碳纖維複合材料於製造Delta型機器人之應用：材料世界網

吳宗亮、顏子祐 / 高雄科技大學機電工程系；葉日翔、劉時州 / 工研院材化所

現今全球面臨著嚴重缺工的問題，產線自動化成為目前的趨勢，因此在許多重複性高、需要精準定位或惡劣工作環境等場合，都會運用到機器手臂來取代人工，不只可以節省人力成本，還能夠提升生產效率。Delta型機器人有移動速度快、重複精度較高等優點，常被用於取放、包裝、組裝等工作，因此業界的需求量相當可觀。本計畫整合硬體結構與軟體程式，設計及製造出一套Delta型機器人，並搭配視覺辨識進行周邊應用整合測試。而為了因應Delta型機器人高速且頻繁的運動，使用剛性好、重量輕的碳纖維複合材料，作為機器人上、下臂桿件，讓本計畫所整合製造的Delta型機器人能夠發揮更好的性能。最後再架設加速規進行量測，以了解使用碳纖維複材桿件產生的運動特性。

【內文精選】

碳纖維複合材料應用於Delta型機器人系統

本計畫設計整合一套Delta型機器人系統，並使用重量輕、剛性高的碳纖維複合材料製造上、下臂桿件，以提升整體運動性能。技術構想為採用碳纖維材料來取代傳統的鋁製等金屬材，以降低支臂本身的重量，同時可搭配較小功率的馬達以降低運轉之高成本，達成節能減碳的需求；而碳纖維複合材料在彎曲強度較鋁製件高2倍以上，同時還可降低荷重形變50%，更有利於手臂運轉的定位精度需求，並以輕量化的手臂結構設計彌補剛性不足的缺陷，解決系統因受限傳統材料特性為勉強維持力學強度而增加不必要的重量與尺寸厚度，以降低後續不必要的維修成本支出。

Delta型機器人的設計與製造

Delta型機器人主要分成軟體、硬體這兩大部分，就類似於人類的大腦神經系統與身體四肢，每個環節都息息相關缺一不可。因此對於從無到有設計跟製造出一整套Delta型機器人系統，需要涵蓋到相當多的領域，要將其全部整合在一起是相當具有挑戰性的。

1. 軟體

本次製造之Delta型機器人是由一台電腦來進行所有軟體的執行。首先是利用C++運行EtherCAT軸卡的運動控制程式，透過逆向運動學計算出驅動Delta型機器人運動時各軸所需轉動的角度，並從編碼器(Encoder)取得即時伺服馬達角度值，運用正向運動學轉換為Delta型機器人的當前座標位置。而視覺部分，我們使用Python搭配OpenCV函式庫，進行視覺辨識運算處理，讓Delta型機器人能夠藉由鏡頭拍攝，辨識出物品的位置，以進行自動取物及放置的作業。最後再使用LabVIEW設計操作人機介面(GUI)，用於控制Delta型機器人、設定各種參數，以及顯示當前各軸角度值與座標位置等功能，除此之外還能作為整個系統的主控端，整合控制所有程式的執行。

2. 驅動單元

使用泓格科技的ECAT-M801作為此次的運動控制卡。此通訊介面為能夠靈活佈線與快速通訊的EtherCAT(乙太網控制自動化技術)，採用這個通訊介面不只可更精準地驅動伺服馬達進行多軸同動，以及回授即時馬達編碼器的位置，還能夠連接其他周邊的伺服馬達、步進馬達或遠端I/O模組等。更重要的是它不受廠牌的限制，只要使用EtherCAT介面都能夠連接通訊。因此選用這張運動控制卡，能夠讓我們所製造的Delta型機器人提升可擴充性跟通用性的優勢。而伺服馬達部分，採用Panasonic MINAS A6B系列，由三顆額定功率400 W的伺服馬達，搭配1:5的減速機組成Delta型機器人的三個主軸，以及一顆額定功率100 W的伺服馬達，作為增加旋轉自由度的第四軸。

使用碳纖複材結果驗證

關於機構材質的選用與Delta型機器人的運動性能有很大的關係，尤其是桿件部分影響最為明顯。為了因應Delta型機器人高速的往復運動，以及增加其有效載荷(Payload)，就必須提高桿件的剛性，並且盡可能地減輕本體重量。而碳纖維複合材料具有高強度、高剛性且重量輕等優點，現今已被廣泛應用於工業、航太、軍事，以及體育用品等領域，因此相當適合用於製造Delta型機器人的上、下臂桿件，如圖八所示。