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。
圖十二、(a)市售;(b)DMARK機器人瞬時功率與樣本數圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》425期,更多資料請見下方附檔。