อุปกรณ์สำหรับทดลองทำหุ่นยนต์ เช่น เฟืองพลาสติก, เฟืองเหล็ก, สายพาน, โซ่ขนาดเล็ก, เฟืองสำหรับสายพานและโซ่, มอเตอร์ พร้อมเฟืองเกียร์ทดรอบต่ำ สามารถไปหาซื้อได้ที่บ้านหม้อพลาซ่า หรือคลองถม และศูนย์าการค้าวรจักร(ตึกสูง ข้างโรงพยาบาลกลาง) (เนื้อที่โฆษณาฟรี เพื่อสนับสนุนนักประดิษฐ์หน้าใหม่ ใครมีอะไรดีๆ ถูกๆ สำหรับนักประดิษฐ์ แจ้งมาได้)

แนวความคิดในการสร้างหุ่นยนต์เดิน
โดย ณรงค์ เวศนารัตน์

เพื่อเป็นการให้แนวความคิด แก่ผู้สนใจเรื่องหุ่นยนต์เดิน แต่ยังไม่มีเวลาศึกษาค้นคว้ามากนัก เพื่อประหยัดเวลา ในการสร้างเพื่อศึกษาหรือเพื่อแข่งขัน ผู้เขียนได้ออกแบบหุ่นยนต์เดินเป็นตัวอย่างไว้หนึ่งแบบ เพื่อให้ใช้ไมโครคอมพิวเตอร์แผ่นพิมพ์เดี่ยวทั่วไปควบคุมได้ หุ่นยนต์เดินตัวอย่างที่ออกแบบไว้นี้ ได้เลือกแบบที่สร้างค่อนข้างง่ายที่สุด จากหลายๆ แบบที่มีผู้สร้างเข้าแข่งขันมาแล้ว เพื่อไม่ให้ผู้สร้าง ต้องมีกังวลกับกลไกที่ซับซ้อนมากเกินไป และค่าใช้จ่ายเฉพาะกลไกไม่รวมวงจรควบคุมไม่น่าจะเกิน 500 บาท สามารถใส่ขาได้ทั้งแบบเป็นลวดสปริง(ที่ยังไม่ได้ขดเป็นสปริง) ดังรูปข้างล่าง ซึ่งเดินได้โดยการยกขาไปตามการหมุนของเพลา แบบนี้เส้นทางเดินของเท้าจะเป็นวงกลม และตัวถังจะยกเคลื่อนขึ้นลง ไปข้างหน้า เป็นครึ่งวงกลมต่อเนื่องกันไป อีกแบบหนึ่ง แสดงอยู่ในรูปด้านบน ใช้ไม้เจาะรูดังรูปทำขา มีแกนบังคับมุมก้าวขาอยู่ด้านบน แบบนี้จะเดินลักษณะคล้ายสัตว์ก้าวขา ก้าวจะยาวกว่า และเส้นทางเดินของเท้าจะเป็นวงรี คล้ายธรรมชาติมากกว่า
อุปกรณ์ที่จำเป็น
จากภาพประกอบ อุปกรณ์ที่จำเป็นมีดังนี้
เฟืองพลาสติกหรือเฟืองเหล็ก
ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากัน ประมาณ 5 ซม. 6 อัน ที่แสดงไว้ที่ A B C ในรูป เป็นเฟืองด้านขวาเท่านั้น ด้านซ้ายมีเท่ากัน เฟืองเหล่านี้ ทำหน้าที่ถ่ายกำลัง จากขาคู่หน้าไปคู่หลัง โดยเฟืองหน้าและหลัง ต้องหมุนไปทางเดียวกัน ด้วยความเร็วเท่ากัน ถ้าไม่มีเฟืองอาจใช้โซ่ หรือสายพานที่มีร่องตามขวางกันลื่น ที่เข้ากับล้อสายพานแบบเดียวกันก็ได้
M1 มอเตอร์ดีซีขนาดเล็ก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 3 ซม. พร้อมเฟืองทด ให้รอบประมาณ 50-100 RPM ใช้ถ่าน 9 โวลท์ 1 ตัว สำหรับขับเพลาขาคู่หน้า การถ่ายกำลังจากมอเตอร์ไปเพลา อาจใช้สายพานหรือโซ่ก็ได้ ถ้าใช้โซ่ขนาดเล็กได้จะดีกว่า แต่ต้องทำให้ล้อสายพานหรือเฟืองโซ่ที่ขับนี้ เลื่อนซ้ายขวาได้เพื่อให้เลี้ยวได้
M2 เป็นมอเตอร์ดีซี ขนาดเล็กประมาณ M1 แต่ไม่จำเป็นต้องมีเฟืองทด ใช้ต่อเข้ากับสกรู M3 หรือ M4 ทำเป็น lead screw สำหรับผลักล้อสายพานที่ใช้ขับขาทั้งแปด โดยให้วางล้อสายพานอยู่กลางสำหรับเดินหน้า ถ้าผลักไปชิดขวาจะเลี้ยวซ้าย ชิดซ้ายจะเลี้ยวขวา โดยทำแกนล้อสายพานให้เป็นกระบอกสรวมบนเพลาขับขาทั้งซ้ายขวา (อาจใช้ท่อพลาสติกขนาดเล็ก) จุดประสงค์เพื่อทำให้ขาทั้งซ้ายขวา หมุนไปข้างหน้าพร้อมๆ กัน(synchronize)เวลาเดินตรง ดีกว่าใช้มอเตอร์หมุนขาคู่ซ้ายและขวา สองตัวแยกกัน เพราะอาจหามอเตอร์ที่ความเร็วเท่ากันได้ยาก ทำให้หุ่นเดินตรงไม่ได้ (ยกเว้นเดินตามเส้นนำทางที่มีการปรับทิศทางตลอดเวลา) กลไกการเลี้ยวนี้ จะทำงานคล้ายๆ รถตีนตะขาบ คือข้างใดข้างหนึ่งจะหยุดหมุน ปล่อยให้อีกข้างหมุนหรือก้าว เพื่อให้เลี้ยวได้ ขาต้องทำให้อ่อนไหวได้พอประมาณ เพื่อให้บิดตัวได้เล็กน้อย ขณะเลี้ยว โดยใช้เหล็กสปริงขนาดเล็ก ที่รับน้ำหนักตัวหุ่นได้ โดยไม่โอนเอนขณะเดินตรง
S1 S2 S3 เป็นตัวตรวจจับตำแหน่ง ของตัวผลักล้อสายพาน (แสดงในรูปเป็นแท่งสีเขียวเล็กๆ 3 แท่ง) โดยให้ไมโครคอมพิวเตอร์ตรวจสอบว่า M2 หมุนตรงตำแหน่งซ้าย กลาง หรือ ขวา ตามต้องการแล้วหรือยัง ถ้าตรงแล้วก็สั่งหยุดมอเตอร์ M2 ได้ ตัวตรวจจับนี้อาจใช้ limit switch หรือจะเป็นกลไกที่ไปกดสวิทซ์ขนาดเล็กธรรมดาก็ได้ ระยะห่างของสวิทซ์อาจต้องมีการขยายให้มากกว่าจากในภาพ เพื่อให้คอมพิวเตอร์สั่งM2 ให้หยุดได้ทันตรงตำแหน่ง
วงจรควบคุมมอเตอร์

วงจรที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ อาจสร้างได้ด้วยทรานซิสเตอร์ 2-4 ตัวต่อมอเตอร์ 1 ตัว โดยไม่ต้องใช้ Op Amp ใดๆ ก็ได้ แต่ต้องทำให้ไมโครคอมพิวเตอร์สามารถสั่งหมุนซ้ายขวาได้ สำหรับระดับมัธยมซึ่งใช้วิธีเดินตามเส้นสีขาว อาจใช้วงจรแบบมอเตอร์หมุนทางเดียว และทำงานเพียงหมุนหรือหยุดหมุนก็น่าจะพอเพียง ไม่ต้องถอยหลัง วงจรดังกล่าวมีตัวอย่างแสดงอยู่บางส่วนข้างบนนี้ แต่ต้องระวังว่า M1, M2 ในวงจรไม่ใช่ M1, M2 ในรูปหุ่นยนต์ แต่เป็นมอเตอร์ที่ใช้หมุนขาซีกซ้ายขวาที่แยกอิสระจากกัน ถ้าต้องการดูวงจรโดยสมบูรณ์ให้ กดที่นี่หรือที่ภาพข้างบน และมีไฟล์ของ Protel for Windows-Schematic Capture 1.0 ให้ ดาวน์โหลด(Save Link As..(14k)) ไปทดลองสร้างได้
การทำตัวตรวจจับเส้นสีขาว

วงจรข้างบนนี้ ใช้ LDR(Light Dependent Resistor) เป็นตัวตรวจจับความเข้มของแสงบนพื้น โดยมี LED(Ligth Emitting Diode) เป็นแหล่งกำเนิดแสง (ควรใช้แบบให้แสงสว่างสูงหรือ Super Bright สีเขียวอ่อน ) เพื่อจะได้ทำงานในที่มืดได้ และไม่ไวต่อแสงภายนอกมากนัก เวลาใช้ ต้องปรับความไวของตัวตรวจจับ(R6,R12) ให้มอเตอร์หมุนเมื่อตัวตรวจจับแต่ละข้างอยู่บนพื้นดำ ทางซ้ายขวาของเส้นสีขาว ถ้าตัวตรวจจับข้างใดอยู่บนเส้นสีขาว มอเตอร์จะหยุดหมุน การทำ sonsorนี้ จะต้องใส่ LDR และ LED ไว้ในท่อ หรือกล่องทึบ ปลายเปิดด้านเดียวสีดำดังรูป โดยอาจสร้างจากแผ่นยางสีดำหนาประมาณ 3 มม. กว้างยาวประมาณ 15 มม. นำมาต่อติดกันด้วยกาวตราช้างเป็นกล่องสี่เหลี่ยมก็ได้ ด้านในก้นท่อที่ปิดอยู่ ให้เจาะรูสอดขา LED และ LDR โผล่ออกมาทางด้านหลัง ให้ตัว LED, LDR ติดไว้ชิดกัน หันหน้าออกทางปากท่อ ซึ่งเมื่อติด sensor นี้บนหุ่นยนต์ LED และ LDR จะต้องหันตรงเข้าหาพื้น ทำให้ LDR รับได้เฉพาะแสงจาก LED ที่สะท้อนจากพื้นได้พอดี แต่ไม่ใช่รับแสงที่ส่งตรงจากตัว LED
การตรวจปรับ

เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ให้วางหุ่นบนพื้น หัน sensors ให้ตรงกับพื้นสีดำ ปรับ R6 และ R12 ให้มอร์เตอร์เริ่มหมุนพอดีแล้วหยุดปรับไว้ตรงนั้น มอเตอร์ควรหมุนไปอย่างต่อเนื่อง จากนั้นนำ sensor ไปวางตรงเส้นสีขาว มอร์เตอร์ควรจะหยุดหมุน ถ้าไม่หยุดต้องปรับค่าคืนทางเดิมเล็กน้อย แล้วลองอีก ถ้าวัดแรงดันคร่อม R6 และR12 เทียบกับ ground แรงดันขณะตัว sensor อยู่บนพื้นดำควรต่ำกว่าแรงดันคร่อมR4 และR10 เมื่อเทียบกราวด์ประมาณ 0.3-0.5 V และถ้าอยู่บนพื้นขาว แรงดันนี้ควรสูงกว่าประมาณ เท่ากันหรือมากกว่านี้ยิ่งดี ทั้งนี้ ขึ้นกับความเข้มของแสงที่สะท้อนกลับมาจากพื้น และความไวของ LDR

ถ้า LDR หาไม่ได้ อาจใช้ตัวตรวจจับอินฟราเรดที่ขายเป็นคู่มาแทนชุด LED กับ LDR ก็ได้ เช่น LTR303, LTE303 โดยต่อตัวส่งแทน LED ตัวรับแทน LDR (ต่อให้ถูกขั้ว) แต่อาจต้องเปลี่ยนค่า R6, R12 ให้เหมาะสม โดยทั่วไปต้องใช้ค่าสูงขึ้นประมาณ 500 k - 1M โอห์ม แต่จากการทดลองพบว่า ถ้าใช้ LDR ขนาดเล็กเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 5 มม. จะไวกว่าตัวตรวจจับอินฟราเรด

ปัญหาของหุ่นยนต์เดินก็คือ ระยะห่างของ sensor กับพื้นจะไม่คงที่เพราะหุ่นยนต์จะยกตัวไปตามจังหวะก้าว ผู้สร้างจะต้องหาวิธีในการรักษาระยะของ Sensor ให้คงที่เอาเอง ซึ่งกติกาการแข่งขันได้เปิดทางไว้แล้ว
การดัดแปลงวงจรไปใช้รับสัญญาณจากคอมพิวเตอร์แทน Sensor เพื่อควบคุมมอร์เตอร์

วงจรนี้ สามารถดัดแปลงไปใช้คอมพิวเตอร์สั่งได้ โดยต่อ output ของ port ควมคุมมาเข้าแทน LDR ทั้งสอง ใช้ 2 bit มาควบคุม ON/OFF มอเตอร์ได้สองตัว และตัด LED ออกไป หรือถ้าหาก Q1, Q2 มีความไวพอ ก็ตัดวงจร Op Amp ทั้งหมดออกไปได้ แล้วต่อ Output Port มาเข้าที่ R1 และ R7 แทน (TIP 121 อาจไวพอ ถ้าไม่พอรับสัญญาณจาก CMOS Device เช่น 8255 ให้ต่อ Buffer/Line Driver เช่น 74LS244 ก่อนมาต่อกับ R1, R7)

นอกจากนี้ ยังดัดแปลงไปใช้ควบคุมมอเตอร์ M2 ตามแบบหุ่นยนต์ตัวอย่าง ให้หมุนซ้ายขวาได้เช่นกัน โดยต่อแบบเดียวกับที่กล่าวแล้ว แต่ใช้ควบคุมมอเตอร์ตัวเดียว คือใช้ M2 มาต่อระหว่าง Collector ของQ1, Q2 และใช้ตัวต้านทาน R ประมาณ 3-5 โอห์ม 10 Watts มาต่อขนานไดโอด(DIODE)ทั้งสอง วิธีนี้ต้องระวังไม่สั่งให้ Q1, Q2 เกิด ON พร้อมกัน เพราะจะเสียกระแสจากแบตเตอรี่มากอย่างรวดเร็วโดยไม่ได้อะไร วิธีนี้จะใช้ได้ถ้า M2 สามารถหมุนได้ที่ประมาณ 500 mA.
การดัดแปลงวงจรข้างบนเป็นวงจรตรวจจับเส้นขาวสำหรับส่งสัญญาณให้คอมพิวเตอร์

วงจรข้างบนสามารถดัดแปลงเป็นวงจรตรวจจับ (sensor) สำหรับป้อนข้อมูลเข้าคอมพิวเตอร์ได้ โดยตัดวงจรทางขวามือ ตั้งแต่R1, R7, Q1,Q2 ออกไปให้หมด ต่อ output ของ Op Amp (LM358) ขา 1 และขา 7 เข้า Input Port ของไมโครคอมพิวเตอร์ ส่วนทางด้าน Sensor ก็ใช้ LDR และLED เหมือนเดิม
ตัวถังและขา อาจใช้ไม้อัดหรือแผ่นอะครีลิก(Acrylic Sheet) หนาประมาณ 3 ถึง 5 มม. ที่สำคัญคือ จะต้องยึดเพลาขับขาคู่หน้าให้มั่นคงได้ โดยที่เมื่อใส่สายพานแล้ว แรงดึงจากล้อสายพาน จะต้องไม่ทำให้เพลาเอียงจนเฟืองคู่หน้าเบียดกับตัวถังจนฝืด หมุนไม่ได้ กลไกนี้ สามารถใส่ขาได้ทั้งสองแบบ แต่แบบก้าวเดินจะยุ่งยากมากกว่า

---

ตำแหน่งล้อสายพานขณะเดินตรง

---

ตำแหน่งล้อสายพานขณะเลี้ยวซ้าย

---

ตำแหน่งล้อสายพานขณะเลี้ยวขวา

---

ตัวผลักล้อสายพาน อาจสร้างจากแผ่น Acrylic หรือไม้ก็ได้ โดยเจาะรูติดสกรูตัวเมียสำหรับ lead screw เอาไว้ และฝังลวดสปริงที่มีความแข็งพอควรเป็นแกนล้อยาง(สีน้ำทะเลในภาพ)ไปหนีบล้อสายพานไว้ เมื่อหมุนมอเตอร์ M2 lead screw จะพาตัวหนีบสายพานผลักล้อสายพาน ให้ชิดซ้าย ขวา หรือ อยู่กลางได้ ทำให้เดินตรง หรือเลี้ยวได้ สปริงจะช่วยทำให้มีความยืดหยุ่นเวลาผลักแกนล้อสายพานซ้ายขวา และร่องบากยังไม่เข้าเกี่ยวสลักเพลา
การเลี้ยวแบบอื่น สำหรับหุ่นที่เลี้ยวตามเส้นนำทาง หรือมีเครื่องนำทิศทางอย่างอื่น ไม่ต้องทำล้อสายพานที่เลื่อนซ้ายขวาก็ได้ แต่ต้องใช้มอเตอร์ 2 ตัวที่มีเฟืองทดเท่าๆ กัน ขับขาทั้งซ้ายและขวา จากนั้นใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์สั่งมอเตอร์ทั้งซ้ายขวาให้เดินหน้าพร้อมกันเวลาเดินตรง หรือ หยุดตัวใดตัวหนึ่งเพื่อเลี้ยวซ้ายขวา ถ้าจะให้วิธีควบคุมความเร็วมอเตอร์ได้ก็จะเลี้ยวได้นิ่มนวลขึ้น แต่ต้องใช้วงจรซับซ้อนมากขึ้น
ระบบตรวจจับการชน หุ่นยนต์ควรติด Limit Switch พร้อมกันชนไว้รอบตัวทั้งสี่ด้าน เมื่อเกิดการชน ไมโครคอมพิวเตอร์ต้องรู้ว่าชนด้านใด จะได้เดินหลบหลีกไปทางอื่นได้โดยการสั่งมอเตอร์ M2 ให้บังคับเลี้ยวซ้ายขวา ส่วน M1 นั้นก็สั่งให้เดินหน้าถอยหลังได้ ปัญหาของการสร้างจะอยู่ที่ความฝืดของเฟือง และการไม่ได้ศูนย์ของเพลาคู่หน้า ต้องระวังเป็นพิเศษ ไม่เช่นนั้น M1 อาจขับไม่ไหว
==================================
narongwr@kmitnb.ac.th
Oct 12, 1998