3.1 實驗系統設計
3.1.4 手指旋轉裝置系統
手 指 旋 轉 裝 置 系 統 的 目 的 是 帶 動 手 指 繞 著 掌 指 關 節 (Metacarpophalangeal, MCP)作旋轉，促使手指肌肉因快速伸展而造成牽張反
校正鈕
感測器連接端 DAQ 連接端
電壓輸出(12VDC) 電壓輸入(110VAC)
射(Stretch Reflex)。手指旋轉裝置系統是由個人電腦(PC)、馬達控制器
(Controller)、伺服馬達(Servo Motor)、手指旋轉裝置、資料擷取裝置(DAQ) 與支撐架。而伺服馬達(Servo Motor)是由驅動器(Driver)、馬達(Motor)與編 碼器(Encoder)組成，手指旋轉裝置系統架構如圖 27。
圖 27 手指旋轉裝置系統
PC的功能是藉由馬達控制器來控制馬達啟動的時間、馬達位置與馬達 轉速。馬達控制器(Controller)的功能是送出命令訊號給馬達，其規格如表
4。其配件包含控制器、37Pin排線、接線台、電源供應器與網路線(跳線)，
如圖 28。馬達控制器(Controller)將PC送來的命令訊號轉成類比訊號後，再 將該訊號傳給馬達驅動器(Driver)。命令訊號的形式是以「脈波列」(PULSE) 加「符號」(SIGN)傳送，如圖 29。「脈波列」決定馬達要移動多少位置或 速度，「符號」決定馬達的移動方向為逆時鐘或順時鐘。命令分周率決定 馬達每一轉切割為多少脈波(Pulse)，預設是每轉分為10000Pulse，即10000
PC Controller Driver Motor Encoder
Finger Finger Rotation Finger Stretching
Device
DAQ
NI-9239 Velocity、Torque
脈波等於360度。當移動角度設定為10000Pulse，則代表馬達移動360度，而 正為逆時鐘旋轉，負為順時鐘旋轉。當移動速度設定為10000Pulse，則代表 馬達移動速度每秒360度。接線台的功用是將每個控制器的功能以單一腳位 的方式輸出，接線台輸出的另一端即為驅動器之接線台，兩邊連接相對應 之功能腳位。網路線是用來連接PC，作為PC與控制器之間的訊號通訊用。
圖 28 控制器與驅動器接線 表 4 控制器規格表
項目 規格
形式 獨立型
通訊介面 Ethernet 10BaseT
軸數 2
最大編碼器回授率 12MHz 最大步進輸出頻率 3MHz 位置解析度 32bit 速度解析度 12M/s 加速度解析度 67M/s^2 最小伺服更新率 250us 驅動器接線台
控制器 37Pin 排線
接線台
電源供應器
網路線介面
圖 29 控制訊號定義
驅動器(Driver)採用 MCDDT3520(Panasonic Corp, Kadoma City, Osaka, Japan)，功能是將控制器所送過來的控制訊號轉換成馬達可接受的格式並放 大，以驅動馬達，同時也接收與輸出來自編碼器(Encoder)之回授訊號，透 過編碼器(Encoder)之回授訊號可得知馬達的運動狀態(如圖 30)。另外，驅 動器(Driver)也作為馬達電源供應、馬達控制模式設定與增益調整等之功 用。編碼器訊號分為三相，分別是 ABZ 相。透過 AB 相的脈波數量與時間 的長度可得知馬達之轉速。接地是用來作為馬達各訊號之接地用，也可用 來集中其他設備之接地線至電源插座接地。為了降低雜訊之干擾與人員觸 電，所有設備都將接地線連接至驅動器之接地，然後驅動器之接地再連接 電源插座之接地，即所有設備共地。依據機構特性，伺服馬達增益調整相 關參數需經過多次測試才能找出較佳的設定值。調整增益參考之依據為馬 達速度曲線圖、馬達扭力曲線圖、馬達運轉噪音與馬達運轉振動。
逆時鐘 順時鐘
脈波列
符號
圖 30 驅動器正面面板
資 料 擷 取 裝 置 (Data Acquisition, DAQ) 採 用 cDAQ-9172 與 NI-9239(National Instruments Corp, Austin, Texas, USA)。NI-9239為一類比輸 入模組，其安裝在cDAQ-9172上，用來擷取類比電壓，具備4通道，將用兩 組NI-9239(共8通道)來擷取3組EMG訊號、1組驅動器之轉速監控訊號、1組 驅動器之扭力監控訊號與力規(Load Cell)訊號。此系統中，DAQ的功能是擷 取驅動器傳送來之類比電壓訊號，分別是扭力監控訊號與轉速監控訊號。
轉速與扭力監控訊號之換算比分別為6V/188r/min與3V / 400%額定扭力。
馬達(Motor)採用MHMD082P1S交流伺服馬達(Panasonic Corp, Kadoma City, Osaka, Japan)，額定功率為750W，額定扭矩為2.4N-m(瞬時最大扭矩為 7.1N-m)，功能則是輸出扭力給手指旋轉裝置，使其運動，馬達固定在手指 旋轉裝置上，規格如表 5。馬達之負載慣量為主動輪慣量加上被動輪慣量。
驅動器接線台
接地 驅動器
伺服馬達連
編碼器連接 控制器連接
控制器接線台 PC 連接 控制器
主動輪慣量與被動輪慣量分別為9.395kg-cm^2與27.807kg-cm2。馬達之負載
伺服馬達 手指旋轉裝置
圖 31 編碼器訊號格式
手指旋轉裝置的功能是固定並轉動手指頭，讓手指頭以MCP為中心旋 轉，手指旋轉裝置系統的架設如圖 32與圖 33。手指旋轉裝置可依實驗的 需求來改變旋轉之平面為水平或垂直。而其中利用兩組近接感測器來作為 逆時鐘與順時鐘方向之極限開關，限制機構移動的範圍，並且可由實驗操 作者自行調整，如受測者手指實驗需移動30度，則限制範圍為35至40度。
詳細零件設計圖如附錄一。
圖 32 手指旋轉裝置水平架設
逆時鐘 順時鐘
A 相
B 相
Z 相
B 相落後 A 相 B 相超前 A 相
圖 33 手指旋轉裝置垂直架設