歐陽又新臺灣大學：生物產業機電工程學研究所潘建豪Pan, Chien-HaoChien-HaoPan2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52914本論文旨在探討一新式泛用型類圓柱體之垂直爬昇機的設計。此機型以桿柱等作為爬行對象，可進行上下、旋繞及定位等動作，主要目的在用作高處作業機具等之升降平台，以期替代人力，擔任清潔、維修、救災等危險性工作，未來將具有進入市場的潛力。 本研究在初期即運用各種工程設計理念，如同步工程、合成設計與最佳化設計等，並根據適用條件與限制因素歸納出一套設計流程；在技術上則參究“垂直爬壁機”與“擬生物機械”等之關鍵技術進行型式設計，開發出一新型輪動力式爬昇機，並針對機身之自動平衡機制作一獨創性設計。根據實際製作與試驗的結果，本雛型機之爬昇速率可達2.4公尺/分。The study confers with development of designing a new functional machine which can climb quasi-cylindrical objects like wire poles or coconut palms. It can scramble up and down, encircle and hold onto poles. The main purpose of this machine is to be an automatic carrier conveying implements to work at high place substituting for human being to do dangerous tasks like rescue, clean or repair with high market potential. At the beginning, various engineering design concepts such as Concurrent Engineering, Design Synthesis Analysis Approach and Optimal Design etc. are applied to generalize a development process. The key techniques of wall-climbing robot and biomimic machinery are referred to in this study. It applies optimal design to determine parameters of machine dimensions. According to the results of trial run of the prototype machine, its’ velocity of climbing is about 2.4 meter per minute.目次 致謝----------------------------------------------------------- i 中文摘要------------------------------------------------------ ii 英文摘要----------------------------------------------------- iii 目次---------------------------------------------------------- iv 圖目錄-------------------------------------------------------- vi 表目錄------------------------------------------------------ viii 第一章 前言 1-1 研究背景----------------------------------------------- 1 1-2 研究目的----------------------------------------------- 2 第二章 文獻探討 2-1 垂直爬行機相關技術之發展------------------------------- 4 2-1-1 壁面爬行機發展簡介----------------------------------- 4 2-1-2 移動裝置設計探討------------------------------------- 8 2-1-3 擬生物機械------------------------------------------ 10 2-2 設計理念---------------------------------------------- 13 2-2-1 同步工程-------------------------------------------- 13 2-2-2 合成設計-------------------------------------------- 15 2-2-3 田口方法-------------------------------------------- 16 第三章 方法與步驟 3-1 設計理念之應用---------------------------------------- 19 3-2 建構開發流程------------------------------------------ 21 第四章 設計與製作 4-1 建立具體目標------------------------------------------ 23 4-1-1 市場應用性分析-------------------------------------- 23 4-1-2 目標物觀察與量測------------------------------------ 23 4-1-3 詳述具體目標---------------------------------------- 27 4-2 各型式設計之比較-------------------------------------- 28 4-3 型式設計概念之合成------------------------------------ 30 4-4 雛型機細部設計---------------------------------------- 36 4-5 組裝說明---------------------------------------------- 38 第五章 試驗結果與討論 5-1 攀爬實驗---------------------------------------------- 41 5-1-1 實驗設計-------------------------------------------- 41 5-1-2 初步結果-------------------------------------------- 42 5-1-3 改善方案-------------------------------------------- 44 5-2 性能實驗 ---------------------------------------------- 47 5-2-1 實驗設計-------------------------------------------- 47 5-2-2 實驗結果-------------------------------------------- 48 5-3 討論-------------------------------------------------- 49 第六章 結論與建議 6-1 結論-------------------------------------------------- 52 6-2 建議-------------------------------------------------- 52 參考文獻------------------------------------------------------ 54 附錄A 實驗設計（鉗夾測定實驗法）------------------------------ 57 附錄B 最佳化設計之數學模式建構簡介---------------------------- 62 圖目錄 圖2-1 電磁力吸附輪式爬壁機（Tsuge and Azemoto，1988）---------- 6 圖2-2 三維連桿機構示意圖（Hirose et al.，1991）----------------- 6 圖2-3 CP機構示意圖（Hirose et al.，1991）---------------------- 6 圖2-4 壁面爬行機適應性運動示意圖（Hirose et al.，1991）--------- 7 圖2-5 風力驅動式高樓爬行機（Nishi，1991）----------------------- 7 圖2-6 Robug Π爬行機構動作示意圖（Luk et al.，1991）------------ 7 圖2-7 爬樹採收機之概念設計圖(歐陽，2001)----------------------- 11 圖2-8 昆蟲足部構造與三維分析（Weidemann et al.，1993）---------- 12 圖2-9 CWRU所發展的仿蜚蠊機構實體圖（Nelson et al.，1997）------ 12 圖2-10 模組化爬行機構之概念設計（Ripin et al.，2000）----------- 12 圖2-11 同步工程運作概念--------------------------------------- 14 圖2-12 同步工程設計實施方式----------------------------------- 14 圖2-13 品質屋------------------------------------------------- 16 圖3-1 本設計案所提之開發流程圖-------------------------------- 22 圖4-1（a∼d） 椰樹外觀觀察-------------------------------------- 24 圖4-2 椰樹量測部位示意圖-------------------------------------- 25 圖4-3（a∼e） 椰樹周長量測紀錄--------------------------------- 25 圖4-4 夾具式桿柱攀附機構動作示意圖 (2002年農機設計課程)------ 28 圖4-5 輪動力式爬昇機設計概念示意圖---------------------------- 29 圖4-6 爬昇機初步設計參數示意圖-------------------------------- 30 圖4-7 輪架板折曲設計示意圖------------------------------------ 31 圖4-8 輪動力式爬昇機型式設計（側視圖）------------------------- 31 圖4-9 輪形錐狀設計示意圖-------------------------------------- 32 圖4-10（a, b） 輪架張角θ與輪有效半徑r關係示意圖（θ1＜θ2）---- 33 圖4-11（a, b） 輪架安裝位置偏移示意圖------------------------- 34 圖4-12 爬昇機子系統組件設計整合示意圖------------------------- 35 圖4-13 雛型機環型支架尺寸設計圖（單位：mm）------------------- 37 圖4-14 雛型機輪架板尺寸設計圖（單位：mm）--------------------- 37 圖4-15 雛型機輪軸尺寸設計圖（單位：mm）----------------------- 37 圖4-16（a∼e） 本概念機輪架子系統安裝流程說明------------------ 39 圖4-17 台灣東方3RK15GN-CWE型馬達電路接線指示圖--------------- 39 圖4-18 三馬達並聯及開關（控制器）接線示意圖------------------- 40 圖5-1 第一代輪式爬昇機（準備攀爬狀態）------------------------- 42 圖5-2 爬昇機之輪面與桿柱緊密接觸情形-------------------------- 42 圖5-3 第一代機型向上爬昇狀態之一------------------------------ 43 圖5-4 第一代機型向下爬行狀態之一------------------------------ 43 圖5-5 第一代機型攀附固定狀態之一------------------------------ 43 圖5-6 傾斜限制裝置示意圖-------------------------------------- 44 圖5-7 第二代輪式爬昇機（加設傾斜限制裝置）--------------------- 45 圖5-8第二代機型向上爬昇狀態之一（攀爬細電桿，D=33cm）---------- 45 圖5-9 第二代機型向上爬昇狀態之二（攀爬粗電桿，D=48cm）--------- 46 圖5-10 第二代機型向上爬昇狀態之三（攀爬椰樹，D~40cm）--------- 46 圖5-11 第二代機型向下爬行狀態之一（攀爬椰樹，D~40cm）--------- 46 圖5-12 輪形與前進方向之關係示意圖----------------------------- 50 表目錄 表2-1 垂直爬行機器人之發展分類簡表----------------------------- 8 表2-2 垂直爬行機各型移動裝置之比較---------------------------- 10 表2-3 田口試驗直交表L4(23) 式----------------------------------18 表3-1 爬昇機初步系統設計構想---------------------------------- 20 表4-1 椰樹樹徑尺寸特徵分析------------------------------------ 27 表4-2 三種桿柱爬昇機概念性設計之爬行機構特性比較-------------- 29 表4-3 輪動力式爬昇機系統架構設計------------------------------ 35 表5-1 載重實驗設計-------------------------------------------- 48 表5-2 爬昇速率實驗紀錄---------------------------------------- 48 表5-3 爬昇速率實驗攀爬目標之尺寸特徵（單位：公分）------------ 482863311 bytesapplication/pdfen-US爬壁爬柱最佳化設計設計開發擬生物機械biomimic machinerywall-climbingoptimal designpole-climbingdevelopmentthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52914/1/ntu-93-R89631007-1.pdf