【附件 2】
2012 全國技專校院學生實務專題製作競賽 研究成果報告書
雙足龍舟之設計與製作
參賽類群：機械與動力機械群
學校：國立臺灣科技大學 科系：機械系
指導老師：林紀穎
組員：洪清華、黃軾勛、蘇煜翔
中華民國 101 年 3 月 27 日
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摘要
這比賽是台科大機械系舉行多年的一個傳統，每個機械系大三生都會碰到的 一個經驗。這場比賽考驗著學生們從過去到現在所學的知識，不管是電控或者機 構設計，打造出一個能完成比賽內容的機器人。今年的題目為「龍舟機器人」！
比賽內容要學生們設計出一台能在陸地上以最短時間避障礙、跨越顛簸的路面、
走過獨木橋並且涉水搶旗。利用一些機構設計基本觀念搭配功能人性化的控制器，
我們打造出一台頗富彈性的機器人。透過這次比賽，我們學習如何與隊員溝通、
達成共識並應用過去學到的知識，打造出一台獲得第三名亮眼成績龍舟。
我們的機器人拔旗畫面
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機器人設計過程
我們的龍舟機器人！
設計的時候我們就有一個概念：東西越簡單越好、可靠度越高，正是 KISS 設計原理 – Keep it simple, stupid。我們的龍舟機器人設計有兩個版本。第一個版 本裡面，本來打算要讓機器人如真正的龍舟可以漂浮在水上。但考慮到重量以及 強度的問題，我們不得不放棄這個設計概念。在第二版本我們沿用第一版的一些 設計時發現我們軸從船體延伸出來的部分只低於水面一兩公分，因此直接將軸與 馬達向上抬升，並做一些簡單的防水措施。船體設計部分可拆為船體本身、動力 源、划船機構、槳以及搶旗機構。
船體
考慮到我們的設計有可能後續需要改，當初設計船體時就希望能向樂高一樣 容易組裝、拆解。有了這想法的當下，就想到了利用鋁Ｌ型角鐵與板材建造船體。
考量到需要同時輕但又蠻堅固的需求，我們決定使用 3mm 厚的鋁板。當各個面 加工完成後，我們用角鐵與螺絲組裝船體。
船的底部加裝了四顆萬向輪子以及兩個固定式輪子。這些萬向輪子能讓船在 槳划了之後還有動力繼續往前進；固定式輪子則純粹為了規則上的需要有船體的 一部份接觸獨木橋。固定式輪子起初只有一個，但發現因為步伐大的關係會使船 前後擺動時中間固定輪有時接觸不到，因此在船底後方再裝上一個固定式輪子。
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船體
動力源
秉持著 KISS 理念以及配合比賽規則，我們選擇將馬達的動力透過傘齒輪直 接輸出到划船機構。當初在設計這部份的配置有考慮兩個馬達放置方式：將馬達 放置使得馬達軸與划船機構的軸平行，或者將這兩個軸垂直擺；我們問石伊蓓老 師之後，他建議我們使用垂直的並用普通的直傘齒輪就可以了。他解釋直傘齒輪 互相搭配的軸不必太精確，剛好符合我們的需求；但老師也有警告我們小心軸扭 曲。問過之後，我們決定將馬達配置改為軸互相垂直。
馬達與傳動軸透過直傘齒輪接合
馬達的選用上一開始估算大約用兩瓦的就可以了，但馬達除了功率還得選擇 轉速。起出在做設計的時候有模擬過使用 60 rpm 的馬達，但我們一致認為太慢，
因此決定使用至少 120 rpm 以上的馬達。但去購買馬達的時候，商店沒有這種規 格的馬達，所以我們購買了 200 rpm 的。回到了工廠我們並裝上馬達之後我們才 發現一個嚴重的問題：輸出扭力不夠，船體無法移動。因應這一點我們決定犧牲 速度換來可行性。之後換上 60 rpm 的馬達之後，船體就穩穩的向前移動了。
側板
底板 前板 L 型角鐵
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搶期機構部分的馬達我們則用了跟學長拿的馬達。這顆馬達一樣也是兩瓦的，
但是他轉速只有 15 rpm。當時我們認為搶旗轉速若太快可能不好控制，後來發 現除了這個問題，就是旗座溼的時候旗子不好拔；還好這顆馬達提供足夠的力，
能將旗子拔起。
划船機構
我們的划船機構是一個簡單的曲柄滑塊機構構造。連接曲柄與滑塊的連桿我 們選擇延伸之後當作我們的槳。起初的設計希望腳伸到最直的時候是與地面剛好 接觸，但後來發現所搭配的輪子太小，要跨越網結有困難。因為這一點，我們乾 脆直接將槳的部分延長，讓機器人有走路的感覺。後來證實這麼設計是正確的，
練習與比賽時過網結時完全沒有困難。另外針對曲柄部分，一般看到的曲柄都是 一個圓形帶動滑塊的連桿，但因為馬達輸出速度並不快，沒什麼震動的問題，因 此決定直接以一個長方體代替；這樣不僅省加工複雜度，也為我們減輕了不少重 量。
雖然提划船機構的一些優點，但沒有完美的東西。為了克服有網結的地形我 們延伸了槳，但這麼做卻造成一個困擾：船無法改變精細的角度。因為每個步伐 相當大、中途改變另一隻槳的位置有很困難，所以控制時有些麻煩。在練習與出 賽的時候，就有好幾次因為步伐太大使船身沒有跨到獨木橋，直得從來。另外有 時在保齡球瓶區也有幾次差點撞倒球瓶。
划船機構
槳
我們槳的部分與其他組稍微不一樣的地方在於它有特別的向前突出，並向上 勾起。有這是因為沿用一開始希望槳能與地面剛好接觸的。當初希望槳能與地面 有多餘的接觸時間，能多推船體。因為事先就做好了，因此當改變步行模式的時
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候，就沒有特地去改變槳的部分。但槳確實有做到他該做的－增加接觸時間。有 時認為多這一些時間完全沒有幫助，但練習與比賽有幾次剛好因為這多餘的接觸，
我們有機會使機器人往後走，避開障礙。另外槳的前面有向上突起，形成一個 U 形狀；這是為了避免船體向前或向後的時候勾到網子。除此之外，因為比賽前場 地有上過一層漆，我們發現若直接用金屬接觸地面會抓地力不足，因此在槳下方 黏上一層止滑墊。有些沒有貼止滑墊的組別在比賽的時候都有前進上的問題。
U 型槳
搶旗機構
搶旗機構這部分大概是我們機器人最大的一個特色。除了他的運動方式與其 他組別不大一樣之外，最不一樣就外型。許多組的搶旗運動方式是直接藉由馬達 轉動使搶旗機構以圓周方式運動，而我們的則會向前伸再向上。雖然這部分有設 計過，但因為運動幅度小，有時會認為最簡單的設計反而比較好。
插入 拔起
搶旗的爪子與其他組最大不一樣就是有五個爪子。我們的想法很簡單－竟然 我們船體角度變化那麼大，要對準旗子一定非常困難，不如乾脆不要瞄準算了；
想法有點像用散彈槍來彌補自己準頭差。但也因為這簡單的改變，讓我們下水過 後省了許多對準的時間。
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高效率的搶旗爪
電控
摘要
本組預計設計出兩台控制器，第一台使用簡單 ON-OFF 開關，第二台使用 PWM 輸出。目標是控制三顆 12V 直流馬達，完成龍舟賽跑與搶旗任務。第一台 控制器使用的是現成的 DIY 電源供應電路，短時間內即可完成，且成本低廉。第 二台控制器使用技術較為複雜，且考量到許多安全機制與操作者介面，耗費之金 錢與人力較高，但操作性能比起第一台來的優異。
電控目的
設計能操控三顆馬達(行走兩顆與搶旗一顆)的控制器，調整轉速與轉向，並 設計控制介面方便操作者進行操控。
製作步驟
1. 市售簡單 DIY 電源供應器型控制器
i. 依照 CHD133 套件所給的電路圖將所有零件組裝焊接完成。
ii.將電源拉出去銜接至三個馬達的按鈕開關，線路參考第四部份接線圖。
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iii. 將三個按鈕開關的馬達線牽出線即完成控制器。
2. PWM 輸出控制器
此電路需分四部分進行設計、測試與焊接，將四部份的電路組合起來即完成 PWM 輸出控制器，使用一前後開關與方向盤即能操縱機器人前進後退與轉 彎。
i. 電源供應
使用 110V 交流電轉換成 12V 與 5V 直流電，利用降壓器、穩壓晶片與電容 進行電壓轉換與整形，穩定電壓輸出。78XX 系列晶片規格通常能耐 1A 電 流，建議不超過 600mA，否則需要安裝散熱銅片。
1. 在 PCB 上鑽孔，以螺絲固定變壓器於 PCB 上。
2. 根據電路安裝橋式整流 IC、電容、7812 與 7805 於 PCB 上。
(可事先將散熱銅片裝於 7812 與 7805 上，建議買邊孔型的散熱銅片) 3. 將 12V、5V、GND 三條線拉至 PCB 別處，供其他電路使用。
ii.PWM 輸出電路
在此不詳述 PWM(Pulse Width Modulation)為何種技術，這個控制器會使用 PWM 進行馬達轉速的調整，作出方向盤進行機器人轉彎的操控。下方為 PWM 示意圖
1. 使用 555 產生高頻方波，電路接法參考接線圖。
2. 使用 741 搭配電容成為積分器進行積分動作，電路接法參考接線圖。
3. 參考電路接法將三角波與可變電阻之參考電壓銜接至電壓比較器 LM393，三角波接至正端，可變電阻之參考電壓接至負端。
4. 此時 393 的輸出已經是 PWM，可利用可變電阻調整 PWM 的 duty cycle，
最小為 0%，最大為 100%
5. 兩組輸出經由三段 6P 可彈回開關變成四組輸出，分別銜接至馬達驅動 電路的 InPut1~4，控制馬達前進後退。
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iii. 馬達驅動器(功率放大)
第三部分的 PWM 輸出為 0~5V，本組此次機器人所使用的是 12V、2W、200rpm 規格的馬達，且運算電路不具功率輸出，直接銜接無法驅動馬達(不論電 壓或功率皆不足)。L293B 為馬達驅動 IC，可藉由+5V 進行輸出閥開關，
達到控制馬達的目的。一顆 L293B 可驅動兩個直流馬達進行正反轉動作，
或驅動四顆直流馬達進行單向運動，電路請參考接線圖進行焊接。
iv.操作介面
最後將電路放置於控制器中，把馬達線接出去，控制器即完成。操作方式 為前進後退的彈回式按鈕與充當方向盤的旋鈕(可變電阻)。
結果與說明
1. 市售簡單 DIY 電源供應器型控制器
i、 依照說明將電路接好，並將電源牽出來。
ii、將按鈕安置於控制器盒子上，並銜接電源與牽線出去，即可控制馬達。
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iii、 PWM 輸出電路
1. 555 輸出方波 30KHz，使用示波器進行量測。
2. 經過 741 積分運算，將方波轉變成三角波。波幅由 1.8~4.2V
3. 將三角波與參考電壓銜接至 393，輸出即為可調 duty cycle 的 PWM。
95% 85% 60% 50%
40% 25% 15% 5%
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在決賽時將控制器給予新盒子包裝，並加裝風扇幫助 L293B 進行散熱。
總結、檢討與心得
這學期的機械系統設計，大概是大學機械系最能發揮創意的一堂課。因為如 此，四個組員都非常積極的參與，把自己最好的創意分享出來，期望能利用學到 的知識與經驗，打造出一台能奪冠的龍舟。在歷經三個多月的努力，我們終於達 成目標，登上決賽的舞台並且拿到第三名的成績。雖然如此，在設計與製作過程 中遇到很多困難與不確定因素，導致無法完全的將我們的想法展現出來，甚至與 冠亞軍的寶座擦身而過。
這次比賽，最明顯的失誤是沒有減輕重量；在與對手同時拔旗時，因為重量 較重而輸了。因強度以及尺寸的需求，材料不得不選用較硬較厚較重的鋁板。以 強度、過障礙能力為設計主軸。但強度增加的同時，龍舟的重量也增加了，扭力 需求也的提高了；這使我們的龍舟顯得笨重。重量的增加使得馬達與傳動軸所需 承受的力量增加，練習時有很多次齒輪與軸會滑動；除此之外，滑槽與滑銷因巨 大的扭力有時會變形。針對齒輪滑動這部分，我們將軸銼出一個平面，使固定螺 絲接觸面積較大；但即使有這些更改，有時還是會滑動。另外，若有機會重做的 話，我們會選擇使用鐵作為軸。而滑槽與滑銷的變形，因為我們的滑銷是螺絲，
因此就買了一個是用的墊片，提升滑銷與船身側平面的接觸面積，降低扭曲現 象。
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我們較不足的是規則變化的適應力不夠。因為以前沒有過類似的設計經驗、
加工經驗，知道無法在很短的時間內改變設計、加工。因此，在開始製作之前，
花了很多時間針對規則的限制設計出符合比賽要求的龍舟。有疑問的地方也趕緊 問老師，以免設計錯誤更改很困難。在確定一切符合規定之後，我們將設計畫成 3D 圖、模擬運動狀態。確定沒問題後就轉成工作圖、加工。歷經兩個月後，終 於加工完成，製作出心目中完美的龍舟。可惜的是，沒預料到規則在初賽改變。
原先過獨木橋只需船體有任一部份隨時接處橋，後來卻需指定船體一點接觸，過 橋途中該點不可離開橋面。針對這臨時的改變對我們是不公平的，第一次跑有爭 議；但後來經過溝通後有機會重新跑過。因為爭取到這機會，我們順利進入決賽。
令我們滿意的設計除了大步跨越障礙的腳之外，就是搶旗裝置。當初的考量 是為了減少船體需要去對準旗桿的時間，又因為我們步伐大，無法做小角度的改 變，因此需要增加搶旗機會。為此我們決定拿廢料自己組裝一個多爪搶旗裝置。
當初的考量是正確的，比賽中有許多隊伍到了水中區會花很多時間將爪子對準旗 桿在拔旗。若沒有這麼設計，說不定不會出現決賽時平手的狀況。
此外，本組控制器並不像別組一樣只有 ON-OFF 去控制馬達，使用 PWM 的 技術做出來的控制器是為了模擬開車時的方向盤，使操作者能夠輕易上手。最大 的問題還是電源輸入，原先使用的電源是 4W 的交流變壓器，發現因為輸出不足 導致過熱。但現成交流變壓器 4W 以上就直接跳至 12W，且體積大出許多，無法 輕易放在控制器上。因此本組改用筆電用的 2.1 接頭 12V3A 直流穩壓變壓器，收 納方便且可拆卸式，雖然成本較高，但可靠性更高更安全。
其次的問題是三角波中心位置不能對準於 0.5Vcc，且有提早飽和的現象出現，
無法產生理想的 0~5V 三角波。推論是與電容並聯的電阻值選用錯誤，或是積分 器本身就具有限制。雖然有串接普通電阻使參考電壓範圍落在三角波所在之處，
但這只是蠻幹的結果，不是所想看到的。
當然，最後的成品，仍然擁有許多不足；例如搶旗機構有時會運轉不順、因 只有兩隻槳而造成步伐距離大，不容易微調、齒輪常常有鬆脫的情形、槳垂直度 不固定……等問題。雖然我們克服了很多的困難，但仍有進步的空間。
很感謝系上給予我們這個合作、競爭、實做並學習的機會，以及五千元的材 料費補助，讓我們能夠實際完成一個會動的機器人。也有機會從比賽過程中學到 很多觀念、技巧，並得到一定的肯定。相信可以利用這次學到的經驗，在未來不 管是機械或是其他行業的道路上，都能受用無窮。
