| |
| 指南車是中國古代的偉大發明之一，相傳為黃帝首創。雖然傳說不可考，但依歷史記載，有關指南車最早之信史記述於「魏書」卷二十九，記載三國時代魏國「馬鈞」製造過指南車。此後歷代皆有成功的重造記錄。 指南車的用途據說有二種：一種是作戰時用的；一種說法是天子出巡的時候用的。但不管是哪一種用法，都是用來指出方向。 一般皆認為指南車原本是古代皇帝出巡時用作儀仗的車輛之一。 |  |
| |
| 指南車與指南針是不同的，指南針是磁力的現象，而指南車是機械的發明。 |  |
 |  在指南車的車廂中有一個平躺的大齒輪，它的軸就是頂著木人的這根長木棍。 |
| |
| 大齒輪的兩側，各有一個被皮帶牽連著的小齒輪。當車子右轉的時候，就牽動左邊的小齒輪，這個小齒輪就會帶動大齒輪往相反方向旋轉，當車子左轉的時候，也會牽動右邊的小齒輪，這個小齒輪就會帶動大齒輪往相反方向旋轉，就這樣剛好抵消了旋轉的角度，讓木人永遠指著固定方向。這就是指南車的運轉原理。 |  |
 |
|
資料來源:http://web2.nmns.edu.tw/Web-Title/china/A-1-5_display.htm
Read more!| 汽車轉彎不打滑 新型的煞車系統誕生！ |
| 撰文╱菲謝蒂 (Mark Fischetti) 翻譯╱宋宜真 |
| 汽車製造商目前正為越來越多客車，安裝電子式穩定控制系統，以防止汽車打滑甚至翻覆。這是一項由防鎖死煞車系統（ABS）發展出來的技術。 當駕駛把煞車瞬間踩死，防鎖死煞車系統的液壓閥便會減低施加在輪胎上的煞車力道，如此一來輪胎便不會鎖死。在1990年這套系統當紅的年代，製造商更進一步加裝了牽引控制閥，這樣轉動中的前輪便會緊抓著地面不至打滑。
為了控制汽車的穩定性，工程師在汽車上加裝了更多液壓閥，如此即便駕駛沒有踩煞車，也能使輪胎受力。當感測器發現，汽車是在滑動而非轉動，或是旋轉的幅度太大，致動器便會立即煞住某些輪胎，以矯正行進路線。美國密西根州「博世汽車供應商」（Robert Bosch）的達爾（Scott Dahl）表示：「電子式穩定控制系統是很大的進步。我們加裝的感測器必須能判斷駕駛意圖，然後與汽車現狀做比較。」大部份的系統也會請求控制引擎的電腦，縮小引擎的力矩，以減緩突如其來的衝量。
最新的系統還有更厲害的功能。密西根州「大陸汽車系統公司」的赫德利（Philip Headley）表示：「基本上，電子式穩定控制系統是視煞車情況而操控的，新一代的這款系統還會考量方向盤的情況。」方向盤控制軸上的致動器，能控制輪胎的轉向（但是方向盤本身並不會轉動）。所有系統都能在汽車已經離開地面時，縮減汽車的側向滑動以減少翻車機會，而新一代的穩定控制系統還可用煞車，使揚起的輪胎返回路面。 美國國家高速公路運輸安全局（NHTSA）估計，加裝一套電子式穩定控制系統要花111美元。若全美的運輸車輛都加裝它，每年將會挽救超過一萬條生命，功勞僅次於安全帶，卻勝過安全氣囊。NHTSA希望在2012年之前，強制每輛汽車加裝此系統，近月內將有最後決策。 你知道嗎？ ◆適時關掉：大部份的汽車製造商會讓駕駛可以暫時關掉電子式穩定控制系統，這樣一旦汽車陷入雪堆之中，駕駛便可以讓輪胎不停旋轉，駛出雪堆。或者，可以在停車場不斷繞圈。要詐領保險費的人，可能會想先確認他們撞車的保險費有多少。 ◆四輪不動：對於四輪傳動的汽車而言，本系統會將前後輪軸一起鎖住，這樣一來，就不會發生只煞住一輪的危險情況。控制穩定性的電腦必須指示連結輪軸的差速齒輪，在開始同時煞車之前，先進行開鎖。不過，有些系統在四輪傳動的情況下會關閉。 ◆命名：汽車製造商為這套電控穩定系統取的銷售名字真是多采多姿：動力穩定控制系統（BMW）、StabiliTrak（通用汽車），和互動汽車動力系統（福特）。 ◆其他應用：由於電控穩定系統可以煞住每個輪子，因此它們也可運用在遠程車禍預防系統上，這是目前不少車子都配有的裝置。車輛會發出雷達訊號，以判斷駕駛是否與前車保持足夠的距離；如果沒有，便會自動煞車。未來，電控穩定系統中的駕駛控制功能，可能會應用在所謂的路線維持系統上，以防止駕駛把車子開出道路。 【本文轉載自科學人2007年5月號】 |
我們常常在電視上看到各式各樣酷炫造型的機器人，像是人型的機器人、機器寵物，或是各種模仿生物行為的機器人等等•••••• ，但是你知道嗎?現今為數最多、在實際上應用最廣泛的機器人，可是各式各樣的機器手臂哩！在一個自動化工廠裡，同時可能就有上百台的機械手臂日夜不停地工作著。其他像火星車或者海底探勘船需要採集樣本時，都免不了出動機器手臂來為人類代勞呢。想想看 !你還曾經在哪裡看過機器手臂呢？
我們現在就用樂高設計一台機器手臂來幫我們工作吧！！先規劃一下機器手臂的動作。
挑戰一： 設計一台機械手臂，能夠夾取眼前的物品，並將它蒐集到後面的置物桶中，如下圖 1。
圖 一 設計個怎樣的手臂呢?
機器手臂設計圖
圖二 手臂設計圖
圖三 機器手臂實際照片
這隻機器手臂具有三個可以活動的部分，包括：(1)一個可以開闔的手爪。 (2) 一個垂直方向移動的手臂。 (3)一個帶動整隻手臂旋轉的關節。 這隻機器手臂可以向下抓取東西，並且將被抓取的物件， 抬起並旋轉一個角度。
手爪部分
手爪的設計是利用槓桿的方式來控制爪子的開闔，見圖四。因為這台機器手臂的動作還有垂直伸降的部分，所以製作上以「輕巧」為考量，以避免增加手臂的負擔。
圖四 手爪實際照片 馬達帶動桿子朝箭頭方向移動，以槓桿方式控制手爪開闔。點1為施力點、點2為支點、點3為受力點。
手臂伸降部分
圖5. 手臂升降部分照片
手臂伸降部分為減速箱與齒條的組合，達到垂直方向伸縮的目的。使用減速箱的原因有兩個：
(1) 對照圖六 的左右兩種機構。因為手臂是有重量的，如果只是像左邊簡單的齒輪與齒條組合，不難想像當馬達停止對齒輪提供動力時，並沒有辦法阻止整隻手臂往下滑動，因此手臂根本無法停留在我們期望的位置。
圖六
減速箱與齒條的搭配 (圖六 右) 就沒有上述無法定位的問題，有用過減速箱的人都知道，減速箱裡面是用蝸輪來帶動齒輪，但是卻沒有辦法反過來以齒輪來帶動蝸輪。你可以立刻組一個減速箱來試試，即使你使盡吃奶的力氣也絕對沒辦法直接轉動齒輪。應用減速箱這個特殊的特性，就可以將手臂定住而不會隨便滑動了。
(2)第二個好處在於，減速箱與齒輪的搭配，有足夠的齒輪比可以提起較重的物體。( 齒輪比24:1) 當然，大齒輪比的設計之下，相對的就會損失一些速度。
手臂旋轉部分
手臂旋轉部分使用一特殊零件Turntable (產品編號：9876，如圖七)， Turntable為一可旋轉的平台，就像圖書館、書店裡那種旋轉書架的底座。Turntable上面有齒，可以用齒輪來帶動整隻手臂360度旋轉。若裝置一角度感應器，則可精確控制手臂旋轉角度。
圖七 Turntable
配重
整隻手臂的設計還有一個要點，便是配重的部分。如果像圖八一般，整隻手臂重量集中在支點前方，產生的力矩會是個麻煩的問題。
圖八手臂重量集中在支點前方 (紅黑色球表重心位置)
一個簡單的解決方法 ───利用力矩平衡的觀念，在支點的另一側配置等量的力矩來平衡，如圖九。
圖九 在支點後面配置等量之力矩使其平衡
挑一個最具「份量」的積木吧!看來RCX會是不二人選。這是為甚麼RCX被配置在這個位置的原因。最後找兩根細長的杆子，把手臂架在上面。用兩張桌子做支撐，便大功告成啦！！
延伸挑戰一
光是一台機械手臂，能做的事情有限。若是另外再搭配一條動力機械做過的「輸送帶」，就成了一條自動化的生產線了喲。
圖十
延伸挑戰二
現在我們有一台機器手臂跟輸送帶了，我們來做更進階的挑戰吧！
現在讓機器手臂負責品管的把關。任務是當機器手臂發現生產線上正有黑色的「劣質品」通過面前，要能夠把它挑起來放到後面的桶子！你可能得裝個光源感應器在你的爪子上或者是輸送帶的哪個部位。
圖 十一
我們可以用做出來的機器手臂為基礎，延伸各種不同的題目來挑戰。像之前輸送帶跟品質管理的例子。你也可以增加手臂的複雜度，來解決更複雜的問題。記得下次在路上仔細留意有沒有什麼有趣的機器手臂喲！
４ 范詠晴b94611043
齒輪連杆機構的瞬停特性 胥光申 摘要:分析了齒輪連杆機構的運動特性.提出了當機構參數滿足一定條件時,其運動具有瞬時停歇功能,且運動平穩,無任何類型的衝擊.並分析了主要機構參數對瞬停特性的影響. The instantaneous stop properties of geared linkage mechanism XU Guang-shen Abstract:On the basis of kinematic analysis of the geared linkage mechanism,the mechanism which can instantaneously stop without any kinds of shock during its movement was presented when parameters of mechanism are under given condition.The relation between main parameters of mechanism and mechanism s instantaneous stop time was anslysied. 0 引言 制造技術的發展要求傳送機構既要很高的傳送速度,還要具有瞬時停歇功能.同時,運動必須平穩,不能出現剛性及柔性衝擊.顯然,過去常用的間歇運動機構(如棘輪機構、槽輪機構等)已不能滿足需要.本文作者提出的三輪四杆齒輪連杆機構,既具瞬停特性,又無任何類型的衝擊,運動平穩,結構也較為簡單,是一種理想的高速傳送機構. 1 齒輪連杆機構的運動分析 |
| 圖1所示的齒輪連杆機構中,四杆機構為曲柄搖杆機構,偏心齒輪Z1兼作曲柄,以等角速ω1逆時針轉動,機構中齒輪Z3為從動件.四杆機構的幾何尺寸分別為AB=a,BC=b,CD=c,AD=d.回轉副B,C,D上配置3個圓柱齒輪,齒數分別為Z1,Z2,Z3,節圓半徑分別為r1,r2,r3. |
http://www.dfmg.com.tw/liture/china/%E7%B4%A1%E7%B9%94%E9%AB%98%E6%A0%A1%E5%
圖 1 齒輪連杆機構速度瞬心及參數關繫
設該機構輸入曲柄回轉一周時,從動齒輪也回轉一周,則Z1,Z3及r1,r3應滿足:
Z1=Z3, r1=r3=r, b=c.
設某時刻t曲柄對機架的角位移為α=ω1t,連杆與搖杆夾角為γ,搖杆和從動齒輪對機架的角位移分別為β(t)和φ(t),則從動件輸出轉速ω3=dφ/dt.
連兩固定鉸鏈A,D及齒輪兩節點P1P2相交於點P3,由三心定理知,P3即為主、從動齒輪的速度瞬心.
連BD得等腰ΔBCD,其中BC=CD=b,∠CDB=(1/2)(180°-γ),且BD P1P2.設BD=l,DP3=x,則有:
ω3/ω1=(x+d)/x=1+d/x. (1)
由ΔDP2P3及ΔBCD可得:
四邊形ABCD在垂直方向的投影應滿足lsinδ=asinα;而ΔABD與ΔBCD的公共邊BD為l2=a2+d2
cosγ=(b2+c2-a2-d2+2adcosα）／(2bc). (2)
顯然α=0°,180°時γ分別對應最大值和最小值,即
cosγmax＝ b2+c2-(a+d)2 /(2bc), (3)
cosγmin＝ b2+c2-(a-d)2 /(2bc). (4)
為使機構在每一運動循環中出現兩次相等的最小傳動角,應滿足180°-γmax＝γmin,即cosγmin=-cosγmax.結合(4),(5)式可得:
a2+d2=b2+c2=2b2. (5)
由(2),(5)式可得cosγ＝ ad/(bc) cosα.
綜合以上各式可得出從動件齒輪角速度為:
將α=ω1t代入(6)式並求dω3/dt,得從動輪的角加速度為
2 齒輪連杆機構的瞬停特性
2.1 瞬停特性
顯然α=270°時,輸出齒輪角速度為極小值:
ω3min= 1-ad/(cr) ω1. (8)
圖2是ω3-α曲線,其中3條曲線分別是當ad＜cr,ad=cr及ad＞cr時ω3的變化曲線.可見:
圖 2 齒輪連杆機構角速度圖線
(1) 當ad＜cr時,ω3min＞0,曲線與橫軸無交點,輸出齒輪作無停歇的單向變速轉動;
(2) 當ad=cr時,ω3min=0,曲線與橫軸相切,輸出輪作具有一個瞬時停歇點非勻速轉動;
(3) 當ad＞cr時,ω3min＜0,曲線與橫軸有兩個交點,輸出輪作具有逆轉的非勻速轉動.
由於實際機構中運動副存在間隙,構件具有彈性,當逆轉角較小時(一般φ≦5°),逆轉運動往往表現不出來,而使機構呈現片刻的停歇狀態.這一特性就是瞬時停歇特性.停歇時間可用下式表示:
tj=α12/ω1. (9)
其中α12=α02-α01,而α01,α02分別是兩次零速狀態時主動輪的轉位角.
若杆a為最短杆時,由曲柄存在條件可知:
a+d＜b+c. (10)
由(5),(10)式可得ad＜bc,即c2＞ad,故有c4＞a2d
圖 3 齒輪連杆機構角加速度圖
由角加速度曲線的連續性可知,該機構在運動過程中無剛性衝擊,也無柔性衝擊,運動平穩又可實現瞬時停歇,若應用於高速傳送機構中將具有獨特的優越性.
2.2 機構尺寸對瞬停特性的影響
若兩次零速狀態相對應的主、從動輪轉位角分別用α01,α02和φ01,φ02表示,當ω3=0時,由(6)式可得
令:A=c2(a2d2-c2r2)/ a2d2(c2-r2) ＝ (adc)2-(c2r)2 / (adc)2-(adr)2 .由於bc＞ad＞cr,且b=c,c＞r,故0＜A＜1.即有http://www.dfmg.com.tw/liture/china/%E7%B4%A1%E7%B9%94%E9%AB%98%E6%A0%A1%E5%9F%BA%E7%A4%8E%E7%A7%91%E5%AD%B8%E5%AD%B8%E5%A0%B1/g1404.gif
令a′=a/a=1,則有:d′=d/a＞1,及
rmin=arccos(d′/c′2)=arccos[2d/(1+d2)]， (13)
φ12=α12-(
由以上各式可以看出,d′及α12是該齒輪連杆機構的最基本參數.圖4是機構基本參數關繫圖,分析圖4可知:
圖 4 機構基本參數關繫圖
(1) α12為確定值,隨d′增大,|φ12|值增大;而當d 為確定值時,隨α12增大,|φ12|值也隨之增大.
(2) α12為確定值時,隨d′增大,r 隨之增大;而α12為確定值時,隨α12增大,r′隨之減小.
(3) γmin是標志機構傳動性能的標志.由(13)式可知,γmin僅與d′取值有關,且隨d′減小,γmin隨之減小.但當d′＝2時,γmin=36.9°,機構傳動狀況較差,已不宜使用.
作者簡介:胥光申(1964-),男,陝西省寶雞市人,西北紡織工學院機械繫講師.
胥光申（西北紡織工學院 機械繫,陝西 西安 710048）
參考文獻:
1 曹龍華.機械原理 M .北京:高等教育出版社,1986.201～245.
2 姜琪.機械運動方案及機構設計 M .北京:高等教育出版社,1991.98～101.
３
麻省理工學院「開放式課程網頁」
http://www.myoops.org/twocw/mit/index.htm
「這是一個免費、開放的教育資源，供給全世界各地的機構、學生和自學者使用。開放式課程系統代表麻省理工學院提升知識和教育水準的願景，並且為二十一世紀的世界服務。這個網站的目的正與麻省理工學院對於追求卓越、創意和領導的價值觀不謀而合。」
這個網頁裡面的資源非常豐富，幾乎所有MIT科系的大學部課程，甚至研究所課程，在這裡都有他們的上課講義、作業、考題等等。裡面當然也有機動學（在機械工程的項目底下）！大家可以去下載下來看看。也建議大家去逛逛其他課程的內容，也許你會意外發現你的興趣也說不定！
其實MIT推廣這個計畫已經不是最近一兩年的事了，經過他們幾年的努力後，有相當豐碩的成果。在美國、歐洲、日本也有越來越多一流大學開始加入這個計畫。去年，MIT校長曾來台，與中研院院長李遠哲及台大校長李嗣岑（這位我不太確定，忘記了）共同辦過一場座談會，主題是談論如何打造一流大學。我有參加那場座談會，MIT校長在三小時的座談中，不只一次提到這個計畫，而且也推薦這個計畫給台灣大學。但是一年過去了，我沒有看到台大有任何動作，也許這就是我們的大學無法晉升一流大學殿堂的原因之一吧。
b94202029 物理二 張哲輔
Read more!
