i-BEAM Construction Manual

เรียนรู้ สร้าง หุน่ ยนต์อย่างง่ายจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์

หุ่นยนต์อย่างง่ายกับเทคโนโลยี BEAM

หุ่นยนต์ BEAM เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ได้รับอิทธิพลมาจากการเลียนแบบพฤติกรรม ของสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับแมลงและสัตว์เลื้อยคลาน สำ�หรับ การเรียนรู้ด้านวิทยาศาสตร์หุ่นยนต์ BEAM นับเป็นสื่อที่สนับสนุนการเรียนรู้การ ทำ�งานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์และระบบควบคุมอัตโนมัติอย่างง่าย โดยไม่ต้องมี ความรู้หรือต้องมีการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อควบคุมการทำ�งานแต่อย่างใด

นิยามคำ�ว่า BEAM

BEAM เป็นคำ�ที่มาจากการรวมกันของศาสตร์ 4 ด้าน ประกอบด้วย Biology (ชีววิทยา) Electronics (อิเล็กทรอนิกส์) Aesthetics (สุนทรียศาสตร์) Mechanics (กลศาสตร์) เพื่ออ้างถึงหุ่นยนต์แบบหนึ่งที่มีระบบขับควบคุมการขับเคลื่อนที่ได้มา จากวงจรอะนาลอกอิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐาน อาทิ วงจรเปรียบเทียบแรงดัน (comparator) มาใช้งานแทนที่ระบบควบคุมอัตโนมัติที่ต้องมีการเขียนโปรแกรม หุ่นยนต์ BEAM มักจะได้รับการออกแบบด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ซับซ้อน พยายามใช้อุปกรณ์ให้น้อย โดยเน้นหนักไปที่การเรียนรู้และประยุกต์ใช้งานวงจร อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานให้ทำ�งานควบคุมกลไกอย่างง่ายๆ ได้ อันเป็นการจำ�ลองการ ทำ�งานของเซลประสาททางชีววิทยา ไม่เพียงเท่านั้น ยังต้องทำ�ให้หุ่นยนต์ BEAM มีความสวยงาม จึงก่อให้เกิดความคิดสร้างสรรค์ในด้านการประดับตกแต่งหุ่นยนต์ ให้ดูสวยงาม สอดคล้องกับคำ�ว่า “สุนทรียศาสตร์” (A - Aesthetics) ดังนั้น การ สร้างหุ่นยนต์ BEAM ขึ้นมาในแต่ละครั้งจะต้องใส่ใจต่อความสวยงามและดูดีของ หุ่นยนต์ด้วย นี่เองคือ ปัจจัยสำ�คัญที่แยก BEAM ออกจากกลุ่มหุ่นยนต์ทำ�เล่น อย่างพวก JunkBot ที่เน้นเพียงการสร้างให้ทำ�งานได้เท่านั้นเป็นพอ

กำ�เนิดของหุ่นยนต์ BEAM

แนวคิดในการสร้างกลไกที่ทำ�งานได้อย่างอัตโนมัติภายใต้การควบคุมหรือได้ รับการกระตุ้นจากสัญญาณทางกายภาพได้ตั้งต้นขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1960 หลาย มหาวิทยาลัยชั้นนำ�ของโลกได้ระดมกำ�ลังมันสมองและความรู้ต่างๆ เพี่อพัฒนาองค์ ความรู้ใหม่ที่เกี่ยวข้องกับหุ่นยนต์ (Robotics) และโครงข่ายประสาทเทียม (Artificial Intelligence) ทว่า สำ�หรับ Rodney Brooks จากสถาบันเทคโนโลยีแมตซาชู เซ็ตต์ หรือ MIT มีความคิดที่แตกต่างออกไป Brooks ให้ความสนใจต่อพฤติกรรมของสัตว์ตัวเล็กๆ อย่าง แมลง ที่มีการ เคลื่อนที่ในแบบต่างๆ เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้า ทำ�ให้ Brooks ค้นพบหลักการของ สถาปัตยกรรมที่ชื่อ Sense-Act นั่นคือ สถาปัตยกรรมของการตอบสนองต่อการรับรู้ ในทันที โดยปราศจากการกำ�หนดหรือเตรียมการมาล่วงหน้า แนวคิดของสถาปัตยกรรม Sense-Act ได้รับความสนใจอย่างมากจากนักพัฒนา หุ่นยนต์ จนกระทั่งต้นทศวรรษ 1990 Mark Tilden ได้ทำ�การต่อยอดแนวคิดของ สถาปัตยกรรมไปสู่การสร้างเป็นหุ่นยนต์ขึ้นมาจริงๆ โดยหุ่นยนต์ที่สร้างขึ้นมานี้ สามารถทำ�งานได้อย่างอัตโนมัติต่อสิ่งเร้า โดยไม่ผ่านและไม่มีกระบวนการคำ�นวณ ทางดิจิตอลแต่อย่างใด นับตั้งแต่นั้น หุ่นยนต์ BEAM จึงได้อุบัติขึ้น 2

ภาพจาก http://www.smfr.org/robots/

ภาพจาก http://www.smfr.org/robots/ VCC

LDR1

VR1 10k

3 2

7

LM741

6

OUT

4

R1 3.3k

รูปที่ 1 แสดงการต่อวงจรเปรียบเทียบแรงดันโดยใช้ออปแอมป์

ภาพจาก http://www.eecs.mit.edu

C1 470uF/16

7

TCRT5000 R1 510Ω

8

R2 10kΩ

BATT1 6V

IC1/1

1

LED2 ML

VR1 10kΩ

ZX-03 SW1 POWER

2 L272M

R3 1kΩ

MOTOR1 LEFT

LED1 ON 6

TCRT5000 R4 1kΩ

R5 510Ω

5

R6 10kΩ

VR2 10kΩ

ZX-03

L272M IC1/2 4

3

LED3 MR R7 1kΩ

MOTOR2 RIGHT

รูปที่ 2 วงจรสมบูรณ์แสดงการทำ�งานของบอร์ดควบคุม iBEAM

การทำ�งานของวงจร iBEAM

รูปที่ 2 เป็นวงจรทั้งหมดของบอร์ดควบคุม iBEAM ซึ่งมีหัวใจหลักคือไอซีออปแอมป์เบอร์ L272M ซึ่งต่อเป็นวงจรเปรียบเทียบแรงดัน หรือ Comparator ภายในไอซี 1 ตัวจะมีออปแอมป์อยู่ภายใน 2 ชุด แต่ละชุดสำ�หรับการควบคุมมอเตอร์ 1 ตัว ภาคอินพุตของออปแอมป์ขา non inverting (+) จะเชื่อมต่อกับเซนเซอร์ตรวจจับการสะท้อนเบอร์ TCRT5000 ส่วนฝั่งขา inverting (-) จะต่อกับตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อสร้างแรงดันเปรียบเทียบ เมื​ื่อขาของ non inverting (+) ได้รับแรงดันมากกว่าขา inverting (-) ขาเอาต์พุตของออปแอมป์จะมีแรงดันเป็นบวก ทำ�ให้มอเตอร์ ทำ�งาน แต่ถ้าขา inverting (-) ได้รับแรงดันมากกว่าขา non inverting (+) ขาเอาต์พุตของออปแอมป์จะมีแรงดันเป็น 0V มอเตอร์จะหยุด ทำ�งาน ออปแอมป์ทั้งสองตัวทำ�งานเหมือนกันดังนั้น เมื่อนำ� iBeam ไปตรวจสอบการเคลื่อนที่ตามเส้น เมื่อเซนเซอร์ตรวจจับการสะท้อนแสงพื้น ผิวสีขาวหรือสีอ่อน ค่าแรงดันที่ได้จะมีค่ามากกว่าค่าอ้างอิงทำ�ให้มอเตอร์ทำ�งาน และเมื่อตรวจเจอพื้นผิวสีเข้มหรือสีดำ� การสะท้อนแสงจะมี น้อยลง มอเตอร์จึงหยุดทำ�งาน หน้าที่ของตัวต้านทาน VR1 และ VR2 จะทำ�หน้าที่ปรับเทียบค่าอ้างอิง เพื่อให้เซนเซอร์สามารถแยกแยะพื้นและเส้นทางเดินของหุ่นยนต์ ได้ วงจรในส่วนเส้นประ ZX-03 คือส่วนของเซนเซอร์ที่ใช้ตรวจจับ ซึ่งจะแยกออกจากบอร์ดควบคุมหลัก iBEAM แบตเตอรี่ที่ใช้กับวงจรนี้ไม่ควรเกิน 6V เนื่องจากถ้าแรงดันมากกว่านี้ทำ�ให้กระแสที่ไหลผ่าน L272M มากเกินไปเกิดความเสียหายได้ สำ�หรับมอเตอร์ที่นำ�มาใช้งานควรเป็นมอเตอร์ที่มีทำ�งานด้วยแรงดัน 4.5V ขึ้นไปเพื่อให้มีค่าความต้านทานภายในมากพอที่จะไม่เป็นโหลดให้ ไอซี L272M เสียหายได้โดยง่าย

3

แผงวงจรตรวจจับการสะท้อนแสงอินฟราเรด ZX-03

TCRT5000

ภายในโมดูล TCRT5000 จะประกอบไปด้วย LED อินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ เมื่อ LED อินฟราเรดส่องแสงไปกระทบวัตถุ แสงจะสะท้อนกลับมาที่ตัวโฟโต้ทรานซิสเตอร์ ถ้าแสงสะท้อนมาก แสดงว่าพื้นผิวเป็นสีขาวหรือสีอ่อน ถ้าสะท้อนน้อยแสดงว่าพื้นผิวเป็นสีดำ�หรือสีเข้ม

ZX-03

เป็นแผงวงจรที่นำ�เอาโมดูลเซนเซอร์อินฟราเรด TCRT5000 มาเชื่อมต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดัน ให้ เอาต์พุตเป็นแรงดันที่แปรผันตามค่าการสะท้อนแสงอินฟราเรดที่ตรวจจับ โดยมีขาต่อใช้งานออกไปคือไฟ เลี้ยง สัญญาณ และกราวด์ดังรูป

บอร์ดควบคุมหลัก iBEAM

รูปที่ 3 แผ่นวงจรพิมพ์ขนาดเท่าแบบของ iBEAM

รูปที่ 4 ตำ�แหน่งการวางอุปกรณ์ลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ ของ iBEAM

รูปที่ 3 แสดงแผ่นวงจรพิมพ์ขนาดเท่าแบบของ iBEAM ซึ่งสามารถนำ�มาติดตั้งอุปกรณ์ ได้ดังรูปที่ 4 หลังจากลงอุปกรณ์เสร็จเรียบร้อย แล้วจะได้บอร์ดควบคุม iBEAM แสดงในรูปที่ 5

รายการอุปกรณ์

ตัวต้านทาน 0W

ตัวต้านทาน 1kW 1/4W 1%

ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบเกือกม้า 10kW ตัวเก็บประจุ 470uF/16V อิเล็กทรอไลต์ LED สีแดง 5 มม.

LED สีเขียว 5 มม.

IC L272M

สวิตช์เลื่อน

ซ็อกเก็ตไอซี 8 ขา

คอนเน็กเตอร์ JST 3 ขา

เทอมินอลบล็อก 2 ขา

คอนเน็กเตอร์ IDC 2 ขา ตัวเมีย

คอนเน็กเตอร์ IDC 3 ขา ตัวเมีย

คอนเน็กเตอร์ IDC 2 ขา ตัวผู้

คอนเน็กเตอร์ IDC 3 ขา ตัวผู้

แผ่นวงจพิมพ์

3 ตัว 3 ตัว 2 ตัว 1 ตัว 2 ตัว 1 ตัว 1 ตัว 1 ตัว 1 ตัว 2 ตัว 3 ตัว 2 ตัว 2 ตัว 2 ตัว 2 ตัว 1 แผ่น

รูปที่ 5 แผ่นวงจรพิมพ์ของ iBEAM เมื่อประกอบเสร็จเรียบร้อย

4

ขั้นตอนการสร้างหุ่นยนต์ iBEAM รายการอุปกรณ์

บอร์ดควบคุม iBEAM x 1

แผ่นกริด 80x80 มม. x 1

ถาดรองกะบะถ่าน x 1

ล้อพร้อมยาง x 2

สกรูเกลียวปล่อย 2 มม. x 2 สกรูหัวตัด 3x8 มม. x 4 สกรู 3x10 มม. x 4 สกรู 3x15 มม. x 2

ชุดเฟืองขับมอเตอร์ อัตราทด 120:1 x 2

แท่งต่อ 5 รู x 2

นอต 3 มม. x 16

ฉากโลหะ 2x3 รู x 2

สกรู 3x25 มม. x 4 สกรู 3x35 มม. x 2 เสารองพลาสติก 25 มม. x 2 แผงวงจร ZX-03 x 2 ชิ้นต่อมุมป้าน x 2

1. นำ�ฉากโลหะยึดเข้ากับแผ่นกริด โดยใช้สกรูหัวตัดขนาด 3x6 มม. ขันยึด ฉากโลหะ 2x3.5 สกรูหัวตัด 3x6 มม. นอต 3 มม.

2. นำ�ชุดเฟืองขับมอเตอร์ BO1 มายึดเข้ากับฉากโลหะ จากนั้นใช้สกรูขนาด 3x25 มม. ขันยึดด้วยนอต 3 มม. หันด้านที่เป็นแกนมอเตอร์ ออกด้านนอก

5

3. นำ�ชิ้นต่อมุมป้าน 2 ชิ้นยึดเข้ากับฐานของหุ่นยนต์เพื่อทำ�หน้าที่ประคองหุ่นยนต์ให้อยู่ ในแนวระนาบ โดยร้อยสกรูขนาด 3x10 มม.ไว้ก่อน จากนั้นจึงค่อยเสียบชิ้นต่อมุมป้านเข้าไป ใช้นอต 3 มม.ขันยึดให้แน่น

4. นำ�แผงวงจรตรวจจับแสงสะท้อน ZX-03 ยึดเข้ากับแท่งต่อ 5 รู ใช้สกรูขนาด 3x15 มม. ขันยึด นอต 3 มม.

สกรู 3x10 มม.

5. นำ�แผงวงจรตรวจจับ ZX-03 ติดตั้งเข้ากับฐานของหุ่นยนต์ โดยใช้สกรูขนาด 3x10 มม. ขันยึดให้แน่น

ด้านบน

ด้านล่าง

6. นำ�สกรูขนาด 3x35 มม. ร้อยผ่านถาดรองกะบะถ่านและรองด้วยเสารองขนาด 25 มม. จากนั้นประกบเข้ากับฐานของหุ่นยนต์ ตำ�แหน่งร้อยสกรู

ด้านล่าง ด้านบน 6

7. นำ�ล้อพลาสติกเสียบเข้าที่แกนของหุ่นยนต์แล้วใช้สกรูเกลียวปล่อยขนาด 2 มม. ขันยึดให้แน่น

8. นำ�บอร์ด iBEAM บรรจุถ่านขนาด AA ลงไปจำ�นวน 4 ก้อน จากนั้นเสียบบอร์ดเข้าที่ถาดรองกะบะถ่าน ในตำ�แหน่งดังรูป

9. เสียบสายสัญญาณของแผงวงจร ZX-03 เข้ากับจุดต่อ LEFT sensor และ RIGHT sensor ในตำ�แหน่งดังรูป 10. สำ�หรับสายมอเตอร์ ให้เสียบสายโดยเมื่อหมุนมอเตอร์ ไปด้านหน้า ไฟแสดงสถานะของมอเตอร์จะต้องติด แสดงว่าเสียบสายถูกต้อง ถ้าไม่ ติดให้กลับทิศทางของสายใหม่ การสร้างหุ่นยนต์ iBEAM ก็เสร็จสมบูรณ์

7

การทดสอบ

1. เมื่อเปิดสวิตช์ LED สีเขียวจะติดสว่าง 2. วางหุ่นยนต์ iBEAM ไว้ที่พื้นที่สีขาว ปรับหมุนตัวต้านทานปรับค่าได้ทั้งสองข้างในทิศทางตามเข็มนาฬิกาจนสุด มอเตอร์ทั้งสองตัวจะหยุด หมุนและ LED สีแดงทั้งสองตัวจะดับ 3. ยกหุ่นยนต์ขึ้นจากพื้น ปรับหมุนตัวต้านทานปรับค่าได้ทั้งสองข้างในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาจนสุด มอเตอร์ทั้งสองตัวจะต้องหมุนไปด้าน หน้าและ LED สีแดงจะติดสว่าง ถ้าไม่เป็นตามทั้งสามข้อข้างต้นให้ตรวจสอบ การเชื่อมต่อและการติดตั้งแผงวงจร ZX-03 ตัวต้านทานปรับค่าได้

ตัวต้านทานปรับค่าได้

สนามทดสอบ

สนามทดสอบสามารถสร้างได้ง่ายๆ จากอุปกรณ์ 2 ชิ้นคือ แผ่นพลาสติกลูกฟูก(ฟิวเจอร์บอร์ด) และเทปพันสายไฟ (แนะนำ�ยี่ห้อ 3M เพื่อ การยืดหยุ่นที่ดี จากนั้นเดินเส้นเทปพันสายไฟลงบนพื้นพลาสติกลูกฟูก ในรูปแบบดังรูป

เดินเส้นด้วยเทปพันสายไฟ เดินเส้นเทปลงบนพลาสติดลูกฟูก

การปรับแต่งเพื่อให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ตามเส้นสีดำ�

1. นำ�หุ่นยนต์วางบนพื้นผิวสีขาว จากนั้นยกตัวหุ่นยนต์ขึ้นจากพื้นประมาณ 3 เซนติเมตร ปรับตัวต้านทานปรับค่าได้จนมอเตอร์เปลี่ยน จากตำ�แหน่งหมุนเป็นจุดหมุนพอดี 2. ทดสอบปล่อยหุ่นยนต์เคลื่อนที่ตามเส้น สังเกตการเคลื่อนที่ว่าหลุดออกนอกเส้นหรือไม่

8