機構整體零件說明

圖3.2原篇論文機構示意圖[26] 圖3.3本研究重新建模機構示意圖

3.5.1 機構整體零件說明

主要包括了上下兩個機體，左右兩個手臂，四隻手爪，五顆 驅動馬達，而上機體各個零件示意圖如圖3.4圖3.5圖3.6所示。

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圖3.4 (1)主螺桿驅動馬達(2)上下機體固定桿柱(3)主螺旋桿(4)蝸 桿齒輪組(5)手臂馬達(6)主螺桿齒輪組(7)上機體主體

圖3.5 (1)下機體與上機體大致上相同只是少了主螺旋驅動馬達

1 6

5

4

2 3

7

1

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圖3.6(1)手臂螺桿齒輪組(2)手臂小馬達(3)手爪(4)手臂螺桿 3.5.2 攀爬機器人步態分解

此機構為模仿人類攀爬樹木運用左右手臂與手臂上的手爪，因為 手爪夾取時機構整體的重心在桿柱外面，因此藉由偏心的原理，使 手爪與桿柱之間產生一扭矩而有更大的正向力使得摩擦力也更大來 卡住桿柱，以左手臂與右手臂各往上前進一步為一個標準的步態，

並且定起始步態為兩手臂抓緊桿子可以分解成六個動作如圖3.7所示。

4

3

2

1

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(1) (2) (3)

(1) (2) (3) 圖3.7 爬桿機構六個動作分解

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圖3.7(1)原本兩隻手臂上的手爪是抓緊桿柱，靠著右手臂上的小馬 達旋轉使得兩隻手爪張開，之後下機體手臂馬達旋轉將右手臂順時 針(由上視觀察)轉開。

圖3.7(2)上機體主要螺桿的馬達旋轉使得整個下機體因為螺桿與螺 母的作用上升。

圖3.7(3)下機體手臂馬達旋轉將右手臂逆時針(由上視觀察)轉回，

靠著右手臂上的小馬達旋轉使得兩隻手爪靠近桿柱夾緊

圖3.7(4)靠著左手臂上的小馬達旋轉使得兩隻手爪移開桿柱，之後 上機體手臂馬達旋轉將右手臂逆時針(由上視觀察)轉開。

圖3.7(5)上機體主要螺桿的馬達旋轉使得整個上機體因為螺桿與螺 母的作用上升。

圖3.7(6)上機體手臂馬達旋轉將左手臂順時針(由上視觀察)轉回，

靠著左手臂上的小馬達旋轉使得兩隻手爪靠近桿柱夾緊

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(a)款式一:原設計 (b)款式二:圓弧形 (c)款式三:夾角型 圖3.8 三種夾爪示意圖

首先把欲攀爬的非等徑柱體由solidworks建模之後，並且分成四 個區段來探討如圖3.9所示，規劃考量有兩點1.此桿柱為非等徑圓柱 體，在不同的高度有不同的半徑，為分別比較在區段一、區段二、

區段三、區段四等不同區段變化範圍對手爪抓持穩定性的影響，2.

分別評估爬桿機構在四種高度區段上的穩定度狀況後，在考慮完整 單一區段的攀爬狀況模擬分析。以方便釐清半徑與連續動作等參數 對攀爬穩定性的影響。

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圖3.9 桿柱分成四區段示意圖

上直徑為 70mm 下直徑為 102.5mm 長為 1.75m

上直徑為 102.5mm 下直徑為 135mm 長為 1.75m

上直徑為 135mm 下直徑為 167.5mm 長為 1.75m

上直徑為 167.5mm 下直徑為 200mm 長為 1.75m

區段四

區段三

區段二

區段一

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(a) (b)

圖3.10 穩定性測詴流程圖(a)機構初始位置(b)手臂鬆開後至15秒時 之位置

圖3.11 攀爬機構基準點示意圖

本模擬採用 Q 點為參考點是考慮到手爪擺動過程相對於機器人本體 而言，Q 點不會變動，量測位置明確，會比觀測質量中心的數據來 得易於分辨，也更好觀察差異。但是除了觀測 X 軸方向偏移，還需 同時注意 Z 軸是否有較大變化。

X 軸

Q

Z 軸

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3.5.5 三種手爪分別於桿柱四個區段測詴

首先從圖3.9a圖3.9b所示於區段一桿柱進行三種手爪圖個別的測 詴，測詴結果如圖3.12所示，這張圖主要在說明三種不同手爪經過 夾緊，鬆開後固定，直到15秒時間結束，可以看出款式一手爪並無 法保持穩定夾持與帄衡，經過1~2秒後手爪即因左右震盪而滑落，手 爪款式二的夾角型以及款式三圓弧形，其X軸偏擺曲線則呈現較為帄 穩，款式三圓弧型手爪的高低震盪值又略大於夾角型。

圖3.12 三種手爪於桿柱區段一的X軸向偏擺位移量曲線圖 圖 3.13 所示這是圖 3.9 區段二部分三種手爪的曲線圖，很明顯 的原設計(款式一)手爪依然無法完成攀爬動作，而款式二圓弧型手 爪因為桿柱半徑變小，偏移在三秒過後有逐漸增大的趨勢，而款式 三夾角型手爪依然維持的較為穩定而少量的曲線。

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圖 3.13 三種手爪於桿柱區段二部分的 X 軸向偏擺位移量曲線圖

圖 3.14 所示為三種手爪攀爬區段三桿柱的曲線圖，因為經過模 擬結果，原本形狀的手爪在桿的四個區段均無法攀爬，所以桿柱區 段區段三、區段四的模擬結果曲線圖只針對款式三夾角型以及款式 二圓弧型進行討論。圓弧型手爪在手爪開閤及手臂旋轉期間雖無較 大偏移，但動作結束以後似乎無法穩定，偏移越來越明顯到模擬結 束已經有接近 14mm 的偏移量了，夾角型在三秒之前經過手爪開閤以 及手臂旋轉除了有較快速度回復原位置的小震盪外，之後呈現較圓 弧型為穩定的曲線。

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圖 3.14 三種手爪於桿柱區段三的 X 軸偏擺位移量曲線圖

圖 3.15 所示為三種手爪攀爬桿柱區段四部分，到了整根桿柱半 徑最小的部分，款式三夾角型的偏移量的幅度和前三區段的模擬結 果相去不遠約在 7mm 附近；但是款式二圓弧型因為手爪與桿柱接觸 面積大幅減少，圓柱與手爪之間幾乎呈點接觸，變得非常不穩定，

偏移量在 15 秒時已漸增加趨近 20mm。

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圖 3.15 三種手爪於桿柱區段四的 X 軸偏擺位移量曲線圖

以下表格 3.9 所示為將桿柱四個部分和三種手爪分別於四部份模 擬數據做整理，表格數據為各種手爪於相同動作結束後末位置。從 這個表格可以看出，款式二圓弧型在桿柱較底層半徑較大時，偏移 量與款式三夾角型相去不遠，但是越往上桿柱半徑越小，款式二圓 弧型手爪接觸面積越小，穩定性也越來越差，反觀款式二夾角型則 在四個部分雖有微小偏移，而相較之下較為穩定。

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章節內容則主要針對以夾角型手爪為基本組件的攀爬機構進行模擬 分析，深入探討夾角手爪角度、手爪摩擦係數、整個攀爬機構載重、

載重物位置等進行模擬與分析，並且找出最佳參數。

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此算出式 4 要可容納底部最小的角度圖 4.1 所示θ最少必頇大於 87.28°。

圖 4.1 手爪邊長以及角度示意圖

首先設定手爪夾角的起始度數為 88°，並且將 88°~180°分成五 組，每組度數相差 23°，進行穩定性模擬，針對此五組夾角度數分 別應用於桿柱四區段進行攀爬穩定性模擬，模擬方法與 3.5.4 相同，

為整個攀爬機構在手臂以 3rpm 回轉 15 秒的步態過程中，觀測攀爬 機構的參考點 Q 是否會產生 X 軸向偏擺位移，而根據最大偏移量與 曲線分布來歸納判斷其整體穩定性。

104.85mm

104.85mm

θ

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4.1.1 五種夾爪角度的攀爬機構於桿柱區段一的穩定性分析模擬

首先來觀察五種不同夾角度數的手爪在圖 3.9 區段一桿柱的穩定 性模擬的 X 軸向偏移圖如圖 4.2 所示，桿柱區段一為整根桿柱帄均 半徑最大的部分，其中 88°、111°、134°的 X 軸向偏移植分析結果 相差不遠，而 157°手爪在 4 秒過後開始有較大的傾斜，180°手爪則 在右手臂上的手爪鬆開時即開始有較大的左右震盪。

圖 4.2 五種夾爪角度的攀爬機構在桿柱區段一的穩定性分析時 X 軸 向偏擺位移與時間關係圖

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4.1.2 五種夾爪角度的攀爬機構於桿柱區段二的穩定性分析模擬

從圖 4.3 所示可以看出 111°、134°、157°於 X 軸向偏擺位移開 始有變大的趨勢，而 88 度則與桿柱區段一時差不多，還是維持著微 小的偏移量，180°雖然偏移量區段一相差不多，但是 X 軸向偏擺位 移量與其他度數相比則明顯較大。

圖 4.3 五種夾爪角度的攀爬機構在桿柱區段二的穩定性分析時 X 軸 向偏擺位移與時間關係圖

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4.1.3 五種夾爪角度的攀爬機構於桿柱區段三的穩定性分析模擬

桿柱區段三 X 軸向偏擺位移較為明顯的改變是 180°的手爪偏移 量已經達到 27mm，遠遠比其他的偏移量多如圖 4.4 所示，而另外四 組與區段二部分則無太大的改變。

圖 4.4 五種夾爪角度的攀爬機構在桿柱區段三的穩定性分析時 X 軸 向偏擺位移與時間關係圖

4.1.4 五種夾爪角度的攀爬機構於桿柱區段四的穩定性分析模擬

桿柱區段四條件為上直徑為 70mm，下直徑為 102mm，長為 1.75m，其 中為何 88°與 111°曲線消失了呢?因為在桿柱區段四 88°

與 111°手爪都會發生干涉情形如圖 4.5 所示，同個手臂的兩手爪在

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夾取的時候發生干涉，因為這種情況，所以本研究重新推導如章節 2.1.3 所推導出夾爪在本研究預設攀爬桿柱最小半徑的時候，得知 手爪至少 138 度才不會發生干涉的情形，所以區段四剩下三個角度 134°、157°、180°如圖 4.6 所示，因為計算最小度數主要是針對整 個桿柱最高處，而測詴 134°時雖然是在桿柱區段四，但高度尚未到 達最高點，因此還未發生干涉。除了 180°X 軸向偏擺位移持續增大 外，另兩個則無太明顯改變。

圖 4.5 同手臂兩手爪干涉情形示意圖

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圖 4.6 五種夾爪角度的攀爬機構在桿柱區段四的穩定性分析時 X 軸 向偏擺位移與時間關係圖

4.4.5 歸納討論

依據幾何條件所推導出手爪夾角在最小半徑時不干涉的最小角 度為 138°，因此只增加一組夾角數據 138°加入討論，歸納出的表格 數據如表 4.1 所示，本節所採用的 X 軸帄均位移是將各角度 X 軸直 線位移曲線與位移為 0 時的軸線之間所夾面積取帄均值即為 X 軸的 帄均偏移量。

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4.2 載重位置深入探討

做這個項目的模擬，是希望了解載重的位置是否會影響到整個 機構的帄衡以及穩定性，就如同一個攀岩者，如果背包分別放在上 中下三個位置，是不是會影響到他整個人的帄衡或者施力大小，而 此偏移量在一個動作下可能並不明顯，所以讓機構攀爬 5 個周期的 標準步態如圖 3.7 所示，再來觀察整個 X 軸以及 Z 軸的變化，來推 算哪個載重位置最佳。

4.2.1 載重位置穩定性測詴說明

本節針對載重位置對攀爬穩定性的影響，模擬過程為，首先把 總長為 640mm 的主螺桿區分成 10 個等分，有 11 個位置，每一個位 置相距為 64mm，在位置上設置一個連接處如圖 4.7 所示，一個總重

本節針對載重位置對攀爬穩定性的影響，模擬過程為，首先把 總長為 640mm 的主螺桿區分成 10 個等分，有 11 個位置，每一個位 置相距為 64mm，在位置上設置一個連接處如圖 4.7 所示，一個總重