機器手臂

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b94611013 林詠舜

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！