ในบรรดาชิ้นส่วนทั้งหมดของหุ่นยนต์ สิ่งที่สามารถยืนยันได้เลยว่าสำคัญมากที่สุดในตัวหุ่นยนต์นั่นก็คือ ตัวเกียร์ นั่นเอง นอกจากว่าจะเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญแล้ว ยังเป็นชิ้นส่วนที่มีราคาสูงสุดในหุ่นยนต์เสียด้วย แล้วประเทศอะไรหละที่เป็นผู้ผลิตเกียร์ที่มีความซับซ้อน และมีความแม่นยำสูงที่ใช้ในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม?
ประเทศญี่ปุ่นถือว่าเป็นผู้นำทางการผลิตหุ่นยนต์ อีกทั้งยังเป็นผู้นำผู้ผลิตเกียร์อีกด้วย โดยเกียร์ที่ใช้ในหุ่นยนต์นั้นมีราคาถึง 35% ของต้นทุนทั้งหมดของหุ่นยนต์, ชิ้นส่วนอื่นๆเช่น Servo Motor เซอโวมอเตอร์ 20%, ระบบควบคุม 15-20%, ที่เหลือนั้นคือชิ้นส่วนเหล็กที่ประกอบขึ้นมาเป็นตัวหุ่นยนต์นั่นเอง ซึ่งทั้งหมดนี้ก็ถูกคุมตลาดโดยยักษ์ใหญ่ไม่กี่บริษัทในยุโรป และญี่ปุ่นอย่างเช่น Yaskawa Electric ผู้ผลิต เซอร์โวมอเตอร์, Fanuc ผู้ผลิตหุ่นยนต์และตัวควบคุม และชิ้นส่วนเหล็กหุ่นยนต์โดยตรง, หรือว่าจะเป็นบริษัท Nabtesco และ Harmonic drive system ที่ผลิตเกียร์ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่สุดสำคัญของหุ่นยนต์
ภาษาอังกฤษตัวเกียร์นั้นเรียนกอีกอย่างว่า Speed Reducer ซึ่งสามารถแปลได้ตรงตัวเลยว่า ตัวลดความเร็ว คำถามคือ ลดความเร็วอะไร?
การที่มีตัวเกียร์ก็เพื่อที่จะลดความเร็วการหมุนของตัวมอเตอร์ที่มีรอบหมุนสูง และเปลี่ยนแรงหมุนตัวนั้นเป็นแรงบิด หรือว่า ทอร์ค Torque นั่นเอง โดยตัวแรงบิดนี่เอง เป็นสิ่งสำคัญที่จะเพิ่มกำลังของตัวหุ่นยนต์ และทำให้หุ่นยนต์นั้นสามารถแบกรับน้ำหนักของสิ่งที่จะหยิบหรือจับได้มากขึ้นนั่นเอง
ถ้าเรามองให้ทะลุไปในหุ่นยนต์มากกว่านี้ เกียร์ในหุ่นยนต์ที่ใช้กันอยู่มี 3 ประเภทหลักๆ Harmonic reducer ฮาร์โมนิกเกียร์, Rotary vector reducer RV เกียร์, และ Planetary reducer เกียร์ดาวเคราะห์
RV Reducer (รูปด้านบน) นั้นมีอยู่ในหุ่นยนต์โรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ทุกตัว ในทุกๆข้อต่อที่ต้องมีการเคลื่อนไหว โดยปกติแล้วหุ่นยนต์นั้นมีข้อต่อทั้งหมด 6 ข้อต่อ เพื่อรับน้ำหนักและเพิ่มการเคลื่อนไหวให้ในหลายทิศทาง
ตัวเกียร์ RV Reducer จะถูกหมุนที่ input gear หรือว่า crank shaft โดยที่แรงหมุนจะถูกส่งไปที่ spur gear โดยชุดเกียร์แรกนี้ได้ล่นความเร็วและเพิ่มแรงให้กับตัวเกียร์เป็นรอบแรก เพื่อที่จะไปหมุนตัวเกียร์ Rotate vector gear อีกสองตัวที่อยู่ในตัวกล่องเกียร์เพื่อเป็นการลดความเร็วและเพิ่มแรงเป็นรอบที่สอง โดยตัวเกียร์สองตัวนี้ถูกยึดในตำแหน่งที่ต่างกัน 180 องศา ให้น้ำหนักถ่วงกันเพื่อถ่วงน้ำหนักของตัวเกียร์เวลาถูกหมุน โดยตัวเกียร์นี้มีตัวฟันเกียร์ที่เกาะยึกติดกับตัว Case หรือตัวกล่องเกียร์อยู่และจะหมุนไปหนึ่งซีกฟัน ก็ต่อเมื่อ input gear นั้นหมุนไป 1 รอบนั่นเอง
หากเราคิดง่ายๆ เราจะสังเกตได้ว่าหากตัว crank shaft หมุนไปหลายรอบ ตัวกล่องเกียร์หรือตัว output shaft นั้นจะหมุนไปไม่แค่กี่รอบเท่านั้นเอง โดยแรงของมอเตอร์จะถูกส่งไปยังตัว shaft หรือ ตัวกล่องเกียร์เพื่อไปขยับตัวหุ่นยนต์อีกทีนึง โดยถ้าตัวกล่องเกียร์ถูกยึก shaft จะส่งแรงแทน แต่ถ้า shaft ถูกยึดกล่องเกียร์จะส่งแรงแทนนั่นเอง
ดูวิดีโอด้านล่าง
เราจะสังเกตได้ว่าการสร้างกล่องเกียร์นั้นไม่ใช่เรื่องง่ายๆเลย ต้องใช้ความเข้าใจทั้งตัวหลักการและการผลิตอย่างถ่องแท้ โดยตัวเกียร์นั้นมีความแม่นยำถึง 100 ไมครอน และยังสามารถรับแรงบิดได้มากถึง 5 เท่าของที่กำหนดไว้ เหมาะสมกับการใช้ในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
….แต่ถึงอย่างงั้นวิธีการสร้างกล่องเกียร์นั้นไม่ได้เป็นความลับแต่อย่างใด เพราะตัวเกียร์นั้นถูกผลิตมานานมากแล้ว แต่กำแพงที่จะทำให้บริษัทคู่ต่อสู้อื่นนั้นเข้ามาทำธุรกิจนั้น ถูกกั้นไว้เพียงแค่ เทคโนโลยี และฝีมือการผลิตของบริษัทผู้ผลิตเท่านั้นเอง
ในทางกลับกัน หากเรามองย้อนกลับไปที่ Harmonic reducer นั้น ระบบการทำงานของตัวกล่องเกียร์ชนิดนี้เข้าใจได้ง่ายกว่า และผลิตได้ง่ายกว่า ซึ่งอาจจะเป็นอีกผลหนึ่งที่ทำให้บริษัทในประเทศจีนนั้นเริ่มกินส่วนแบ่งตลาดของบริษัทญี่ปุ่น Harmonic drive system โดยเกียร์ประเทศนี้นั้นจะใช้ในหุ่นยนต์ที่มีขนาดเล็กหรือตัวข้อต่อของหุ่นยนต์ที่ใช้แรงน้อยกว่า RV reducer เช่น สองถึงสามข้อต่อสุดท้ายที่รับแรงน้อยกว่าส่วนอื่นๆ
Harmonic Reducer (รูปด้านล่าง) แรงหมุนจากมอเตอร์ถูกส่งจากเข้าตัว Elliptical Disk หรือ ตัวกล่องลูกปืนที่มีลักษณะเป็นรูปวงรี หรือว่า wave generator (เป็นที่มาของชื่อ Harmonic wave) โดยตัวกล่องเกียร์นี้จะถูกใส่เข้าไปที่ Flex spine ที่มีลักษณะที่สามารถเปลี่ยนรูปล่างเล็กน้อยได้ โดยด้านนอกจะมีฟันที่ยึกติดกับตัว Circular Spine โดยเวลากล่องลูกปืนหมุนหนึ่งรอบ ก็จะหมุนตัวกล่อง flex spine ไปในตัวและถ่ายถอดแรงบิดไปยังตัวหุ่นยนต์นั้นเอง
เราจะสังเกตได้ว่าการผลิตและความเข้าใจในเกียร์นั้นเป็นสิ่งสำคัญในส่วนประกอบของหุ่นยนต์และไม่ใช่สิ่งง่ายเลยที่จะผลิตกล่องเกียร์พวกนี้ แต่สิ่งสำคัญในตลาดหุ่นยนต์นี้คือ การรักษาผลกำไรและไม่เสียส่วนแบ่งตลาดให้กับผู้เล่นอย่างเช่น จีน ที่กำลังบุกตลาดอย่างแท้จริง
หากตราบใดที่บริษัทจีนอย่างเช่น Leaderdrive ไม่สามารถที่จะเลียนแบบ หรือสร้างเทคโนโลยีที่ใกล้เคียง Nabtesco ได้ นั้นหมายความว่าตลาด RV Reducer นั้นก็จะถูกครองโดยยักษ์ใหญ่ในญี่ปุ่นเช่น Nidec หรือ Sumitomo heavy industry ไปอีกสักระยะเลยทีเดียว
ปรพล ตันติธารทอง
