MODULE M2 · 10.0 HOURS

肌腱驅動機制設計

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LEARNING OBJECTIVES

本模組目標

  1. 理解肌腱驅動機制的基本動力結構與關節模擬原理。
  2. 學習用於精密機器手的肌腱材料 (Dyneema SK78) 特性。
  3. 熟悉肌腱的張力傳遞路徑與絞盤設計時的摩擦及磨損防護方法。
  4. 計算致動器的失速扭力與肌腱驅動時的機械增益。

肌腱驅動機制基礎

肌腱驅動 (Tendon-driven) 系統是一種透過肌腱（繩索）將遠端致動器的張力傳遞至關節來驅動的方式 [S9]。模仿生物手指的肌腱結構，將致動器移動至手掌或前臂，可減輕手指本身的質量，並實現精密的動作 [S10]。

1. 肌腱的選擇與張力傳遞

本設計採用高強度、低延伸率的纖維 Dyneema SK78 [S16]。此材料在直徑 1.5 mm 時具有 230 daN（約 230 kgf）的斷裂負載，運作延伸率低於 1%，適合精密的位置控制 [S16]。

2. 機械增益與致動器選型

XM430-W350-T 智慧致動器可提供 4.1 N·m 的失速扭力 [S11]。肌腱透過旋轉軸的絞盤半徑進行力轉換，因此致動器的扭力輸出會置換為肌腱的張力。整個系統使用 11 台致動器，峰值電流總和可達約 25.3 A [S11]。僅比較保險絲與負載/電源額定值無法保證安全性或動作順序。請務必審閱保險絲製造商的時間-電流曲線與電源 OCP 特性，以確認保護協調性 [S15, S24, S25]。

3. 安全與保護設計

每個 12 V 電源分路均透過獨立保險絲運作 [S15, S24]。 3 個電源轉接器額定皆為 11.5 A，總電流容量達 34.5 A，足以負載系統峰值電流 25.3 A [S11, S15]。設計時應確保分路總額定值高於致動器總峰值電流，以確保操作安全性。

WORKED EXAMPLES

講解範例

  1. 範例 1：肌腱驅動時的張力計算 當致動器扭力 (τ) 為 1 N·m，絞盤半徑 (r) 為 0.01 m 時，肌腱張力 (T) 為 T = τ/r = 1/0.01 = 100 N。設計時須考慮 Dyneema SK78 相對於斷裂負載 230 daN（約 2300 N）的安全係數 [S16]。
  2. 範例 2：電源分路分配與保護 總共 11 台致動器的失速電流合計為 25.3 A [S11]。若分配至 3 個分路，分別為 4 台、 4 台、 3 台，各分路的最大負載分別為 9.2 A、 9.2 A、 6.9 A。僅比較保險絲與負載/電源額定值無法保證安全性或動作順序。請審閱保險絲製造商的時間-電流曲線與電源 OCP 特性，以確認保護協調性 [S24, S25]。

LAB PROTOCOL

肌腱張力與關節摩擦測量實習

  1. 1

    使用提供的連桿與軸承組裝手指關節模型。

  2. 2

    連接肌腱並使用張力調整器設定初始張力。

  3. 3

    將三用電表設為 DC 電壓模式，物理斷開各分路的 12 V 電源轉接器輸出進行確認。

  4. 4

    電源開啟前，手動測量並記錄關節旋轉摩擦力。

安全檢查
  • 在維修或接近設備前，須將 3 個絕緣電源轉接器物理斷開，並使用三用電表確認 DC 電壓低於 1 V。
  • 電源開啟時，絕不可接近手指的可移動範圍。
  • 必須佩戴耐衝擊防護眼鏡。

實驗繳交成果

  • 隨關節旋轉角度的肌腱張力測量數據
  • 摩擦力分析報告
  • 最終安全測量紀錄

ASSIGNMENT

5 機器手肌腱路徑設計

繳交成果

評分標準

  • 肌腱路徑設計是否已將彎曲處的摩擦最小化？
  • 是否考量了 Dyneema SK78 的物理特性？
  • 3 個電源分路的負載分配是否適當反映了致動器失速電流？
  • 保險絲及電源短路防護設計是否符合 BOM 規格？

KNOWLEDGE CHECK

理解檢查

1使用 Dyneema SK78 肌腱的主要優點為何？
2使用 3 個 12 V 電源轉接器（各 11.5 A）的原因何者最為適當？

FIELD CHECK

完成標準

  • 所有實習數據與圖檔必須包含於最終報告中。
  • 物理斷開電源後，須以測量證明 3 個分路的 DC 電壓皆低於 1 V。
  • 肌腱路徑設計必須包含考量絞盤摩擦的解析。

MODULE SOURCES

本模組參考資料

  1. Ruka-v2: Tendon Driven Open-Source Dexterous Hand with Wristarxiv.org · paper
  2. US11325264B1 - Tendon-driven robotic handpatents.google.com · patent
  3. D-Pro 1.5 mmliros.com · technical_documentation
  4. XM430-W350 e-Manualemanual.robotis.com · datasheet
  5. GST160A12-R7B Enclosed Desktop Power Adaptermeanwell.com · datasheet
  6. ATO AFH Series In-Line Fuse Holderlittelfuse.com · datasheet
  7. ATOF 287 Series 10 A Blade Fuselittelfuse.com · datasheet