第二章 實驗平台設計
2.1 機械夾爪設計
2.1.2 機構設計
2.1.2.1 單指模組的機構設計
A B
C D
E
F G
桿1 桿2
桿5 桿3 桿4
桿6
圖2-6 單指簡單機構概念示意圖
桿1
桿2
桿3 桿4
桿5 RC馬達固定架
內齒輪
太陽齒輪 RC馬達
RC擺臂 行星架
電位計
蝸輪軸孔 彈簧 磁鐵孔
固定孔
桿6
圖2-7 單指機構設計圖(以 Finger2 為例)
圖2-6 為一簡單的單指機構概念圖，可與圖 2-3 互相對應，桿 4(桿件 FG) 的 增加是為了穩固機構和方便加裝電位計。夾爪上安裝的伺服馬達與電位計的規格
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如表 2-4[33]和表 2-5 所示。實驗中的伺服馬達因為有其他電子零件的關係，工作 電壓為 5V 而非效能最大的 7.4V，輸出扭力預估在 27kg-cm 左右，齒輪的挑選需 承受住伺服馬達的輸出扭力是以這個數直進行估計。
一個夾爪機構會希望桿2 不要過長，而桿 2 的長度會被環齒輪的直徑所限制，
除此之外，在希望夾爪能夠越輕巧越好的目標上，皆希望環齒輪越小越好；然而，
環齒輪的訂製昂貴，綜合了價格上的考量後選擇了KHK 製造的標準環齒輪中最小 的型號，其詳細的規格如表 2-6[34]所示，在這個規格下內齒輪可以承受住伺服馬 達的最大扭力。太陽齒輪和行星齒輪的部分，因為齒輪還要與其他的零件如軸承配 合，若挑選的太小在安裝上或零件的選配上都會有困難，然而，在內齒輪的大小已 經固定的情況下，兩者的大小會互相影響，因此最後兩者訂定為相同的大小─也就 是節圓直徑皆為10mm 的規格，然而 KHK 製造的標準正齒輪規格皆無法承受住伺 服馬達的最大扭力，最後兩者的訂製材料選擇為 SCM440 且行星齒輪數量需要 5 個。
表2-4 夾爪致動器規格表 型號 Futaba BLS172SV
不同供應電壓下之 轉速與扭力
6.0V 0.14sec/60o 31kg-cm 6.6V 0.12sec/60o 34kg-cm 7.4V 0.11sec/60o 37kg-cm 尺寸 41 x 21 x 38 mm
重量 74g
表2-5 電位計規格表 型號 FSE11-01DB5KP0
有效回轉角度 180 2
電阻類型 線性
線性誤差 3%
旋轉力矩 0~30gf-cm
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表2-6 環齒輪規格表
型號 模數 節原直徑(mm) 外徑(mm)
內齒輪SI0.5-60 0.5 30 50
圖2-7 為 Finger2 的單指機構設計圖，設計的夾爪在實驗中希望能夾取生活中 常見的物品如鋁箔包大小的物體，同時在希望設計的夾爪體積不要太大的兩個條 件下，各桿件選定的長度如表2-7 所示。整個機構設計困難的地方在於，如何讓環 齒輪、行星架、太陽齒輪與伺服馬達的輸出軸同心，以及，如何連接「太陽齒輪與 桿1」、連接「環齒輪與桿 2」和連接「伺服馬達軸(擺臂)與行星架」。
伺服馬達軸(擺臂)連接行星架並同心的方法如圖 2-8 所示。如圖所示，行星架 的設計可以直接與擺臂固定在一起，而擺臂再與馬達軸連接即可達到同心的效果，
馬達軸轉動會直接帶動擺臂與行星架。而行星齒輪與行星架的連接方式是透過軸 承，如圖所示，軸承可以確保每一個行星齒輪旋轉的順暢並可以確保可以順利的帶 動環齒輪與太陽齒輪。
太陽齒輪連接桿 1 並與馬達軸同心的方法如圖 2-9 所示。太陽齒輪與桿 1 是 利用緊配以及螺絲固定，而太陽齒輪再通過軸承與一定位稍連接伺服馬達軸達到 同心的效果，此定位稍的末端具有螺紋用來固定擺臂與伺服馬達軸，然而擺臂和馬 達軸的旋轉與太陽齒輪無關，太陽齒輪與馬達軸只是同心的關係。
環齒連接桿2 並與馬達軸同心的方法如圖 2-10 所示。如圖所示，桿 2 與環齒 輪利用螺絲固定，而桿2 再利用一軸承與行星架連接，因為是利用軸承連接，行星 架的旋轉與桿 2 或環齒輪沒有關係。而又因為行星架與馬達軸同心，因此環齒輪 也會與馬達軸同心。
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表2-7 夾爪各桿件長度
桿件 桿1 桿2 桿3 桿4 桿5 桿6(指頭) 長度 69mm 33.5mm 69mm 33.5mm 33.5mm 45mm
伺服馬達軸 Carrier
擺臂 軸承 Planetary
gears
RC馬達
圖2-8 伺服馬達軸(擺臂)連接行星架並與馬達同心的設計爆炸圖
Sun grar
螺紋穿透孔
桿1
軸承 定位稍
螺紋
擺臂 伺服馬達軸
圖2-9 太陽齒輪連接桿 1 並與馬達軸 同心的設計爆炸圖
Ring gear
桿2軸承Carrier
螺紋孔
圖2-10 環齒連接桿 2 並與馬達軸同心 的設計爆炸圖
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2.1.2.2 兩指三指轉換機制
蝸輪
蝸桿
連續旋轉 伺服馬達 磁鐵 蝸輪軸
Hall sensor 安裝位置
Finger1 固定孔
Hall sensor 安裝位置
圖2-11 夾爪手腕(底座)部分的上視圖
Finger1
Finger2 Finger3
60° 60°
R3
O3
O2
R2
圖2-12 夾爪兩指三指的轉換示意圖
已經介紹完夾爪指頭的設計部分，此部分要介紹的為夾爪手腕部分的兩指和 三指模式轉換機構，這個機構延續了昱辰學長的設計，如圖2-11 和圖 2-12 所示，
其利用蝸輪蝸桿的機構來完成兩個模式之間的轉換，由兩指模式轉換為三指模式 的過程中，連接Finger2 和 Finger3 的蝸輪會以同樣角度向外旋轉 60 度，最後三指
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的相位會相差 120 度。其中要注意的地方為，兩指和三指模式下的夾爪中心位置 是不同的，如圖2-12 中的 O3和O2點所示。本研究中的夾爪與昱辰學長設計的版 本不同的只有蝸輪的規格，因為本研究中的單指重量較昱辰學長所設計重，且 Finger2 和 Finger3 的分布較開，因此需要減速比較大且直徑較大的蝸輪，最後選定 的蝸桿蝸輪規格如表2-8[35, 36]所示。
在控制上，兩指和三指之間的轉換是由圖2-11 中的連續旋轉伺服馬達驅動蝸 桿後帶動兩側個兩個蝸輪，而模式是否已經轉換成功是由裝置在RC 馬達固定架上 的磁鐵隨Finger 轉動並觸發 Hall sensor 的方式判斷。
表2-8 蝸桿蝸輪規格表
型號 齒直角模數 節原直徑(mm) 減速比
蝸桿SW0.5-R1 0.5 11 X
蝸輪BG0.5-40R1 0.5 20.02 40