智慧型材料驅動機械手之設計

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董志強(Chih-Chiang Tung) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

智慧型材料驅動機械手之設計
(Designing the prosthetic hand actuated by smart material)

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摘要(中)

本論文研究的重點在於了解新型致動材料的特性，本文經分析比較後，最後選用形狀記憶合金做為致動器，並依照狀記憶合金的特性設計出能夠模仿人類手指運動的夾爪機構。而後搭配馬達依照人體手肘至手腕關節的運動形式，設計機械手臂。為了解物件與機械手臂的座標轉換關係，利用Denavit-Hartenberg法則，推導座標的正轉換與逆轉換。
機械手臂的控制，可將其分成馬達的控制與夾爪的控制。馬達的控制主要是利用PC編輯馬達動作而後寫入RS-232，利用RS-232對馬達控制。為了解何種的加熱方式對於夾爪所用之形狀記憶合金有較佳的控制表現，因而對形狀記憶合金使用PWM加熱與直接通電加熱進行實體測試。
本論文所設計的機械手臂活動範圍，除了手肘關節的活動範圍無法與人類手臂的活動範圍相仿外，其他關節的活動皆能夠與人類手臂的動作相似，不論是在手臂的旋前、旋後，手腕的外展、內收和手指挾持物件的動作皆有不錯的表現。而在形狀記憶合金的加熱上，利用PWM的加熱方式，能對形狀記憶合金有較均勻的加熱，使得形狀記憶合金的夾爪機構在分離時，較不會有殘餘應變產生。

摘要(英)

The purpose of this thesis is to design a two-finger prosthetic hand by using smart material for actuating the motion of the fingers. After surveying the characteristics of different smart materials, shape memory alloy (SMA) is chosen for its large displacement. The motion design of the prosthetic hand is based on the movement of the human hand. The other joints except fingers of the prosthetic hand are actuated by motors. In the thesis, the kinematics of the prosthetic hand is analyzed by Denavit-Hartenberg principle. The designed prosthetic hand arm can perform the movement similar to a human hand.
To control the movement of the two-finger prosthetic hand, different methods are adopted for the hand and the fingers. PC code is written and then downloads to RS-232 board to control the motors for the hand motion. The shape memory alloy dominates the finger motion is controlled by using a simple switch and PWM heating process.

關鍵字(中)

★ 形狀記憶合金
★ 壓電

關鍵字(英)

★ PZT
★ SMA
★ IPMC

論文目次

目錄 ……………………………………………………………………Ⅰ
圖索引…………………………………………………………………XI
表索引…………………………………………………………………XII
第一章緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機與目的…………………………………………………1
1.2研究背景………………………………………………………2
1.3 內容架構………………………………………………………3
第二章致動材料之選用………………………………………………5
2.1 智慧型材料簡介 …………………………………………………5
2.2 電致動聚合物 ……………………………………………………7
2.2.1 電致動聚合物簡介 …………………………………………7
2.2.2 電致動聚合物動作原理 ……………………………………8
2.2.3 電致動聚合物之分類 ………………………………………8
2.3 電致動聚合物與智慧型材料之比較 ……………………………9
2.4 IPMC之簡介………………………………………………………11
2.4.1 IPMC 歷史與製造方法 ……………………………………11
2.4.2 IPMC的構造與驅動原理……………………………………13
2.4.3 IPMC之特性………………………………………………14
2.5壓電材料簡介……………………………………………17
2.5.1 壓電材料歷史與製造方法 ………………………………17
2.5.2 壓電材料基本效應………………………………………20
2.5.3 壓電材料之特性…………………………………………22
2.6形狀記憶合金簡介 …………………………………………24
2.6.1 形狀記憶合金歷史與製造方法…………………………24
2.6.2 形狀記憶合金驅動原理…………………………………28
2.6.3 形狀記憶合金之特性……………………………………31
2.7 致動材料選用………………………………………………31
第三章機械夾爪機構設計……………………………………33
3.1 壓電致動器…………………………………………………33
3.1.1壓電致動器的類型 ……………………………………33
3.1.2 雙層壓電元件……………………………………………35
3.1.3 雙層壓電致動器懸臂樑理論公式………………………37
3.1.4 壓電致動器之有限元素模擬分析………………………38
3.2 壓電致動器的機構設計……………………………………40
3.2.1單次放大位移機構……………………………………40
3.2.2 二次放大位移機構設計………………………………41
3.2.3使用雙層壓電的機構設計………………………………43
3.3形狀記憶合金致動器………………………………………47
3.3.1 形狀記憶合金的特性……………………………………47
3.3.2 形狀記憶合金致動器的類型……………………………49
3.4 形狀記憶合金的機構設計…………………………………53
3.4.1 線絲型的形狀記憶合金的致動形式………………………53
3.4.2 形狀記憶合金之機械特性………………………………54
3.4.3 線絲型的形狀記憶合金的機構設計………………………55
3.5 壓電與形狀記憶合金的夾爪機構比較………………………58
第四章機械手臂設計與座標轉換原理……………………………59
4.1 機械手臂設計與評估…………………………………………59
4.1.1機械手臂設計……………………………………………59
4.1.2 馬達荷重靜力分析………………………………………61
4.1.3夾爪之公式………………………………………………64
4.1.4機械手臂夾爪之位移與挾持之物重……………………66
4.2 位置、方向和齊次轉換的描述……………………………68
4.2.1 位置的描述……………………………………………68
4.2.2 方位的描述……………………………………………68
4.2.3 齊次轉換………………………………………………70
4.3 順向運動學……………………………………………………71
4.3.1 順向運動學之定義………………………………………71
4.3.2 D-H法則…………………………………………………72
4.4 逆向運動學……………………………………………………75
4.5 座標系統轉換應用於機械手…………………………………77
4.5.1順向運動方程式推導……………………………………77
4.5.2 逆運動方程式推導………………………………………81
4.6機械手臂的可移動空間…………………………………………82
第五章機械手臂製作與系統整合…………………………………84
5.1 機械手臂製作…………………………………………………84
5.2 AI馬達與形狀記憶合金的控制方式…………………………88
5.2.1 AI馬達簡介………………………………………………88
5.2.2 AI馬達控制方式…………………………………………90
5.3 夾爪的控制……………………………………………………92
5.4 形狀記憶合金的加熱方式之探討……………………………92
5.4.1 形狀記憶合金的加熱方法………………………………92
5.4.2 IC555的內部結構…………………………………………93
5.4.3 IC555 無穩態方波振盪電路 ……………………………95
5.4.4 電晶體簡介……………………………………………98
5.4.5 達靈頓電路……………………………………………100
5.4.6 脈波寬度調變電路設計………………………………102
5.4.7形狀記憶合金的加熱情形探討與比較………………104
5.5 機械手臂實體操作…………………………………………105
5.5.1機械手臂在無負載的運動情況……………………105
5.5.2機械手臂在有負載的運動情況……………………107
5.5.3 機械手臂實體操作之結論……………………………109
第六章結論與建議………………………………………………111
6.1 論文總結……………………………………………………111
6.2 未來展望與建議……………………………………………112
參考文獻……………………………………………………………114
附錄A………………………………………………………………118
附錄B………………………………………………………………119

參考文獻

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指導教授

黃以玫(YI-MEI HUANG)

審核日期

2007-7-18

推文