วิทยาการหุ่นยนต์

วิทยาการหุ่นยนต์เป็นศาสตร์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่เป็นการบูรณาการกันระหว่างศาสตร์วิทยาการคอมพิวเตอร์และวิศวกรรมศาสตร์ศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบ การผลิต การควบคุม และการประยุกต์ใช้งานหุ่นยนต์จุดประสงค์หลักของวิทยาการหุ่นยนต์คือการออกแบบเครื่องจักรอัจฉริยะที่สามารถช่วยเหลือมนุษย์ในการทำงานในชีวิตประจำวัน สร้างความปลอดภัยในการทำงานของมนุษย์ วิทยาการหุ่นยนต์ประยุกต์ใช้ความรู้ที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมข้อมูล,วิศวกรรมคอมพิวเตอร์,วิศวกรรมเครื่องกล,วิศวกรรมไฟฟ้า,วิศวกรรมซอฟต์แวร์, และอื่น ๆ
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 สามารถย้อนไปได้ตั้งแต่สมัยคลาสสิกแต่การวิจัยด้านวิทยาการหุ่นยนต์ที่เป็นระบบเพื่อการใช้งานจริงนั้นไม่ได้มีเริ่มวิจัยที่จริงจัง 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 สาขาวิชานี้เป็นการบูรณาการความรู้ที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมคอมพิวเตอร์,วิทยาการคอมพิวเตอร์(โดยเฉพาะสาขาปัญญาประดิษฐ์),อิเล็กทรอนิกส์,วิศวกรรมเมคคาทรอนิกส์,นาโนเทคโนโลยีและวิศวกรรมชีวภาพ(Bioengineering)
คำว่าวิทยาการหุ่นยนต์ (Robotics) ตามที่สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ(สวทช.) ได้บัญญัติความหมายไว้ มีความหมายว่า “วิทยาการว่าด้วยการออกแบบ สร้าง และประยุกต์หุ่นยนต์” เป็นคำที่ทับศัพท์จากภาษาอังกฤษคำว่า “Robotics” มีรากศัพท์มาจากคำว่า “Robot” ซึ่งถูกเผยแพร่สู่สาธารณะครั้งแรกโดยนักเขียนขาวเช็กชื่อคาเรล ชาเปค(Karel Čapek) ในบทละครชื่อR.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) ในวารสานAstounding Science Fictionโดยต่อมาเขาได้เป็นผู้บัญญัติกฎ 3 ข้อของหุ่นยนต์อันเป็นแนวคิดที่แพร่หลายในวงการนิยายวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา
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
หุ่นยนต์มีหลายประเภทสำหรับใช้งานในภูมิประเทศที่หลากหลายและสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน แม้ว่าหุ่นยนต์จะมีความหลายหลายในการใช้งานและรูปร่าง โครงสร้างของหุ่นยนต์ทั้งหมดจะมีความเหมือนกันอยู่ 3 ด้าน ประกอบด้วย:
ในปัจจุบัน แบตเตอร์รี่คือแหล่งพลังงานส่วนใหญ่ของหุ่นยนต์ มีตั้งแต่แบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดที่มีความปลอดภัยสูงและมีอายุในการใช้งานที่ยาวนาน แต่มีน้ำหนักมาก ไปจนถึงแบตเตอร์รี่แบบเงิน-แคดเมียมที่มีขนาดเล็กกว่าแต่มีราคาแพง การออกแบบหุ่นยนต์ที่ใช้แบตเตอร์รี่ต้องมีการคำนึงถึงปัจจัยด้านความปลอดภัย, อายุการใช้งาน และน้ำหนัก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า อาทิ เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combusion engine) ก็สามารถนำมาใช้ในหุ่นยนต์ได้เช่นกัน แต่การออกแบบกลไกการทำงานจะมีความซับซ้อนและต้องใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อน ต้องมีการระบายความร้อน และจะมีน้ำหนักมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับหุ่นยนต์ที่ใช้แบตเตอร์รี่ การโยงสายไฟเข้ากับหุ่นยนต์จะช่วยให้หุ่นยนต์ไม่ต้องมีเซลล์ไฟฟ้าหรือเครื่องสันดาบในตัวเครื่อง ทำให้มีข้อได้เปรียบในเรื่องน้ำหนักที่เบาและลดขนาดหุ่นยนต์ อย่างไรก็ตามการออกแบบนี้จะทำให้หุ่นยนต์ต้องมีสายเคเบิลโยงกับตัวเครื่องอยู่ตลอดเวลา
แหล่งพลังงานอื่น ๆ ที่มีความเป็นไปได้ในอนาคต:
ตัวกระตุ้น (Actuator) คือมอเตอร์ที่รับผิดชอบสำหรับการเคลื่อนไหวหรือการควบคุมกลไกหรือระบบ ทำงานเสมือนกล้ามเนื้อของหุ่นยนต์ด้วยพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงาน จากนั้นก็แปลงพลังงานนั้นให้เป็นการเคลื่อนไหว อาทิเช่น กระตุ้นให้หัวพิมพ์ฉีดสีออกมา หรือกระตุ้นให้ก้ามปูเบรกจับเข้ากับล้อ เป็นต้น ปัจจุบัน ตัวกระตุ้นไฟฟ้าแบบวงล้อ, แบบเกียร์ และแบบเส้นตรง (Linear actuator) นิยมใช้กันในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ปัจจุบันนี้เริ่มมีการนำตัวกระตุ้นแบบใหม่เข้ามาใช้งาน อาทิ แรงดันอากาศ, สารเคมี, แรงดันไฮโดรลิกส์ เป็นต้น
เซนเซอร์ (Sensor) ทำให้หุ่นยนต์สามารถรับข้อมูลการวัดค่าจากสิ่งแวดล้อม หรือ ส่วนประกอบที่อยู่ภายในหุ่นยนต์ ซึ่งจำเป็นอย่างมากในการทำงานของหุ่นยนต์ และ ตอบสนองกับสิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนไปด้วยการคำนวณที่เหมาะสม การวัดค่าจากเซนเซอร์ทำไปเพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย เช่น การเตือนภัยด้านควมปลอดภัยจากสิ่งแวดล้อมและความผิดพลาดของระบบภายใน และ เพื่อรับข้อมูลเกี่ยวกับงานที่หุ่นยนต์ทำแบบเรียลไทม์
ในสาขาวิทยาการหุ่นยนต์แขนกล(Manipulator) คือเครื่องมือในการเคลื่อนสิ่งของโดยที่ผู้ควบคุมไม่ต้องสัมผัสโดยตรง แขนกลหุ่นยนต์มีการใช้งานที่หลากหลายในปัจจุบัน อาทิ การเชื่อมโลหะ, การผ่าตัด และ การประกอบชิ้นส่วนยานยนต์
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
การรับคำสั่งที่ซับซ้อนจากมนุษย์ หุ่นยนต์จำเป็นที่จะต้องมีระบบประสาทสัมผัสที่ชาญฉลาด เพื่อให้หุ่นยนต์ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมนอกโรงงานอุตสาหกรรม การมีหุ่นยนต์ที่มนุษย์สามารถออกคำสั่งได้มีความสำคัญอย่างยิ่ง การมีปฏิสัมพันธ์กับหุ่นยนต์ต้องมีความง่ายในการใช้งาน ต้องสามารถสั่งงานหุ่นยนต์ได้โดยคนที่ไม่มีความรู้ทางหุ่นยนต์ ในนวนิยายวิทยาศาสตร์ นักเขียนนิยายมักจะจินตนาการให้หุ่นยนต์สามารถสื่อสารกับมนุษย์ด้วยท่าทาง คำพูด และ การแสดงออกทางสีหน้า แทนการเขียนโปรแกรมด้วยโค้ด ใช้การพูดโดยใช้ภาษาธรรมชาติแบบมนุษย์ ไม่ใช่ธรรมชาติโดยพื้นฐานของหุ่นยนต์ การที่หุ่นยนต์จะตอบโต้ได้แบบมนุษย์จริง ๆ แบบในภาพยนตร์ไซไฟ เช่น ตัวละครC-3POในสตาร์ วอร์สหรือผู้การเดต้าในStar Trekแม้อาจใช้เวลาในการพัฒนาอีกยาวนาน แต่หุ่นยนต์แบบนี้มีความเป็นไปได้ที่จะมีการใช้งานอย่างแพร่หลายโดยทั่วไปในอนาคต