複合材料於自動化設備之節能應用：材料世界網

吳宗亮、黃敬堯 / 高雄科技大學機電工程系；劉時州 / 工研院材化所

在工業機器人應用領域中，驅動器控制的進步隨著自動化複雜度而增加，藉由減少機器自重，降低馬達負擔，以提供更高的生產力、穩定性，並減少能源消耗，進而達到永續經濟發展。透過探討機械手臂在纏繞路徑下，手臂姿態多變換過程中，比較出機器人自身材料重量是否會影響耗電量。由於在動力學理論中，物體的旋轉慣量大小會受到重量及旋轉半徑影響，於是需降低手臂慣量，以減少手臂在多姿態的工作環境下之加速與減速時的耗電量；然而在結構學上，手臂結構須有高強度、高剛性、穩定性之特質，故手臂結構越密、重量就越重，手臂旋轉慣量相對就越高，當旋轉慣量越高，馬達負載亦越高，耗電量就隨之越高。因此，本研究選用複合性材料來解決上述兩難的問題，旨在探討複合性材料手臂機器人與一般機器人，在進行相同纏繞路徑實驗下何者較為省電。

【內文精選】

前言

不管是淨零(Net Zero)、負碳排、碳中和(Carbon Neutral)還是氣候中和，都是一種未來趨勢的目標，都是要趨緩、調節甚至是要補足我們對於萬物的傷害。在疫情持續延燒下，確實是增加產業對無接觸機器及數位轉換的需求，促使產業發展進步帶動AI、物聯網、虛實整合等技術逐漸成熟，並拓展工具機及機器人的應用領域。國際機器人聯合會(IFR)於《世界機器人2021》報告(World Robotics 2021)中，發布工業機器人安裝率，並預估在未來2022~2024年安裝數值將再增加6%。

複合材料纏繞介紹及應用

1. 複合性材料

兩種或多種不同性質材料結合，就是複合性材料，其在組織結構上都會有明顯的物理及化學性質。像是古代會利用人工方式將稻草及泥土混合成混泥土，也有透過物理及化學方式萃取竹子，將竹原纖維及竹漿纖維混合成天然竹原纖維，且具有吸濕、透氣、抗菌抑菌、除臭、防紫外線等良好的性能；而自然界也有相似例子，如木材是天然存在的複合材料，包含木質素和半纖維素基質中的纖維素纖維。

3. 物體增強化 (纏繞方式)

以纏繞成型法將複合材料纖維按照路徑規劃，進行纏繞成型，控制複合材料纖維利用張力纏繞將其層層堆疊。依據文獻，複合材料纖維纏繞線型分成：環狀、螺旋和縱向纏繞三種型式。

①環狀纏繞：
環狀纏繞屬於高角度螺旋繞組，與芯軸約85至90度的角度。透過芯軸旋轉，將纖維絲或帶纏繞佈滿其表面為止，如圖六(a)所示。

②螺旋纏繞：
芯軸以恆定速度旋轉，沿著芯模軸線方向來回纏繞，其纏繞範圍通常為5至80度之間，如圖六(b)所示。

③縱向纏繞：
將纏繞纖維做定速圓周子，如木材是天然存在的複合材料，包含木質素和半纖維素基質中的纖維素纖維。運動，同時芯模也慢速自轉，纏繞纖維每纏一圈，芯模轉過一小角度，纖維與芯模為呈現0至25度的夾角，如圖六(c)所示。

圖六、(a)環狀纏繞；(b)螺旋纏繞；(c)縱向纏繞示意圖

實驗說明

本研究選用達奈美克公司碳纖複材六軸手臂DMARK R-750、市售鋁合金六軸手臂、PZEM-004T電流電壓功率模塊與PZCT-02分芯電流互感器線圈傳感器，將電流傳感器裝於正極總電源上，每0.005秒即時電流資訊，將電流電壓功率模組接上正負極電線，監測每0.005秒電壓差資訊。彙總所有資訊後，分析數據與比較兩機器人之功耗。

2. 纏繞方式

因管件類型眾多，纏繞方式有環狀纏繞、螺旋纏繞、縱向纏繞等，於MATLAB建立T型管纏繞模擬，如圖十一所示，利用CATIA軟體建構機械手臂、第七軸及T型管件之STP檔。圖十一(a)所示，將T型管裝置第七軸上，簡化手臂纏繞複雜度，於T型管邊緣由左而右纏繞；於圖十一(b)，機器人面對T型管繞圈纏繞，姿態變化明顯。由於上述說到手臂水平纏繞時，手臂只有平面移動，感測器偵測到的電壓、電流訊號較為平緩；轉圈纏繞時，因姿態多變，較因應手臂在各場合的需求。透過使機械手臂纏繞T型管10圈(共10個行程數)，比較兩機械手臂實際纏繞T型管路徑時之電壓、電流、電功率狀態---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。