หุ่นยนต์และไมโครคอนโทรลเลอร์
1. ความหมายของหุ่นยนต์
หุ่นยนต์ (Robot) คือ เครื่องจักรกลหรือหุ่นที่มีเครื่องกลไกอยู่ภายในสามารถทำงานได้หลายอย่างร่วมกันกับมนุษย์ "หรือแทนมนุษย์" และสามารถตั้งลำดับแผนการทำงานก่อนหลังได้
2. ประเภทของหุ่นยนต์
2.1 หุ่นยนต์ ชนิดติดตั้งอยู่กับที่ (fixed robot)
หุ่นยนต์ประเภทนี้ มีลักษณะเป็นแขนกล สามารถขยับและเคลื่อนไหวได้เฉพาะข้อต่อ นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม
2.2 หุ่นยนต์ ชนิดเคลื่อนที่ได้ (Mobile robot)
หุ่นยนต์ประเภทนี้ สามารถขยับเคลื่อนที่ไปได้ด้วยตัวเองโดยการใช้ล้อขา หรือการขับเคลื่อนในรูปแบบอื่นๆ
3. ประวัติหุ่นยนต์
หุ่นยนต์ มาจากคำว่า “โรบอท” (robot หรือ robota) ในภาษาเช็ก ซึ่งแปลว่า ทาส หรือผู้ถูกบังคับใช้แรงงาน ในปี ค.ศ.1921 (พ.ศ.2464) คาเรล ชาเพค (Karel Capek) นักประพันธ์ชาวเช็ก ได้ประพันธ์ละครเวทีเรื่อง อาร์.ยู.อาร์. (R.U.R. : Rossum's Universal Robots)
โดยในละครนั้นมีเนื้อหาเกี่ยวกับมนุษย์ที่ต้องการทาสรับใช้ จึงสร้างหุ่นยนต์ขึ้นมาช่วยทำงาน ซึ่งต่อมาหุ่นยนต์ได้พัฒนาตัวเองให้มีความฉลาดมากขึ้น จึงเกิดความคิดที่จะต่อต้านมนุษย์ไม่ยอมให้กดขี่ข่มเหงอีกต่อไป ละครเรื่องนี้โด่งดังมากจนทำให้คำว่า “โรบอท” เป็นที่รู้จักไปทั่วโลก
ต่อมาในปี ค.ศ.1942 (พ.ศ.2485) ไอแซค อสิมอฟ (Isaac Asimov) นักวิทยาศาสตร์และนักประพันธ์ ชาวอเมริกันเชื้อสายรัสเซีย ได้ประพันธ์นวนิยายเชิ’วิทยาศาสตร์ เรื่องรันอะราวน์(Runaround) โดยมีเนื้อหาเกี่ยวกับหุ่นยนต์ และกำหนดกฎ 3 ข้อ ของหุ่นยนต์ขึ้นในงานประพันธ์ของเขาประกอบด้วย
- หุ่นยนต์ห้ามทำร้ายมนุษย์หรือนิ่งเฉยปล่อยให้มนุษย์ตกอยู่ในอันตราย
- หุ่นยนต์ต้องเชื่อฟังคำสั่งมนุษย์ยกเว้นคำสั่งนั้นขัดแย้งกับกฎข้อแรก
- หุ่นยนต์ปกป้องตัวเองได้แต่ต้องไม่ขัดกับกฎข้อแรกหรือกฎข้อที่สอง
หลังจากบทประพันธ์ของอสิมอฟเผยแพร่ออกไป กฎ 3 ข้อนี้ ก็ได้รับการสนับสนุนจากผู้คนเป็นจำนวนมาก เนื่องจากเป็นกฎที่มีความถูกต้อง และอยู่บนพื้นฐานความปลอดภัยในการดำรงชีวิตร่วมกันระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์ นวนิยายเรื่องนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจหุ่นยนต์มากขึ้นและเริ่มต้นการพัฒนาหุ่นยนต์อย่างจริงจังตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
ปี 1954 โดย George Devol วิศวกรชาวสหรัฐอเมริกาที่สามารถค้นคิดประดิษฐ์แขนของหุ่นยนต์อย่างง่ายที่สามารถเคลื่อนไหวทํางานตามโปรแกรมที่ตั้งไว้ใช้ประโยชน์ในงานอุตสาหกรรมจากจุดนี่เองที่ทําให้การพัฒนาหุ่นยนต์เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง
4. ส่วนประกอบของหุ่นยนต์
หุ่นยนต์มีการพัฒนากันมาอย่างต่อเนื่องมากมายหลากหลายรูปแบบ มีองค์ประกอบหลัก ๆ ที่พอจะจัดได้ว่า เจ้าสิ่งนี้คือ หุ่นยนต์ หรือเปล่า เพื่อให้สามารถมองภาพรวมของหุ่นยนต์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น สิ่งที่เรียกว่าหุ่นยนต์นั้นจะประกอบด้วยส่วนประกอบ 3 ส่วนใหญ่ ๆ ดังนี้
4.1 ส่วนเครื่องยนต์กลไก (Mechanical Part)
ในส่วนนี้จะเป็นส่วนของระบบทางกล ทั้งหมดของหุ่นยนต์ เช่น ล้อ ระบบขับเคลื่อน แขนกล มือกล ข้อพับ ตลอดจน โครง หรือเฟรม ของหุ่นยนต์ ถ้าเปรียบกับคนแล้ว ก็คือ พวกโครงกระดูก หรือร่างกายภายนอก เช่น แขน, ขา, ลำตัว ฯลฯ นั่นเอง
4.2 ส่วนระบบวงจรไฟฟ้า (Electrical Circuit Part)
ส่วนนี้จะเป็นส่วนของระบบวงจรไฟฟ้าทั้งหมดของหุ่นยนต์ ซึ่งในหุ่นยนต์ 1 ตัวนั้น จะประกอบด้วยวงจรต่างๆหลายวงจร ส่วนของวงจรไฟฟ้านี้ อาจเปรียบเทียบได้กับอวัยวะภายในของร่างกายมนุษย์ เช่น หัวใจ, ตับ, ปอด, เส้นเลือด ฯลฯ ก็ได้
4.3 ส่วนโปรแกรมควบคุมการทำงาน (Software Controlpart)
ส่วนนี้เป็นส่วนของโปรแกรมควบคุมการทำงาน ถึงแม้ว่าหุ่นยนต์จะได้รับการออกแบบสร้างมาอย่างดีเพียงไรก็ตาม แต่จะยังคงทำงานตามที่เราต้องการไม่ได้แน่ ๆ หากยังไม่ได้มีการใส่โปรแกรมที่ถูกต้อง และเหมาะสมให้กับมัน หากจะเปรียบไปส่วนนี้ก็น่าจะเปรียบเทียบได้กับ สมองของมนุษย์นั่นเอง
5. ตัวอย่างหุ่นยนต์ในปัจจุบัน
5.1 ASIMO หุ่นยนต์เลียนแบบมนุษย์ของ Honda มีความสามารถ
- งานสำรวจพื้นที่บริเวณแคบ - สํารวจดวงจันทร์ดาวเคราะห์ที่ไม่มีสิ่งมีชีวิต
5.2 Shakey หุ่นยนต์เคลื่อนที่ตัวแรกด้วยเซนเซอร์
5.3 หุ่นยนต์สังหาร หุ่นยนต์ทำงานใต้น้ำ สร้างแผนที่ของตำแหน่งทุนระเบิดในระดับผิวน้ำที่ยากต่อการมองเห็นของเรือนาวิกโยธินตอนบุกเข้าฝั่ง
5.4 หุ่นยนต์กุ๊ก หุ่นยนต์ที่สามารถทำอาหารสามารถทำความสะอาดได้
6. ความหมายของไมโครคอนโทรลเลอร์
ไมโครคอนโทรลเลอร์ (อังกฤษ: Microcontroller มักย่อว่า µC, uC หรือ MCU)
คือ อุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ซึ่งบรรจุความสามารถที่คล้ายคลึงกับระบบคอมพิวเตอร์ โดยในไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รวมเอา ซีพียู หน่วยความจำ และพอร์ต ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักสำคัญของระบบคอมพิวเตอร์เข้าไว้ด้วยกัน โดยทำการบรรจุเข้าไว้ในตัวถังเดียวกัน
ความหมายอีกอย่างหนึ่ง คือ เป็นระบบคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก ที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย โดยผ่านการออกแบบ วงจรให้เหมาะกับงานต่างๆ และยังสามารถเขียนโปรแกรมเพื่อควบคุมขา Input / Output เพื่อสั่งงานให้ไป ควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ได้อีกด้วย
7. โครงสร้างทั่วไปของไมโครคอนโทรลเลอร์
8. ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูลต่าง ๆ
8.1 ตระกูล Z-80
ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่นิยมใช้กัน เริ่มตั้งแต่ตัวแรกที่เป็นลักษณะของ CPU หรือหน่วยประมวลผลกลาง ไม่ถึงขั้นเรียกว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์ ก็คือ ตระกูล Z80 เป็นลักษณะของ CPU เล็กๆ ที่ต้องอาศัยอินพุทและเอ้าท์พุท ต่างๆ เพิ่มเติมเข้ามามาก จึงทำให้บอร์ดมีขนาดค่อนข้างใหญ่ จัดได้ว่าเป็นการเริ่มต้นการเรียนรู้ที่ดีของยุคสมัยนั้น
8.2 ตระกูล MCS-51
เป็นตระกูลที่พัฒนาต่อจาก Z80 ทำให้การศึกษาเรียนรู้ไมโครคอนโทรลเลอร์ง่ายขึ้น ไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่นนี้จะช่วยลดอุปกรณ์ภายนอกลงไปได้มาก เหมาะที่จะนำไปใช้งานจริง
8.3 ตระกูล PIC
บริษัท Microchip Technology เป็นผู้สร้างและผลิต PIC เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ยุคต่อมาที่ได้รับความนิยมสูงอีกตระกูลหนึ่ง ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน คำว่า PIC ย่อมาจากคำว่า (Peripheral Interface Controller) ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูลนี้ มีการพัฒนาเทคโนโลยีขึ้นในทุกด้าน ทำให้ได้รับความนิยมกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ยุคเก่า
8.4 ตระกูล AVR
เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่นต่อมาที่มีการพัฒนาต่อมาจาก MCS-51 โดยบริษัท ATMEL โดยคุณสมบัติหลักที่น่าสนใจก็คือ สามารถ Interface ผ่าน USB ได้โดยตรง
8.5 Arduino
เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์บอร์ดแบบสำเร็จรูปในยุคปัจจุบันซึ่งถูกสร้างมาจาก Controller ตระกูล ARM ของ ATMEL ข้อดีของไมโครคอนโทรลเลอร์บอร์ด คือ เรื่องของ Open Source ที่สามารถนำไปพัฒนาต่อเป็นอุปกรณ์ต่างๆได้และความสามารถในการเพิ่ม Boot Loader เข้าไปที่ตัว ARM จึงทำให้การ Upload Code เข้าตัวบอร์ดสามารถทำได้ง่ายขึ้น และยังมีการพัฒนา Software ที่ใช้ในการควบคุมตัวบอร์ดของ Arduino มีลักษณะเป็นภาษา C++ ที่โปรแกรมเมอร์มีความคุ้นเคยในการใช้งาน ตัวบอร์ดสามารถนำโมดูลมาต่อเพิ่ม ซึ่งทาง Arduino เรียกว่าเป็น shield เพื่อเพิ่มความสามารถเพิ่มขึ้น
9. หน้าที่แต่ละส่วนของไมโครคอนโทรลเลอร์
โครงสร้างโดยทั่วไปของไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถแบ่งออกมาได้เป็น 5 ส่วนใหญ่ๆ ดังต่อไปนี้
9.1 หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู (CPU : Central Processing Unit)
9.2 หน่วยความจำ (Memory) สามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือหน่วยความจำที่มีไว้สำหรับเก็บโปรแกรมหลัก (Program Memory) เช่น Flash Memory อีกส่วนหนึ่งคือหน่วยความจำข้อมูล (Data Memory) ใช้เป็น เหมือนกับกระดาษทดในการคำนวณของซีพียู และเป็นที่พักข้อมูลชั่วคราวขณะทำงาน แต่หากไม่มีไฟเลี้ยง
9.3 ส่วนติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอก หรือพอร์ต (Port) มี 2 ลักษณะคือ พอร์ตอินพุต (Input Port) และพอร์ตส่งสัญญาณหรือพอร์ตเอาต์พุต (Output Port)
9.4 ช่องทางเดินของสัญญาณ หรือบัส (BUS) คือเส้นทางการแลกเปลี่ยนสัญญาณข้อมูลระหว่าง ซีพียู หน่วยความจำและพอร์ต เป็นลักษณะของสายสัญญาณจำนวนมากอยู่ภายในตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ โดย
9.5 วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา นับเป็นส่วนประกอบที่สำคัญมากอีกส่วน
10. ประโยชน์ของไมโครคอนโทรลเลอร์
ไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ
ไมโครคอนโทรลเลอร์ นั้นเปรียบเสมือนคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กอยากให้มันทำอะไรเราก็เขียนโปรแกรมที่เราต้องการยัดใส่ลงไป ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็เลยเข้ามาเกี่ยวข้องเพื่อรองรับกับความอยากนำไปควบคุมระบบที่ความรู้ความเข้าใจที่พวกเราอยากได้โดยให้มีขนาดเล็กที่สุด แต่ว่าไม่ใช่เพียงขนาดเล็กแค่นั้น
ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังสามารถป้อนชุดคำสั่งให้สามารถปฏิบัติงานได้อย่างอัตโนมัติ ด้วยแบบการเขียนโปรแกรมภาษาต่างๆ ตามความชำนาญ นัก ออกแบบ พัฒนาผลิตภัณฑ์ ตลอดจนนักประดิษฐ์ทั้งหลาย ต่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เลยที่จะต้องอาศัยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เข้าไปมีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุม แต่ครั้นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่นำมาต่ออนุกรมเพื่อความสามารถที่เราต้องการ นั้นก็ใหญ่โตเสียเหลือเกินดูเหมือนจะขัดแย้งกับความต้องการของผู้บริโภค และหลักการออกแบบผลิตภัณฑ์
ส่วนประกอบหุ่นยนต์ POPBOT-XT และการสร้างหุ่นยนต์ POPBOT-XT
ส่วนประกอบหุ่นยนต์ POPBOT-XT และการสร้างหุ่นยนต์ POPBOT-XT
1.แผงวงจรควบคุมหลัก POPBOT-XT
POPBOT XT เป็นแผงวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์ ที่ใช้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ตระกูล AVR เบอร์ ATmega32U4 ของ Atmel มีส่วนเชื่อมต่อพอร์ต USB เพื่อใช้ในการสื่อสารข้อมูลและดาวน์โหลดโปรแกรมได้ในตัว โดยไม่ต้องใช้สายสัญญาณหรืออุปกรณ์แปลงสัญญาณใดๆ เพิ่มเติม จึงทําให้การใช้งานง่ายและสะดวกมาก
2. ส่วนประกอบแผงวงจรควบคุมหลัก POPBOT-XT
1. ไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาด 8 บิต เบอร์ ATmega32U4 ของ Atmel
2. จุดต่อพอร์ตใช้งาน 25 จุด และจัดสรรเป็นจุดต่อแบบ JST 3 ขา จํานวน 12 จุดสําหรับต่ออุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ต่อพ่วงภายนอกต่างๆ
3. มี ไฟแสดงสถานะ
4. มี สวิตช์ RESET
5. มีจุดต่อพอร์ต USB
6. มีจุดต่อไฟเลี้ยง 5VDC
7. มีจุดต่อพอร์ตอินพุตเอาต์พุตดิจิตอลหรืออะนาล็อก 8 ช่อง
จุดที่ 1 จุดต่อพอร์ทอะนาล็อกและพอร์ทดิจิตอล ใช้สำหรับต่อเซ็นเซอร์ตรวจจับ เซ็นเซอร์แสดงผล และเซ็นเซอร์อ่านค่าต่างๆ โดยชื่อพอร์ท อะนาล็อกจะขึ้นต้นด้วยข้อความ A ตามด้วยเลข แต่ชื่อพอร์ท ดิจิตอลจะเป็น ตัวเลขที่อยู่ในวงกลมแทน
จุดที่ 2 จอแสดงผล LCD
จุดที่ 3 ลำโพงเปียโซ เป็นลำโพงขนาดเล็กไว้ส่งสัญญาณเสียงออกมา
จุดที่ 4 จุดต่อพอร์ทอะนาล็อกและพอร์ทดิจิตอล เพิ่มเติมจากจุดที่ 1
จุดที่ 5 จุดต่อมอเตอร์กระแสตรง เช่น มอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนหุ่นยนต์ จะมีสองพอร์ท คือ พอร์ท A และ พอร์ท B
จุดที่ 6 ปุ่ม KNOB เป็นตัวต้านทานปรับค่าได้
จุดที่ 7 พอร์ทต่อ เซอร์โวร์มอเตอร์ เป็นมอเตอร์แบบดิจิตอล สามารถต่อได้ 3 ตัว
จุดที่ 8 ปุ่ม OK เพื่อยืนยัน เริ่มการทำงานของหุ่นยนต์
จุดที่ 9 ปุ่ม Reset เพื่อเริ่มการทำงานของคำสั่งใหม่อีกครั้ง
จุดที่ 10 ขั้วต่อแบตเตอรี่ ไฟกระแสตรง DC 6 โวลต์
จุดที่ 11 สวิตซ์สำหรับ เปิด-ปิด
3. อุปกรณ์ นำเข้า หรือ เซนเซอร์วัดค่าต่างๆ
3.1 แผงวงจรสวิตช์ ZX Switch ให้เอาต์พุต 2 แบบ คือ
ช่อง HIGH ถ้ากดสวิตช์จะส่งลอจิก "1" ไฟสีแดงติด
ช่อง LOW ถ้ากดสวิตช์จะส่งลอจิก "0" ไฟสีเขียวติด
ถ้า ไม่มีการกด LED ดับ ลอจิกที่ได้ก็จะได้ผลกลับกัน
1
1
1
1
**ขอขอบคุณเจ้าของข้อมูลทุก ๆ แหล่งที่มา รวมไปถึงเจ้าของสื่อการเรียนรู้ทุกชิ้นเป็นอย่างสูง**