結論與未來展望

圖 1. 6 論文架構圖

緒論

產品研究與專利分析

基本理論

設計及模擬

研究動機、文獻回顧

以市場的產品及專利 彙整產品特性

設計原理、CAE原理介紹

以設計理論設計爬梯機 再輔以CAE模擬驗證

實作及驗證

結論與未來展望

第二章 產品研究與專利分析

2.1 相關產品

歐洲因其歷史文化及生活環境關係，在古蹟建築內，增設現代化升降 設備會危害建築的結構，故歐洲在開發此類產品的態度最為積極，因此開 發以附加的方式的爬梯機構，包括有階梯爬升椅（Chair Lift）、階梯爬 升機（Stair Lift）、及本研究的爬梯機。目前市面上的主要產品概述如 表 2. 1 所示[ 7] [ 8] [ 9] [ 10]。在美國，爬梯機則幾乎為搬運重物 用的手推車，而 Johnson & Johnson 公司發展的 iBOT 4000 雖然性能優異，

但由於曲高和寡、售價達 US$30,000 導致市場反應不佳，也於去（2009）

年結束營業。

表 2. 1 爬梯機比較一覽表

2.2 專利分析

專利的種類上，美國自 20 世紀 60 年代開始陸陸續續開發各式各樣的 爬梯機構，日本及歐洲後續也加入此市場，其中的形式主要分為五種，如 表 2. 2 所示：

表 2. 2 爬梯機的種類及說明

支撐桿式 以支撐桿將所要爬梯的機構撐起或放下至下 一階的階梯。

複合輪式 以兩個以上的輪子，交替運動將主體推上或 下降。

履帶式 以履帶一次跨越數個階梯，如爬坡般進行爬 梯運動。

分離滑台式 主結構分為兩部份，當一邊固定時，另一部 分則滑移到所要前往的階梯。

鍊條式 在主結構上有一組鍊條，鍊條進行循環運動 時，其上的鉤爪鉤住階梯以進行爬梯運動。

將相關專利槪述如下：

在支撐桿式的結構中。

U. Alber[ 11]以馬達驅動曲柄(20)轉動，帶動受限於套管(22)而呈現 公轉直線運動的爬梯桿(24)，隨著套管(22)擺動而進行爬梯動作，如圖 2.

1 a 所示。

U. Alber[ 12]再提出以馬達經由軸(19)帶動曲柄(20)轉動，軸(19)同 時也帶動鏈輪(29)以 1:1 速比帶動曲柄(20)另一端的鏈輪，讓曲柄(20)另

一端上的支撐桿組(22)(24)在曲柄(20)轉動時，保持不變的狀況以進行爬 梯動作，如圖 2. 1 b 所示。

U. Alber[ 13]讓動力驅動方式，改以動力與支撐桿之間以齒輪的連 結，如圖 2. 1 c 所示。

U. Alber[ 14]以圓周運動帶動桿件(15)進行直線運動（本體移動為曲 線，正好避開階梯），桿件(15)中間的支點從動於連結件(17)的圓周運動，

使桿件(15)上端支點拘束於桿型連結件上為往復運動，帶動桿件(15)自由 端進行爬梯動作，實施例為貨運，實際也運用於醫療上，如圖 2. 1 d 所示。

M. Alber[ 15]讓支點(30)拘束筒件(18)只能擺動，旋轉件(28)以旋轉 方式帶動套於筒件(18)的桿件(20)往復運動及擺動，使桿件(20)自由端進 行爬梯動作，如圖 2. 1 e 所示。

K. S. Mobus[ 16]以 2 個同轉向的軸心引導曲柄連動桿件同時進行徑 向及軸向移動（類似逆向的蒸氣火車驅動輪），如圖 2. 1 f 所示。

J. Bierma[ 17]讓馬達(15)驅動轉動件(13)旋轉，帶動被槽(11)往復 拘束的桿件(9)擺動，與固定右支點而只能擺動的桿件(8)，分別以支點連 結支撐桿(5)行程的爬梯路徑(18)，如圖 2. 1 g 所示。

J. Bierma[ 18]用動力組(8)轉動有支點(L)的曲柄(9)，再與有輪子(13) 的筒件(10) 以另一支點結合，筒件(10)套於因支點(S)而一起擺動的軸件 (11)，此擺動以輪子(13)與階梯接觸來進行爬梯動作，如圖 2. 1 h 所示。

S. B. Wessic[ 19]以馬達(33)上的齒輪(25)，帶動齒輪(36)，使的結 合一起的支桿(37)一起轉動，支桿(37)上的輪(42)攀越上一階，完成爬梯 動作如圖 2. 1 i 所示。

W. Gemeinhardt[ 20]則是最早以手動攀越方式的機構，支桿輪(31)與 連桿(37)(41)(29)(29＂)以支點與主體(23)結合成 4 連稈機構，當攀越輪 (27)遇到障礙時，支桿輪(31)抵在地面當支點，用 4 連桿輔助，使攀越輪 (27)攀越階梯如圖 2. 1 j 所示。

圖 2. 1 a 圖 2. 1 b 圖 2. 1 c

圖 2. 1 d 圖 2. 1 e 圖 2. 1 f

圖 2. 1 g 圖 2. 1 h 圖 2. 1 i 圖 2. 1 j 圖 2. 1 支撐桿式爬梯機構各專利示意圖

複合輪式則分別有 2 輪式、3 輪式及多輪式。且在 3 輪以上時，輪子同 時也是平地運輸的輪子，專利概略如下。

T. Emilio[ 21]在電動輪椅上裝爬梯機構，以齒輪、鏈條、鏈輪搭配 三輪繞爬梯軸心達成爬梯動作，如圖 2. 2 a 所示。

J. Reimann[ 22]複合輪傳動機構，以三輪繞爬梯軸心達成爬梯動作，

以齒輪搭配讓三輪上下階梯，如圖 2. 2 b 所示。

2 輪式則有 U. Alber[ 23]以輪(12)以支點(28)與骨架(31)(19)結合，

再一起與主體擺動結合在支點(20)，爬梯時以馬達驅動輪時，輪(12)圓轂 外緣上的小頂輪(18)撐起整個主體，讓主體上之小輪登至上一階，如圖 2.

2 c 所示。

U. Alber[ 24]以馬達帶動鏈條使鏈輪(21a)(21b)轉動，使與其偏心的 輪(17a)(17b)呈現公轉，同時輪(17a)(17b)中心(19a)(19b)有鏈輪與鏈輪

(21a)(21b)連動，讓 2 個輪(17a)(17b)公轉轉動，來進行爬梯動作。輪 (17a)(17b)有煞車機構，當有一輪上下階時，另一輪則煞住不動，如圖 2.

2 d 所示。

B. Thomas[ 25]以 2 個輪(17a)(17b) 公轉轉動，來進行爬梯動作。其 爬梯速度，以感測器偵測在快抵達階梯時，速度會降下以達緩著地，如圖 2.

2 d 所示為上一專利的性能提升。

圖 2. 2 a 圖 2. 2 b 圖 2. 2 c 圖 2. 2 d 圖 2. 2 複合輪式爬梯機構各專利示意圖

E. Trougouboff[ 26]在爬梯部(23)固定於鏈條(3)上，當鏈條(3)進行 循環運動時，爬梯部(23)抵住階梯進行上下階梯動作。當感測輪(14)因階 梯邊緣落差，而藉由支臂(15)讓輪(10)停止轉動，如圖 2. 3 a 所示。然後 以專利 FR2527155[ 27]裝感測輪(40)(47)因階梯邊緣落差，而牽引棘爪(35) 去阻止棘輪(31)及所固定的輪(15)繼續轉動，防止輪子滾下階梯，如圖 2.

3 b 所示。

C. N. Mortenson[ 28]以運動跑道型機構，內部自成循環，輔助爬結 實靠住階梯，減少手推車與階梯間的摩擦，都使用於貨物搬運。專利包含 此機構於不用時可以收納，如圖 2. 3 c 所示。

圖 2. 3 a 圖 2. 3 b 圖 2. 3 c 圖 2. 3 鍊式爬梯機構各專利示意圖

C. E. Rhodes [ 29]將主體分為 2 部分，有 輪子部分(12)先上階梯，乘載部分(35)再上去。

反之，則乘載部分先下階梯。都用在貨物用 Stair Climber。本專利的專利點是在以導螺桿來帶動爬 梯動作，如圖 2. 4 所示。

圖 2. 4 滑台式爬梯機構各專利示意圖

經由專利的研判，雖然美國沒有研發半自動形式的爬梯機構，但歐洲 品牌有申請美國專利，可知歐洲產品有銷往美國。而且爬梯機在早期為簡 易的使用單純的機械式，到後來隨著人口高齡化、女性進入勞動市場及運

送物品日益重量化，以人力驅動的機構已經無法負荷相關作業，則完全演

第三章 基本理論 3.1 設計原理概論

為了讓產品快速的推陳出新，世界各國競相發展各式設計理論或是將 別人的設計理論加以推演，檀潤華[ 30]針對世界各地，及不同思考方式及 特性，分別舉出幾個設計理論：

3.1.1 普遍設計方法學

圖 3. 1 普遍設計方法學功能結構簡圖

Pahl 及 Beitz 將德國經年累月的設計經驗總結一個學理，稱為普遍設 計方法學（Comprehensive Design Methodology）。該方式為在概念設計時，

先行建立整體架構，主功能建立後，在分支次功能，在依序分之下去，到 最後的執行面如圖 3. 1 所示[ 30]。物料流、能量流、信號流建立輸出輸 入機能就成了產品的架構，此理論對產品定義、技術設計和細部設計皆有

效，但因為理論是建立在概念形成後在去分項規劃，所以不適合於概念設 計。且原理是建立在經驗法則上的歸納，所以也偏向適合於經驗較為豐富 的設計人員。

3.1.2 公理性設計理論

公理性設計（Axiomatic Design，AD）由美國麻省理工學院（MIT）的 設計理論研究小組所提出。設計過程如圖 3. 2 所示[ 30]。

圖 3. 2 設計過程模型

圖 3. 3 從功能域到物理域的轉換

概念設計是從功能需求轉換到設計參數，如圖 3. 3 所示[ 30]，轉換 的詳細表示。該原理的核心是在轉換過程中功能需求與設計參數滿足獨立

性與最小信息這兩條公理。滿足這 2 條公理則理論解即為最佳化解。所以 優點在於能在設計過程中判斷該設計結構是否為最佳化設計。但若設計不 能滿足獨立性，就需要靠經驗解決。

3.1.3 品質機能展開理論

品質機能展開（Quality Function Deployment，QFD）由日本赤尾洋 二（Yoji Akao）與水野滋（Shigeru Mizuno）所提出，除了日本以外，也 被我國及美國廣泛的使用。

設計者為了縮短產品開發週期，須先確實釐清客戶的產品需求（在實 際的狀況中客戶的需求總是天馬行空，甚至客戶也不了解自己的需求），新 產品依此為基礎往後展開。QFD 經由品質屋（House of Quality，HOQ）建 立客戶所要功能及產品功能之間的關連性，其相互關係可以一直延續到製 造過程。

QFD 雖然在各種行業中被廣泛使用，但其只定義出產品功能的概略目 標，但沒有確切的提供如何達成這些功能的具體方法及規則。

3.1.4 解決發明問題理論

解決發明問題理論（Theory of Inventive Problem Solving，原俄文 Теории Решения Изобретательских Задач，ТРИЗ，英文音譯 Teoriya

Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）為俄羅斯 Genrich

Altshuller 提出。其理論於 1950 年代開始發展，直到蘇聯解體此理論才為 西方國家所知。

G. Altshuller 堅信有一種理論，可以整理出發明問題的原理，不僅能 提高發明的成功率、縮短發明週期，也使發明問題具有可見性。其核心為 技術系統進化理論，即技術系統一直處於進化之中，解決衝突是其進化的 推動力。將工作原理過程具體化，提出了規劃、算法與發明原理，及普遍 性工具供設計人員使用，以盡快得到滿意的解。

檀潤華所歸納出這些方式中，本研究將使用 QFD 及 TRIZ 的設計法則，

故對此二者再深入介紹。

3.2 QDF 理論

品質機能展開其定義為：[ 31]「一種結構化的技術方法，將形成品質 保證的職能或業務，依目的、手段系列作步驟的細部展開，使得經由組織 中業務機能的展開，完成品質活動，確保客戶的需求得到滿足。」傅鶴齡[ 32]

以工程的角度作了下列說明「讓設計人員在設計過程中，對產品有一個明 確之指標，在量化數據與客戶需求一致下，有一具體之概念，據此可以縮 短設計時間，同時及早注意到生產製造之限制及那些是要優先處理之問 題；不但可以降低設計及多餘之工程變更外，更可使產品早日上市，增加

市場之競爭力。」因此 QFD 是全面性的功能衡量指標，不只著重在設計層 面，往前推展到企劃，向後延伸到生產。

主要的內含在於每一階段以矩陣來表達「需求（What）」與「方法（How）」

之間的關係，並佐以符號、數字來表示二者之間的關係強度。「方法（How）」

的目標值與予以「量化（How much）」置於矩陣底部，也就是品質屋的雛型，

如圖 3. 4 粗虛線區域所示。然後將此矩陣延伸至不同階段。

圖 3. 4 品質屋示意圖。粗虛線為 QFD 每個階段所共用的矩陣 在 QFD 中，設計原理主要使用為品質屋，圖 3. 4 所示的全部 6 個區域 即為品質屋，經由品質屋可以有效建立客戶所要的需求及品質，必免設計 過程中，因為對客戶的需求有錯誤的認知，而造成不必要的時間、成本及 品質的浪費，傅鶴齡對品質屋的 6 個區域說明如下[ 32]。並以旅行箱的設 計舉例顯示品質屋所要列出的內容，如圖 3. 5 所示[ 33]。

(1) 客戶的需求，轉條列為數據、文字，依重要性依序由上往下排

列。在 QFD 中後續的工作程序都依此展開。

(2) 規劃中矩陣：含市場調查研究及策略規劃，本研究中沒有市場

(2) 規劃中矩陣：含市場調查研究及策略規劃，本研究中沒有市場