะของหุ่นยนต์ 3 ประการ

หุ่นยนต์มีหลายประเภทสำหรับใช้งานในภูมิประเทศที่หลากหลายและสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน แม้ว่าหุ่นยนต์จะมีความหลายหลายในการใช้งานและรูปร่าง โครงสร้างของหุ่นยนต์ทั้งหมดจะมีความเหมือนกันอยู่ 3 ด้าน ประกอบด้วย:

เครื่องกลของหุ่นยนต์ ช่วยให้หุ่นยนต์แก้ปัญหาที่เผชิญในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

1. ด้านเครื่องกล: หุ่นยนต์ทั้งหมดสร้างขึ้นจากเครื่องกล มีรูปทรงการออกแบบสำหรับทำงานใดงานหนึ่งให้สำเร็จ   อาทิ หุ่นยนต์ที่ออกแบบสำหรับการเคลื่อนที่บนพื้นผิวที่มีฝุ่นหนา อาจใช้ตีนตะขาบในการเคลื่อนที่ ลักษณะทางเครื่องกลดังกล่าวมากจากการที่ผู้ประดิษฐ์ต้องการทำงานให้สำเร็จโดยคำนึงถึงฟิสิกส์ของสภาพแวดล้อมโดยรอบ กล่าวคือรูปร่างหุ่นยนต์มีปัจจัยจากหน้าที่การใช้งาน

2. วงจรดิจิทัล (Digital Circuit) สำคัญมากต่อการทำงานของระบบต่าง ๆ ในหุ่นยนต์

   ด้านไฟฟ้า: หุ่นยนต์มีส่วนประกอบทางไฟฟ้าสำหรับการให้พลังงานขับเคลื่อนและควบคุมกลไกภายใน อาทิ หุ่นยนต์ตีนตะขาบต้องมีแหล่งพลังงานเพื่อที่จะเคลื่อนที่ พลังงานที่ว่าอยู่ในรูปของไฟฟ้าที่วิ่งผ่านสายลวดไฟฟ้า มีต้นกำเนิดจากแบตเตอร์รี่ เป็นวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย แม้แต่เครื่องจักรที่ใช้น้ำมันก็ยังต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการทำให้เกิดกระบวนการสันดาป เป็นสาเหตุที่ว่าทำไปเครื่องจักรที่ใช้น้ำมันอย่างรถยนต์ ถึงต้องมีแบตเตอร์รี่ ในด้านไฟฟ้าของหุ่นยนต์มีประโยชน์ในการเคลื่อนที่ (โดยใช้มอเตอร์), การตรวจจับเซนเซอร์ (เมื่อมีการวัดสัญญาณทางไฟฟ้า อาทิ ความร้อน, เสียง, พิกัด และสถานะพลังงาน) และการควบคุม (หุ่นยนต์ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อทำให้มอเตอร์และเซนเซอร์มีการทำงาน)
3. ด้านโปรแกรม: หุ่นยนต์ต้องมีการใช้ภาษาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ในการทำงาน โปรแกรมคือวิธีการที่หุ่นยนต์ตัดสินใจว่าจะทำอะไร อย่างไร เมื่อไหร่ ยกตัวอย่างเช่น ในหุ่นยนต์ตีนตะขาบ การที่หุ่นยนต์จะเคลื่อนที่ผ่านถนนลูกรังอาจต้องมีการปรับโครงสร้างเครื่องกลและรับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสมจากแบตเตอร์รี่ แต่หุ่นยนต์จะไม่มีการขยับเขยื้อนเลยหากไม่มีการโปรแกรมมันให้เคลื่อนไหว โปรแกรมคือหัวใจสำคัญของหุ่นยนต์ หุ่นยนต์อาจมีโครงสร้างและวงจรไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แต่หากโปรแกรมของหุ่นยนต์มีการออกแบบสั่งการที่ไม่มีประสิทธิภาพ งานที่หุ่นยนต์ทำได้จะไม่สัมฤทธิ์ผลตามที่คาดหมาย หรือไม่มีการทำงานเลยแม้แต่น้อย โปรแกรมหุ่นยนต์มีอยู่ 3 แบบ: ควบคุมระยะไกล (Remote Control), ปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence) และแบบลูกผสม (Hybrid) โปรแกรมควบคุมระยะไกลมีคำสั่งที่ติดตั้งไว้และจะทำงานเมื่อได้รับสัญญาณจากแหล่งควบคุม อาทิ มนุษย์ที่ควบคุมอุปกรณ์รีโมทคอนโทรล เครื่องมือที่ถูกควบคุมโดยมนุษย์จะถูกมองว่าเป็นเรื่องของระบบอัตโนมัติ มากกว่าที่จะเป็นเรื่องวิทยาการหุ่นยนต์ หุ่นยนต์ที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์จะมีการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมด้วยตัวเองโดยไม่ต้องมีแหล่งควบคุม และสามารถตัดสินใจแก้ปัญหาที่พบด้วยโปรแกรมที่ติดตั้งไว้ ส่วนหุ่นยนต์ลูกผสมสามารถตัดสินใจได้เองจากโปรแกรมที่ตั้งไว้ เป็นการผสานกันระหว่างโปรแกรมสองแบบ AI และ RC

ส่วนประกอบ

แหล่งพลังงาน

ในปัจจุบัน แบตเตอร์รี่คือแหล่งพลังงานส่วนใหญ่ของหุ่นยนต์ มีตั้งแต่แบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดที่มีความปลอดภัยสูงและมีอายุในการใช้งานที่ยาวนาน แต่มีน้ำหนักมาก ไปจนถึงแบตเตอร์รี่แบบเงิน-แคดเมียมที่มีขนาดเล็กกว่าแต่มีราคาแพง การออกแบบหุ่นยนต์ที่ใช้แบตเตอร์รี่ต้องมีการคำนึงถึงปัจจัยด้านความปลอดภัย, อายุการใช้งาน และน้ำหนัก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า อาทิ เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combusion engine) ก็สามารถนำมาใช้ในหุ่นยนต์ได้เช่นกัน แต่การออกแบบกลไกการทำงานจะมีความซับซ้อนและต้องใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อน ต้องมีการระบายความร้อน และจะมีน้ำหนักมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับหุ่นยนต์ที่ใช้แบตเตอร์รี่ การโยงสายไฟเข้ากับหุ่นยนต์จะช่วยให้หุ่นยนต์ไม่ต้องมีเซลล์ไฟฟ้าหรือเครื่องสันดาบในตัวเครื่อง ทำให้มีข้อได้เปรียบในเรื่องน้ำหนักที่เบาและลดขนาดหุ่นยนต์ อย่างไรก็ตามการออกแบบนี้จะทำให้หุ่นยนต์ต้องมีสายเคเบิลโยงกับตัวเครื่องอยู่ตลอดเวลา

หุ่นยนต์สำรวจดาวอังคาร InSight ของ NASA ใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยเซลล์สุริยะในการทำงานที่ห่างไกลบนพื้นผิวของดาวอังคาร

แหล่งพลังงานอื่น ๆ ที่มีความเป็นไปได้ในอนาคต:

• แก๊สอัดแน่น
• เซลล์สุริยะ
• ไฮโดรลิกส์ (ของเหลว)
• ขยะชีวภาพ (โดยการย่อยสลายอาหารของแบคทีเรีย)
• นิวเคลียร์

ตัวกระตุ้น

ตัวกระตุ้น (Actuator) คือมอเตอร์ที่รับผิดชอบสำหรับการเคลื่อนไหวหรือการควบคุมกลไกหรือระบบ ทำงานเสมือนกล้ามเนื้อของหุ่นยนต์ด้วยพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงาน จากนั้นก็แปลงพลังงานนั้นให้เป็นการเคลื่อนไหว อาทิเช่น กระตุ้นให้หัวพิมพ์ฉีดสีออกมา หรือกระตุ้นให้ก้ามปูเบรกจับเข้ากับล้อ เป็นต้น ปัจจุบัน ตัวกระตุ้นไฟฟ้าแบบวงล้อ, แบบเกียร์ และแบบเส้นตรง (Linear actuator) นิยมใช้กันในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ปัจจุบันนี้เริ่มมีการนำตัวกระตุ้นแบบใหม่เข้ามาใช้งาน อาทิ แรงดันอากาศ, สารเคมี, แรงดันไฮโดรลิกส์ เป็นต้น

เซนเซอร์

เซนเซอร์ (Sensor) ทำให้หุ่นยนต์สามารถรับข้อมูลการวัดค่าจากสิ่งแวดล้อม หรือ ส่วนประกอบที่อยู่ภายในหุ่นยนต์ ซึ่งจำเป็นอย่างมากในการทำงานของหุ่นยนต์ และ ตอบสนองกับสิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนไปด้วยการคำนวณที่เหมาะสม การวัดค่าจากเซนเซอร์ทำไปเพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย เช่น การเตือนภัยด้านควมปลอดภัยจากสิ่งแวดล้อมและความผิดพลาดของระบบภายใน และ เพื่อรับข้อมูลเกี่ยวกับงานที่หุ่นยนต์ทำแบบเรียลไทม์

แขนกล

หุ่นยนต์เรือใบอัตโนมัติ Vaimos

ในสาขาวิทยาการหุ่นยนต์ (Manipulator) คือเครื่องมือในการเคลื่อนสิ่งของโดยที่ผู้ควบคุมไม่ต้องสัมผัสโดยตรง แขนกลหุ่นยนต์มีการใช้งานที่หลากหลายในปัจจุบัน อาทิ การเชื่อมโลหะ, การผ่าตัด และ การประกอบชิ้นส่วนยานยนต์

การตอบสนองกับสภาพแวดล้อมและการนำทาง

หุ่นยนต์ส่วนมากในปัจจุบันใช้มนุษย์ควบคุมและทำงานในพื้นที่สภาวะแวดล้อมที่จำกัด อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน เริ่มมีการใช้หุ่นยนต์ที่สามารถทำงานและเคลื่อนที่ในพื้นที่ ๆ กว้างขวางและหลากหลายแบบ หุ่นยนต์ประเภทนี้จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์สำหรับการนำทาง สำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายเหล่านั้น การทำงานของหุ่นยนต์เหล่านี้อาจถูกขัดขวางได้เมื่อมีสิ่งกีดขวางที่ไม่ได้โปรแกรมไว้ หุ่นยนต์ที่มีความซับซ้อน อาทิเช่น ASIMO และ Meinü robot  มีความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์สำหรับการนำทาง มากกว่าหุ่นยนต์ทั่วไป รวมไปถึงรถยนต์ไร้คนขับ, หุ่นยนต์รถอัตโนมัติ และ DARPA Grand Challenge มีเซนเซอร์ตรวจจับสภาวะแวดล้อมที่ดี สามารถนำทางได้โดยใช้ข้อมูลที่ได้รับ หุ่นยนต์ประเภทนี้มีระบบ GPS หรือ เรดาร์ระบุตำแหน่ง พร้อมกับอุปกรณ์เซนเซอร์เก็บข้อมูลอื่น อาทิ กล้องวิดีโอ ไลดาร์ และ ระบบนำทางเฉื่อย (inertial navigation system) สำหรับการนำทางที่ดีขึ้นระหว่างพิกัดสองจุด

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์

การรับคำสั่งที่ซับซ้อนจากมนุษย์ หุ่นยนต์จำเป็นที่จะต้องมีระบบประสาทสัมผัสที่ชาญฉลาด เพื่อให้หุ่นยนต์ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมนอกโรงงานอุตสาหกรรม การมีหุ่นยนต์ที่มนุษย์สามารถออกคำสั่งได้มีความสำคัญอย่างยิ่ง การมีปฏิสัมพันธ์กับหุ่นยนต์ต้องมีความง่ายในการใช้งาน ต้องสามารถสั่งงานหุ่นยนต์ได้โดยคนที่ไม่มีความรู้ทางหุ่นยนต์ ในนวนิยายวิทยาศาสตร์ นักเขียนนิยายมักจะจินตนาการให้หุ่นยนต์สามารถสื่อสารกับมนุษย์ด้วยท่าทาง คำพูด และ การแสดงออกทางสีหน้า แทนการเขียนโปรแกรมด้วยโค้ด ใช้การพูดโดยใช้ภาษาธรรมชาติแบบมนุษย์ ไม่ใช่ธรรมชาติโดยพื้นฐานของหุ่นยนต์ การที่หุ่นยนต์จะตอบโต้ได้แบบมนุษย์จริง ๆ แบบในภาพยนตร์ไซไฟ เช่น ตัวละคร C-3PO ใน สตาร์ วอร์ส หรือ ผู้การเดต้า ใน Star Trek แม้อาจใช้เวลาในการพัฒนาอีกยาวนาน แต่หุ่นยนต์แบบนี้มีความเป็นไปได้ที่จะมีการใช้งานอย่างแพร่หลายโดยทั่วไปในอนาคต

หน่วยงานและชมรมทางด้านหุ่นยนต์ในไทย

• สมาคมวิชาการหุ่นยนต์ไทย 2020-01-21 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• สำนักงานเครือข่ายวิจัยประยุกต์ทางเทคโนโลยีหุ่นยนต์และชีวการแพทย์ (Bart lab) มหาวิทยาลัยมหิดล
• สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
• ชุมนุมหุ่นยนต์ irap robot มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ 2014-07-09 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Engineer Robot Club-KMITL 2009-02-17 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• ชมรมนักประดิษฐ์วิศวกรรม คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
• เว็บไซต์ ของผู้เริ่มต้นเรียนรู้หุ่นยนต์เพื่อการศึกษา

ดูเพิ่ม

• หุ่นยนต์
• อาซิโม
• คิวริโอ
• หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์
• กฎ 3 ข้อของหุ่นยนต์
• โรโบคัพ
• การแข่งขันออกแบบหุ่นยนต์ระหว่างประเทศ
• เอบียูโรบอตคอนเทสต์
• ทฤษฎีระบบควบคุม
• เมคคาทรอนิกส์

อ้างอิง

1. International classification system of the German National Library (GND) https://portal.dnb.de/opac.htm?method=simpleSearch&cqlMode=true&query=nid%3D4261462-4
2. . คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-10-12. สืบค้นเมื่อ 2007-08-26.
3. ตัวอย่างหุ่นยนต์ชีวภาพที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ: https://www.thairobotics.com/tag/bio-inspired/
4. Nocks, Lisa (2007). The robot : the life story of a technology. Westport, CT: Greenwood Publishing Group.
5. Carne, Nick (March 8, 2019). "Researchers make a million tiny robots". Cosmos Magazine. Retrieved March 8, 2019.
6. Arreguin, Juan (2008). Automation and Robotics. Vienna, Austria: I-Tech and Publishing.
7. «Poliarticulados - ROBOTICA». sites.google.com. Consultado el 3 de abril de 2018.
8. http://everything2.com/index.pl?node=android
9. Werness, Hope B. (2004). The Continuum encyclopedia of animal symbolism in art. New York: Continuum. ISBN 0-8264-1525-3. OCLC 52838305.
10. Robotic Industries Association (2020). Unimate - The First Industrial Robot. ค้นหาวันที่ 14 พฤษภาคม พ.ศ. 2563
11. https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_3
12. https://en.wikipedia.org/wiki/Viking_1
13. Mason, Matthew T. (2001). "Mechanics of Robotic Manipulation". doi:10.7551/mitpress/4527.001.0001.