工作原理和概念設計

應用在機器人上的致動器普遍結構過於複雜，而且需要體積龐大的能量提 供來源，大為影響移動性和配置便利性。為了減少慣性作用力所產生之殘振，阻 尼減振器提供了有效的方法，但也是機器人系統更加複雜，限制機器人的行動性。

使用磁黏滯液體的致動器可以整合其磁黏滯阻尼特性，透過致動和阻尼減 振的合併，可以使致動器系統體積更為緊緻，大為提升其應用範疇。本章首先從 磁黏滯液體的特性探討出發，以探尋合適的磁黏滯致動器的概念設計方案。

圖3.1 表示磁黏滯液體常用的工作方式有三種：(a) 剪力模式、(b) 流動模 式、(c) 變形模式；主要是利用磁場改變磁黏滯液體之黏度和降伏剪應力，進而 開發出減振或制動裝置。除此之外，磁黏滯液體也具有導磁特性會受到磁場吸引 而產生位移和出力，本論文則依據上述兩種特性進行具有阻尼減振功能致動器之 設計開發。

(a) 剪力模式 (b) 流動模式 (c) 變形模式

本論文將磁黏滯致動裝置之功能結構主要分成磁場產生單元、磁黏滯致動 單元和輸出作用單元。

磁場產生單元提供工作所需的磁能，其中包括永久磁石和電磁線圈，磁迴 路則負責導引磁能到工作位置。磁黏滯致動單元進行能量轉換，透過磁能變動來 改變磁黏滯液體性質，進而產生作用力或位移的變化輸出作用單元則負責將磁黏 滯液體所產生的變動予以展現輸出。

磁場產生的磁迴路形式可以設計成U 型、同心圓及多磁極三種，圖 3.2(a) 為U 型磁迴路，U 形結構由電磁線圈線圈和導磁元件構成，磁場透過兩個磁極 垂直導入磁黏滯液體中。同心圓型磁迴路配置則如圖3.2(b)所示，磁場由中心磁 極流出，磁黏滯液體則放置在磁迴路空間中。經過磁黏滯液體再導入外圍磁極圓 筒。多磁極式磁迴路配置如圖3.2(c)所示，利用電磁線圈之磁極搭配，來引導磁 力線流向磁黏滯液體之工作處所。

(a) U 型磁迴路結構

(b) 同心圓式磁迴路結構

導磁元件

電磁線圈 磁黏滯液體

(c) 多磁極式磁迴路結構 圖3.2 磁迴路形式

U 型磁迴路以垂直導入磁黏滯液體中。配置的分布將影響致動力的均勻性。

同心圓式磁迴路有較對稱的磁場分布，但是磁場強度將隨著離中心磁極之距離增 大而急驟下降。多磁極式磁迴路與同心圓式磁迴路類似，調整磁極的位置可創造 均勻的磁場分布，磁場強度衰減方式亦與同心圓式磁迴路相同，但結構內互斥的 磁場能些微集中發散的磁力線。

本論文利用液囊或液管將磁黏滯液體限制在一定的作用空間中，提供保護 及轉換磁力為致動力的功能。材料之彈性性質和幾何尺寸是磁能轉換致動能量的 關鍵影響因素。矽膠管和戲膠囊是性質穩定的材料，被廣泛應用在醫學工程上，

本研究選用矽膠管和矽膠囊作為磁黏滯液體的容器。

矽膠管的外觀如圖3.3 所示，彈性和撓性極佳，同時有很好的氣密性。根據 多樣化設計原則，磁黏滯液管可以作串聯式或並聯配置的變化設計，串聯可以提 升變形位移的累積，並聯可以提升變形出力。圖3.4 展示矽膠管的一種致動方式，

以磁力吸引矽膠管中磁黏滯液體，而產生彎曲變形。

圖3.3 乳膠管外觀[6]

(a)未施加磁場 (b) 施加磁場 圖3.4 磁黏滯液管彎曲變形致動原理

圖3.5 為矽膠囊之外觀，大多為訂製品使磁黏滯液體的填充或是更動較為困 難。但球狀液囊使變形較均勻，受外力時也不像乳膠管會有挫曲的現象發生。工 作原理可分兩種，第一種是厚度吸附致動變形，如圖3.6(a)所示，利用磁引力吸 引矽膠囊外圍未被吸附的部份，使矽膠囊緊吸附於磁極液囊因而厚度縮小變形。

第二種是厚度伸長變形致動原理，如圖3.6(b)所示，在周圍設置導磁材料將發散 的磁力線加以導引，液囊中的磁黏滯液體便會隨著磁力線排列，液囊產生厚度深 長。

線圈 導磁材料

磁黏滯液管

圖3.5 矽膠囊外觀圖[7]

(a)未施加磁場 (b) 施加磁場 (a) 厚度吸附變形致動原理

(b) 厚度深長變形致動原理 H H

電磁線圈 導磁材料

磁黏滯液管

依據前述兩種致動概念原理，可將各種磁迴路以及磁黏滯液管或磁黏滯液 囊的空間配置作變化設計，表3.1 展示了幾種不同的設計概念。

表3.1 磁迴路及磁黏滯液管或磁黏滯液囊的變化設計方案

No 示意圖 說明

1 並排磁黏滯液管+U 型磁迴路

磁黏滯液管被兩端磁極吸引 產生彎曲，進而造成軸向距 離縮短。

2 並排磁黏滯液管+雙磁迴路

以 複 數 線 圈 形 成 多 個 磁 迴 路。並以磁極吸引磁黏滯液 管產生彎曲變形，進而造成 軸向距離縮短。

3 並排磁黏滯液管+同心圓式磁迴路

同心圓式磁極、導磁材料和 磁黏滯液管形成磁迴路。磁 極 吸 引 磁 黏 滯 液 管 產 生 彎 曲，進而造成軸向距離縮短。

磁黏滯液管 電磁線圈

磁黏滯液管

電磁線圈

4 橫向磁黏滯液管+同心圓式磁迴路

以同心圓式之中心磁極吸引 磁黏滯液管產生彎曲變形。

5 磁黏滯液囊+U 型式磁迴路（側向變形）

兩端磁極使液囊產生拉伸變 形，進而此液囊中心區域產生 凹陷變形。

6 磁黏滯液囊+同心圓式磁迴路（縱向變形）

利用磁黏滯液囊上下兩側的 相異磁極作用，使液囊產生厚 度拉伸變形。

由表3.1 所展示的各種變化設計中可以看出，致動性能關鍵是如何在磁黏滯 致動單元中產生足夠的磁能變化，而磁極間隙又會影響致動行程和磁迴路的磁 阻，兩者非同調變化，並須進行最佳化設計。

磁黏滯液囊 電磁線圈

磁黏滯液管

電磁線圈

電磁線圈

磁黏滯液囊