微型爬竿機器人的設計與製作

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微型爬竿機器人的設計與製作

摘要

微型機器人是微電子機械系统的一個重要分支，它能進入人類和一般機器人所不及的狹小空間內

作業，本文一開始先參考微型機器人相關文獻，並將重點研究微型爬竿機器人的設計與製作，先使用

系統工程法分析，然後在尺寸限制內設計及製造各零組件，最後進行整合與測試。

Abstract

The micro-robot is an important branch of MEMS,it can work and enter the narrow space that humans

and normal robots can't enter. This article make reference to literature of micro-robot,and focus on the design

and manufacture of micro-pole-climbing robot. We use the system engineering to analyze the micro-pole

-climbing robot first,then design and manufacture the every components in the limit size. Finally,integration

and testing

.

1.前言

三年級的專題實作課程，在指導老師與小組成員討論 下，決定設計製作微型爬竿機器人，同時參加全國微型機器 人競賽。微型機器人領域中，機器人以各種不同型態，為我 們提供精密的服務，其微小化之設計與製作為重要的研究領 域，本次參加的項目為爬竿機器人，令我們在探索微型製作 上的觀念、方法、程序有更多收穫。

2.文獻探討

微型機器人領域在近幾十年來有較大的發展，在劉亞東 的微型機器人發展史論文[1]中說明“微型機器人”是微電 子機械系统的一個重要分支，它是隨著微機電系统（MEMS） 的出現和發展而應運而生的。由於它能進入人類和宏觀機器 人所不及的狹小空間内作業，近幾十年来受到了廣泛的關 注，文獻中也說明其發展主要方向為：1.對於人類無法進入 的危險區域，如航天飛機、導彈、核動力工廠以及石油化工 的管道的探勘和维修更是十分需要微型管道機器人；2.醫療 上用於診斷、注藥、切除和修補的微型機器人；3.用於操作 血球、细胞的微型機器人；4.集成電路檢查和修補以及制作 過程中的微定位和微操作；5.微型器人還在軍事上具有應用 價值，例如用來進行軍事偵察，具有不易被發現的優點等。 微型機器人的移動方式有各種的驅動方式，在 2005 年 昆明理工大學學報(理工版)第 30 卷的“一種微型管道機器 人移動機構的設計”[2]一文中指出“移動機構是微型管道 機器人重點研發的領域之一 ,現階段國内外微型管道機器 人移動機構的驅動方式，可分為壓電驅動、靜電驅動、電磁 驅動、氣壓驅動、形狀記憶合金(SMA)驅動、熱膨脹驅動、 光驅動及超聲波驅動等。而機器人的行走方式又可分為慣性 衝擊行走、蠕動爬行、彈性針型振動行走及輪式行走等。各 種行走方式有各自的優越性和局限性。”在比較過各種微型 機構的驅動方式後，輪式驅動為設計與加工較為簡便且有較 大的動力，方便我們使用於爬竿的驅動動力。 微型機器人的發展亦面臨一些問題，在宋曉峰，談士力 的微型機器人的發展和研究現狀論文[3]指出“微型機器人 發展中面臨的問題：(1)驅動器的微型化：微驅動器是 MEMS 最主要的部件，從微型機器人的發展来看，微驅動技術有著 關鍵作用，並且是微機器人水平的標誌，開發耗能低、結構 簡單、易於微型化、位移輸出和力輸出大，線性控制性能好， 動態響應快的新型驅動器(高性能壓電元件、大扭矩微馬) 是未來的研究方向(2)能源供给問題：許多執行機構都是通 過電能驅動的，但是對於微型移動機器人而言，供應電能的 導線會嚴重影響微型機器人的運動，特别是在曲率變化比較 大的環境中。微型機器人發展趨勢應是無線化，能量、控制 信號以及檢測信號應可以無線發送、傳輸。微型機器人要真 正實用化，必須解决無線微波能源和無線數據傳輸技術，同 時研究開發小尺寸的高容量電池。” 這表示縮小微型動力 元件的尺寸且同時提供足夠的能量等，這些問題有待不斷的 突破與改進。

3. 研究方法

首先以系統工程法[4]進行設計，參考現有車體架構及 運作機制，設計與製作能夠基本轉向與行走的車子，並考 慮爬竿的靈活度、皮帶輪的設計、減輕車體重量、馬達與 齒輪的傳動、選擇底盤及輪胎材料，經由設計、加工製造 獲得各零組件，進而整合與測試，達到所需的目標。我們 採用的系統工程流程圖，圖一所示： 圖一、系統工程流程圖

3.1 任務需求

地形：竿子直徑 5mm，長 300mm，光滑鐵質製成。 出發起點到達爬竿中心位置為 150mm。地板 為鐵質。 時間：比賽限制時間 2 分鐘。 功能：運動攀爬方式不予限制，爬到頂端碰觸到警

鈴開關，停留在該位置至少五秒以上。 尺寸：比賽進行不分有線及無線，有線控制車體大 小限制小於 3cm*2cm*2cm。無線控制車體大 小限制小於 3cm*3cm*2cm。

3.2 概念設計

(1)為減少使用空間，使用有線控制。 (2)機體大小以 3cm*2cm*2cm 來做。 (3)考慮以創意傳動方式設計，運用伺服馬達改裝之動力單 元以獲得足夠的扭力及速度。 (4)齒輪箱蓋材料以壓克力或塑鋼來製作，以鋁板及板金工 法製作載具本體。 (5)電池使用鎳鎘電池，其電力充足，大小也適合容易放置。 (6)用 1 個馬達驅動主動輪轉動，另外用磁力線圈控制方向。

3.3 初步設計

初步設計的概念圖如圖二所示 圖二、初步設計概念圖 爬桿機構── B：磁力 Wt ：總體重量 fμ：動摩擦力 μ：動摩擦系數 F：馬達帶動車輪提供的爬升力 N：正向力 fμ=N t·μ 當 B·H ≥ Wt·L 時蜘蛛人才不會從鐵竿上掉落

→N- B=0 F >fμ+ Wt →N=B → F > N t·μ+ W → F > B t·μ+ Wt 當 F 大於 B t·μ+ Wt時蜘蛛人才會向上爬升而 不滑落，作用力及力距表示於圖三、圖四。 圖三、爬上桿時力圖 圖四、桿上運動時力圖 磁力實驗： x=離鐵竿的距離(單位毫米) y=所乘載的最大重量(單位公克) 圖五、實驗數據圖 圖六、距離-載重曲線圖 量測微型爬竿機器人的總重量微 15.1 公克，由實驗 可 知 裝 載 1 顆 磁 鐵 ， 磁 鐵 和 鐵 桿 的 距 離 要 0<x<0.464mm 才不會掉落，而裝載 2 顆的距離則 要 0<x<0.902mm，裝載 3 顆則是 0<x<1.14mm。 動力單元──動力單元用市售伺服馬達來改裝，改變齒輪比 以獲得足夠的轉速與扭力，設計 NC 碼運用 CNC 加 工機製作齒輪箱蓋，以縮小尺寸，讓整合完成之尺寸 符合競賽規則之要求。 載具本體──以鋁板及板金工法製作載具本體(底盤)，動力 單元安裝於載具本體上，在動力單元下方另外搭載所 需的被動輪框架，可容納從動車輪。 動力、電力系統──機器人的動力系統是由動力單元提供， 以馬達帶動齒輪、齒輪傳送車輪滾動，電力系統是以 有線連接到外部遙控器來控制。 控制系統──買市售遙控器來控制機器人行走以及 爬竿。

3.4 細部設計

運用 Solidworks 軟體[5, 6]進行機械設計[7]，組合圖 (圖七)、爆炸圖(圖八)和各零件設計如下：

圖七、組合圖 圖八、爆炸圖 P1 輪(圖九)：設計成凸字型狀是為帶動馬達內部齒輪帶動 外部皮帶，傳送動力至主動輪運動，中間孔洞是為支撐 P1 輪的轉動。而外部帶動皮帶的部分採用 V 字型凹槽設計， 易於加工且穩定搭載皮帶而不容易脫落。 圖九、P1 輪 P2 輪(圖十)：由於 P2 輪只負責爬竿機器人在水平行走的穩 定度，所以製做成一般輪子型狀，而不做 V 字型凹槽設計。 圖十、P2 輪 P2 鋁框架(圖十一)：用於搭載 P2 輪的框架，且節省空間而 設計成ㄇ字型狀，材料採用鋁板減輕重量。 圖十一、P2 鋁框架 P3 輪組(圖十二)：此部分分成兩部分，左邊部分由於 P3 輪 是此爬竿機器人唯一的主動傳動輪，要兼負水平型走和爬上 鐵桿的任務，所以採用 I 字型設計，I 字型的兩端用於水平 上的行走且和 P2 輪形成 4 個點平均整體重量，水平行走時 會更穩定；而 I 字型中間凹槽部分利於加工和爬竿，在微型 機器人型走至鐵桿前，I 字型利於對準鐵桿，且爬行中也較 穩定，不易掉落。右邊是搭載皮帶部分，採用 V 字型凹槽 設計，接收皮帶的轉動力量。 圖十二、P3 輪組 P4 輪(圖十三)：跟 P3 輪相同，也是採用 I 字型設計，利於 爬竿時的穩定度，不易掉落。但此 P4 輪必須當從動輪，要 也是主動輪的話會干擾爬行速度，反而不利爬竿。 圖十三、P4 輪 底盤(圖十四)：框架材料用鋁板製成，用於減輕車體重量。 為搭載 P3 輪組和 P4 輪，採雙ㄇ型相連的一體成型設計。 圖十四、底盤 磁鐵框架(圖十五)：框架材料用鐵板製成，用於搭載磁鐵， 且設計成 U 字型狀是為了和磁鐵形成一個封閉式磁力迴 路，讓吸鐵桿的磁力更強更穩定而不易掉落。

圖十五、磁鐵框架 齒輪箱蓋(圖十六)：由於原本的齒輪箱蓋的尺寸超出設計範 圍，而重新用 CNC 加工，製作齒輪箱蓋。 圖十六、齒輪箱蓋

3.5 製作加工

在進行製作原型機(Prototype)階段，我們學習運用數種 軟體及加工機，如 CNC 洗床、車床、鑽床等，進行各種加工 方法，分別介紹如下： (1)CNC 加工： 為了縮小體積，我們需要將伺服馬達的外殼重新設計， 我們先用游標卡尺量測外殼的尺寸、連接孔的位置及大小， 再使用 CAD 將設計圖匯入，並設定加工參數轉為 NC 碼， 將 NC 碼輸入銑床控制軟體 MDX-40A(圖十七)，並選擇適合 的材料與刀具，裝設好刀具、壓克力材料黏於加工平台上， 再輸入參數就可以開始自動加工。 圖十七、MDX-40A (2)鑽床加工： 框架上用來支撐承軸的孔適用鑽床加工出來的，我們在 鋁板上先將框架裁切下來，再將軸孔的中心點標記在鋁板 上。裝上直徑 2mm 的鑽頭，並將鋁板黏於壓克力平面上， 對準中心鑽孔。(因為鋁板又薄又軟，只有 0.05mm 厚，加 工時要將其緊緊黏在壓克力上，好讓夾具能夠夾住工件) 然而我們的鋁輪胎也必須在鑽床上加工，為了避免夾具 使輪子變形，所以仍是採用雙面膠黏在壓克力上的方法加 工，圖十八表示。 由於是使用人工方式加工，左右的孔多少會有誤差，導 致組裝時輪胎組會有偏差，所以在組裝部份需要多調整輪胎 的偏移。 圖十八、鑽床加工 (3)車床加工： 輪子的部分是用車床加工鋁棒來製造，先將鋁棒夾在夾 頭校準中心點，將車刀對準中心點後開始加工。輪子的軸孔 可以在車床上直接加工，先在中心點打個孔後直接使用鑽頭 鑽孔，圖十九所示。 車床加工後的成品多數具有毛邊，在使用挫刀及砂紙處 理毛邊時，要非常小心不能傷害到輪體本身，不然會因為這 一點小凹凸影響到機器人行走時的表現。 圖十九、車床加工 (4) 錫焊： 剪 1 條地線及 2 條銀線，長 50 公分，3 條線每 10cm 固 定一個塑膠軟管，用電烙鐵稍微融化，用電烙鐵將導線與伺 服端杜邦接頭焊接，套入塑膠軟管，固定導線前端部分，用 電烙鐵的溫度融化固定，將導線另一端焊接於伺服馬達機板 上，蓋好齒輪箱蓋後即為提供爬竿機器人運動機能的動力單 元，一顆動力單元接一條地線及二條銀線，並套入塑膠軟管 固定，將伺服端接頭插入電控設備，開起遙控器電源，在開 啟接收器開關，測試是否有導通。

3.6 組裝測試

最後程序是組裝與測試，組裝須要精密配合與精巧安 裝，特別是在工件上的施力與公差配合，先將主動輪、滑輪 配合輪軸安裝於底盤(載具本體)，再來將從動輪與鋁質框架 結合，把鋁框和輪軸進行結合並且安裝動力單元，掛上皮帶 後組裝完成，可以進行測試，測試其水平行走和上桿爬行的 穩定度、準確度、速度，並改良不穩定性能、加快行走速度 和加強穩定度。

4. 研究結果與討論

(1)我們移除了伺服馬達內的限制齒輪，並調整內部齒輪 組，使其增加轉速及扭力，使機器人爬竿的磨擦力及速度 都大幅增加。 (2)使用直立式設計，機體接觸竿子的投影面積較大，上下 兩輪都採用凹槽式設計，使爬竿更穩定、快速。 (3)經特殊設計傳動機構，伺服馬達帶動橡皮圈傳動主動 輪，只藉由單一顆主動輪就可以達成前進、後退和爬上鐵 桿的功能，節省不少空間和材料成本。 (4)為了增加機器人爬竿的摩擦力，我們試著在車輪上塗上 各種黏著劑，分別放置 1 小時、1 天及一個禮拜，測試不 同黏劑在放置過後的黏性，結果強力膠在一小時內黏性極 強，但放置一天後黏性就大大降低:而 3M 雙面膠，在一個 禮拜內都保持著相當強的黏性，所以我們最後採用 3M 黏膠 來進行比賽。 (5)底盤加裝兩個電磁線圈用於影響機器人之轉向，藉由遙 控器操控左右的磁力大小，以磁力增加輪子之壓力，壓力 大之輪子阻力增加，進而使速度降低，達到轉彎之效果。 前進後退左右轉示意如圖二十、圖二十一，實體如圖二十 二： 圖二十、前進後退 圖二十一、左右轉示 圖二十二、實體圖 經過一連串的測試實驗、校調及練習之後再去參加 2013 全國微型機器人四類競賽及創意設計比賽，果然在比 賽中獲得了第 2 名及第 3 名的殊榮(圖二十三)。 圖二十三、2013 全國微型機器人競賽第 2 名及第 3 名獎盃 圖二十四、指導老師與全組隊員合照

5. 結論與建議

本次專題實作課程進行的微型爬竿機器人設計與製作 獲得成功與肯定，在設計過程中我們以車體的穩度為主要探 討目標。藉由此次專題與參加「2013 全國微型機器人競賽」 以及其研討會，學到許多知識與能力，使我們對微型機器人 的設計與製作能力有所提升，對於之後研究微小元件與微型 機器人的設計與製作肯定有不小的助益。 再次進行微型機器人相關設計及製作時，建議使用行星 齒輪馬達取代原先的齒輪馬達組，可以縮小整體體積，節省 出來的空間可設計裝載無線控制組，可避免線控干擾，讓機 體操作上更穩定。

誌謝

感謝國立聯合大學機械系經費支助 感謝侯帝光老師提供實驗室設備

參考文獻

[1] 劉亞東，論文“微型機器人發展史”，pp. 2~5， 2010年。 [2] 王小龍，馬駿騎，楊尚平，楊啟敏，“一種微型 管道機器人移動機構的設計”，昆明理工大學學 報(理工版)第30卷，第3期，pp. 3~8，2005年6月。 [3] 宋曉峰，談士力，論文“微型機器人的發展和研 究現狀”， 《機床與液壓》期刊，第08期，pp. 17~23，2004年。 [4] 傅鶴齡著，系統工程概論，滄海圖書，2007年。 [5] 郭宏賓、江俊顯，深入淺出零件設計--Solid Works 2005，全華圖書，2005年。

[6] FAG SOUTH EAST ASIA PTE. LTD., Catalogue WL 41 510/2 Esi, FAG Rolling Bearings Standard Programme, FAG Edition, 1989.

[7] 小栗富士雄、小栗達男合著，張兆豐主編，標準 機械設計圖表便覽改新增補2版，臺隆書店編譯 委員會編譯，台隆圖書，2003年。