摘要

近年來科技發展越來越快，機械自動化漸漸取代傳統產業，需要人力操

作的地方也被機械手臂取代，機械手臂的精準零誤差，在品質上佔有很大的

優勢，可以減少品管所花費的人力與時間此機械手臂的研究發展也朝向節省

人力跟減少人類暴露在危險的工作環境。

我們當專題嘗試利用氣壓的方式來驅動機械手臂，利用鎖故迴路的效

用，使機械手臂不論是達到端點或是任意位置皆可立即停止作動，並保留壓

力使手臂不至於重力承載所下降，並且使用 Arduino 配合藍芽傳輸與手機傳

達命令訊號，使機械手臂達成我們所想進行的機械動作。

I

致謝

這次專題我們可以這麼順利的完成作品，最需要感謝的就是我們指導老

師任歐乃瑞老師，即便身為系主任的他有許多繁忙的公務要處理，他依舊不

辭辛勞的在氣壓迴路以及電控設計上提供非常寶貴的經驗跟指導，可以說是

他為我們的專題作品掏心掏肺也不為過了。

其次要還要感謝包凱元同學，他是我們高中時期的同班同學，由於他擁

有有充分的工作經驗，以及靈活的機械知識，讓我們不論在手臂上的機構的

模擬或是材料的加工上面都有非常大的幫助。

最後要感謝勇順五金行，元碁五金行，鉅泰五金建材行以及新榮興五金

行，他們知曉我們是為了畢業專題而不斷反覆購買材料製作零件後，都已非

常優惠的價格算給我們，讓我們省下了一筆為數不小的錢。

經過這次專題，我們了解到人與人互助的可貴，我們在此再次真誠的感

謝他們提供的幫助，謝謝！

II

目錄

摘要 .......................................................................................................................... I

致謝 ......................................................................................................................... II

目錄 ....................................................................................................................... III

圖目錄 ..................................................................................................................... V

表目錄 .................................................................................................................. VII

第 1 章緒論 .............................................................................................................. 1

1.1 前言 ................................................................................................................ 1

1.2 研究動機 ........................................................................................................ 1

1.3 研究方向 ........................................................................................................ 2

1.4 研究目的 ........................................................................................................ 2

1.5 研究架構流程 ................................................................................................ 3

1.6 時間進度管制 ................................................................................................ 4

1.7 工作分配 ........................................................................................................ 5

第 2 章零件圖、表與迴路設計 .............................................................................. 6

2.1 前言 ................................................................................................................ 6

2.2 零件設計圖 .................................................................................................. 6

2.3 零件一覽表 ................................................................................................ 14

2.2 氣壓迴路配置圖與電路控制設計圖 .......................................................... 15

第 3 章研究方法 .................................................................................................... 17

3.1 前言 .............................................................................................................. 17

3.2 機械手臂的介紹 .......................................................................................... 17

3.3 機械手臂的原理 .......................................................................................... 18

第 4 章零件製作 .................................................................................................... 19

4.1 前言 .............................................................................................................. 19

4.2 最初面臨的問題 .......................................................................................... 19

4.3 加工過程 ...................................................................................................... 21

第 5 章結果與討論 ................................................................................................ 30 III

5.1 前言 .............................................................................................................. 30

5.2 實驗與理論驗證 .......................................................................................... 30

5.2.1 案例 1 ..................................................................................................... 30

5.2.2 案例 2 ..................................................................................................... 31

第 6 章結論與建議 ................................................................................................ 34

6.1 結論 ........................................................................... 錯誤! 尚未定義書籤。

6.2 建議 ........................................................................... 錯誤! 尚未定義書籤。

參考文獻 ................................................................................................................ 36

IV

圖目錄

圖 1.1 流程簡表 ....................................................................................................... 3

圖 2.1 機械手臂後段鋁板 ....................................................................................... 6

圖 2.2 機械手臂後段鋁板三視圖 ........................................................................... 6

圖 2.3 機械手臂前段鋁板 ....................................................................................... 7

圖 2.4 機械手臂前段鋁板三視圖 ........................................................................... 7

圖 2.5 機械爪連接鋁板 ........................................................................................... 7

圖 2.6 機械爪連接鋁板三視圖 ............................................................................... 7

圖 2.7 底座 L 型固定板 .......................................................................................... 8

圖 2.8 底座 L 型固定板三視圖 .............................................................................. 8

圖 2.9 機械馬達 ....................................................................................................... 9

圖 2.10 後段氣壓缸 ................................................................................................. 9

圖 2.11 前段氣壓缸 ................................................................................................. 9

圖 2.12 機械夾爪 ................................................................................................... 10

圖 2.13 3/2 位真空常壓單邊快速電磁閥 .......................................................... 10

圖 2.14 5/2 位切換開關 ...................................................................................... 11

圖 2.15 外引導止回閥 ......................................................................................... 11

圖 2.16 單向節流閥 ............................................................................................. 12

圖 2.17 按鈕開關 .................................................................................................. 12

圖 2.18 鎖固迴路 ................................................................................................... 15

圖 2.19 電路配置圖 .............................................................................................. 15

圖 2.20 機械夾爪迴轉馬達 .................................................................................. 16

圖 3.1 機械手臂概念圖 ......................................................................................... 18

圖 4.1 最初預想的機械手臂 ................................................................................. 19

圖 4.2 失敗的機械手臂 ......................................................................................... 20

圖 4.3-1 加工用鋁板 ............................................................................................. 21

圖 4.3-2 加工用鋁板 ............................................................................................. 21

圖 4.4 鋸床床切割過程 ........................................................................................ 22 V

圖 4.5 鑽床加工過程 ............................................................................................ 23

圖 4.6-1 圓角加工 ................................................................................................. 24

圖 4.6-2外邊修整 ................................................................................................... 24

圖 4.7 初步組合過程 ............................................................................................. 24

圖 4.8-1 中後段氣壓缸組裝 ................................................................................. 25

圖 4.8-2 後段氣壓缸組裝 ..................................................................................... 25

圖 4.9-1 初步組裝圖 ............................................................................................. 26

圖 4.9-2 前段氣壓缸與機爪鋁板組裝 ................................................................. 26

圖 4.10 夾頭安裝圖 ............................................................................................... 27

圖 4.11 機械手臂初步完成圖 ............................................................................... 27

圖 4.12-1裝配氣壓線路完成圖 ............................................................................. 28

圖 4.12-2裝配氣壓線路完成圖 ............................................................................. 28

圖 4.13-1 配電完成的機械手臂 ........................................................................... 29

圖 4.13-2 配電完成的機械手臂 ........................................................................... 29

圖 5.1 實驗圖片 1 .................................................................................................. 30

圖 5.2 實驗圖片 2 .................................................................................................. 31

圖 5.3 實驗圖片 3 .................................................................................................. 31

圖 5.4 實驗圖片 4 ................................................................................................... 32

圖 5.5 實驗圖片 5 ................................................................................................... 32

圖 5.6 實驗圖片 6 .................................................................................................. 33

圖 5.7 實驗圖片 7 .................................................................................................. 33

VI

表目錄

表 1.1 計畫進度管制圖 .......................................................................................... 4

表 1.2 工作分配表 .................................................................................................. 5

表 2.1 零件材料一覽表 ......................................................................................... 14

VII

第1章 緒論

1.1 前言

隨著科技的日新月異，人類在近年來科技發展神速，為了滿足人類的需

求，各式各樣不同功能的機械手臂因應而生，像是生產製造、醫療、服務、

日常生活方面...等領域。

1.2 研究動機

我們曾在課堂看到老師撥放有關機械手臂的影片，裡面有非常多種功能

不同的機械手臂，有填充工件的也有焊接、裝配、熔接、切削、加壓、檢測、

搬運貨物...等，各種不同功能的機械手臂。

我們也產生了很高的興趣，所以決定在這次的專題當中製作機械手臂，

初步討論後我們決定自己買材料，在用銑床加工鋁板的方式製作機械手臂，

最後在以氣壓缸來控制機械手臂，來理解機械手臂的基礎運作方式，也透過

自己動手做來提高對機械手臂的理解。

1

1.3 研究方向

機械手臂在產業自動化的應用已經相當廣泛，主要是用於人工無法進行或是

會花費許多的時間來完成的工作，機械手臂在精度與耐用性上比人工好，可

以減少許多職災問題的發生。

跟老師討論過後，我們試著用四年來所學到的加工技術，來製作機械手

臂，我們選用鋁板來當作主要材料，動力裝置則是使用氣壓缸，我們使用

加工機加工鋁材來完成連桿，然後在組裝起來，並利用氣壓缸來連結連桿使

機械手臂做動，最後在用電氣迴路與氣壓迴路來控制機械手臂。

1.4 研究目的

機械手臂的種類繁多，又以各種形狀大小而有所不同，各種機械手臂都

有各自的優缺點，所以適用在各種不同的產業，工業上使用之機械手臂目前

大多是以成本與品質作為考量，工業化國家的勞動人口的減少與老化也促使

工廠使用現代化機械手臂以達到節省人力成本與提高生產品質的目的，工業

上也從原本的模具製造、汽車工業、電子製造等相關產業，拓展到醫療業、

農業、服務業...等。

本次專題主要是研究機械手臂的動作，機械手臂的基礎動作包括上升、

下降、前進、後退、夾緊、迴轉等動作，我們用氣壓缸使機器手臂做動，並

讓他可以應用在自動化工程裡面。

2

1.5 研究架構流程

圖 1.1 流程簡表

3

1.6 時間進度管制

本研究專題內容共分為專題討論、資料收集及研究、試做專題、材料購

買、實際製作、書面報告製作等六項，各工作項目時程進度表如下圖所示。

月次

工作項目

第 1 月

第 2 月

第 3 月

第 4 月

第 5 月

備 註

1.專題討論

2.資料收集及研究

3.試做專題

4.材料購買

5.實際製作

6.書面報告製作

預定進度累計百分比 20% 40% 60% 80% 100%

預定進度實際進度

表 1.1 計畫進度管制圖

4

1.7 工作分配

工作項目 工作人員

專題討論 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥、廖顯伯

資料收集 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥、廖顯伯

專題確認 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥、廖顯伯

機構構想 吳俊億、林瓚君

材料購買 吳俊億、林瓚君

設計繪圖 林瓚君、

試作實驗 吳俊億、林瓚君

機械手臂製作 吳俊億、林瓚君、林建霖

機械手臂測試與修正 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥

氣壓與電氣迴路配線 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥

機械手臂與氣壓電氣迴路整合 林瓚君、林建霖、劉力誥

書面資料第一、三章 林建霖、

書面資料第二、四章 劉力誥、廖顯伯

書面資料第五、六章 吳俊億、林瓚君、林建霖、劉力誥

書面整理與修正 吳俊億、廖顯伯

口試練習 吳俊億、林瓚君、林建霖

書面報告裝訂與專題報告 吳俊億、林瓚君、林建霖

表 1.2 工作分配表

5

第2章 零件圖、表與迴路設計

2.1 前言

設計作品是最初也是最難的一部分，想要憑空創造出一隻機械手臂難度

真是超乎我們預期的想像，於是我們著手從一般隨手可得的冰棒棍做出構想

的機構擺動，利用針筒與塑膠管來模擬氣壓運作，進而才利用 SolidWorks 繪

製出手臂模型的草圖。

2.2 零件設計圖

圖 2.1 機械手臂後段鋁板

圖 2.2 機械手臂後段鋁板三視圖

6

圖 2.3 機械手臂前段鋁板

圖 2.4 機械手臂前段鋁板三視圖

圖 2.5 機械爪連接鋁板

圖 2.6 機械爪連接鋁板三視圖

7

圖 2.7 底座 L 型固定板

圖 2.8 底座 L 型固定板三視圖

8

圖 2.9 機械馬達

圖 2.10 後段氣壓缸

圖 2.11 前段氣壓缸

9

圖 2.12 機械夾爪

圖 2.13 3/2 位真空常壓單邊快速電磁閥

10

圖 2.14 5/2 位切換開關

圖 2.15 外引導止回閥

11

圖 2.16 單向節流閥

圖 2.17 按鈕開關

12

圖 2.18 繼電器

圖 2.18 選擇開關

13

2.3 零件一覽表

表 2.1 零件材料一覽表

編號 零件名稱 備註 1 機械手臂後段板 板厚 2mm 2 機械手臂前段板 板厚 2mm 3 機爪連接板 板厚 2mm 4 底座 L 型固定板 板厚 2mm 5 機械馬達 直流 6 後段氣壓缸 行程 150mm 7 前段氣壓缸 行程 30mm 8 機械夾爪 9 防磨圓管 10 3/2 位真空常壓單邊快速電磁閥 11 5/2 位切換開關 12 外引導止回閥 13 單向節流閥 14 按鈕開關 15 繼電器 16 選擇開關

14

2.2 氣壓迴路配置圖與電路控制設計圖

圖 2.18 鎖固迴路

a11

a22

3a3

4a4

b1

b2

b3

b4

5

6

7

8

Vcc1

0

a11

a22

3a3

4a4

b1

b2

b3

b4

5

6

7

8

GND

0

DC 24V

線圈+ 線圈-

COM

a b

RXTX_

+

藍芽

RX

TX

D2

D3

D4

D5

D6

D75V

繼電器示意圖

GND

圖 2.19 電路配置圖

15

24V 0V

R1

R2

R2

R1

R1R2

R3

R3

R3

M+

M-

STOPM

24V 0V

R1

R2

R1

R2

圖 2.20 機械夾爪迴轉馬達

16

第3章 研究方法

3.1 前言

我們在網路上找了很多種不同款式的機械手臂來做參考，也用木板試做

過機械手臂，最後才決定要做哪種型式的機械手臂。

3.2 機械手臂的介紹

機械手臂的基本構造分為，控制盤、夾爪、機械臂、底座、驅動裝置。

控制盤：在操作過程中，控制盤是不可或缺的，機械手臂的所有動作都必須

由控制盤來操作。

夾爪：夾爪對於有夾取物品功能的機械手臂是非常重要的，因為機械手臂有

非常多種不一樣的款式，所以功能不同這個部位也不同，如果是用

於焊接就會有焊接專用的手臂。

機械臂：機械臂為連接夾爪及基座的可延伸部位，決定機械手臂的可動範圍，

自由度越高可做的動作就越多。

底座：是支撐起其餘部位的基礎，可承受重物並穩定物體結構，基座越穩固，

可支撐的物體越大。

驅動裝置：是用來提供機械手臂作動的主要動力來源，機械手臂的動力有氣

壓缸、油壓缸、馬達...等。

17

3.3 機械手臂的原理

機械手臂的基礎構造有夾爪、活動關節、連桿、底座、驅動裝置，夾爪

是機械手臂的主要機構，夾爪與活動關節的動力來源是由驅動裝置來提供

的，關節與關節相連稱之為連桿，底座是用來支撐夾爪、連桿與驅動裝置。

圖 3.1 機械手臂概念圖

18

第4章 零件製作

4.1 前言

機械手臂材料我們採用輕巧且易加工的鋁板來製作，製作過程看似簡單

但其實都是我們嘗試多次失敗與修改後才有今天這樣的成品出來。

4.2 最初面臨的問題

起初我們最一開始並不是利用薄板來當作機械手臂零件，而是利用圓筒

型的鋁管來製作，最初是認為這樣不但易於把管線配置藏入裏頭，外觀也接

近於人類手臂形狀，可以說是一舉兩得，美觀又實用，但事後才發現這樣製

作有非常嚴重的問題。

圖 4.1 最初預想的機械手臂

19

鋁管加工上不但麻煩且圓孔不易校準，而且我們事後常是配置氣壓缸時

才發現會產生大小與鋁管衝突的問題，氣壓缸可以說是我們機械手臂的核

心，如果因為鋁管大小而去變動氣壓缸的話根本是本末倒置了！

圖 4.2 失敗的機械手臂

若想要做出圖 4-2 的機械手臂的話，不但要考慮機構重心的問題，就連氣

壓缸是否買的到合適的都是一大難題。

20

4.3 加工過程

經過多次討論與取材後，我們決定考慮改用鋁板來製作，當手臂完成時

發現鋁板意外的的好組裝而且外觀上也很美觀，以下是我們手臂加工零件的

流程。

圖 4.3-1 加工用鋁板

圖 4.3-2 加工用鋁板

21

我們利用厚度 2mm 的鋁板來加工，最初利用鋸床來切割鋁板，我們的組

員都沒有使用過這種機台的經驗，而且光看這機台的鋸條以及它發出來的聲

響，光是這步驟就對我們來說就是一大挑戰了！

圖 4.4 鋸床床切割過程

接下來利用鑽床來加工圓孔，這步驟我們失敗不少次，原因大多是因為

孔的尺寸位置不合所造成， 因此也浪費了不少的材料在上面。

22

圖 4.5 鑽床加工過程

完成鑽孔之後，我們利用砂輪機來磨出圓角，並且將周圍的毛邊磨掉，

以防銳利的鋁板會在我們組裝零件的時後產生的意外。

圖 4.6-1 圓角加工

23

圖 4.6-2 外邊修整

完成零件的基本加工後，接下來就是製作組裝的部分，首先將前後端的

手臂連接固定起來，並且將螺絲與防磨圓管串接在鋁板與鋁板間，接下來就

是利用 L 型的版與底座固定起來，並且連接手臂前後板。

圖 4.7 初步組合過程 24

之後就是進行氣壓缸的組裝，一樣把氣壓缸依照預定的位置組裝上去，

過程中我們也發現到，利用鋁板來當作手臂真的是太完美了，不但組裝上方

便簡單，即使位置上有落差也能當場修正更改，當放棄掉鋁管當作材料是一

個非常正確的決定！

圖 4.8-1 中後段氣壓缸組裝

圖 4.8-2 後段氣壓缸組裝 25

之後將前端的機爪連接板組裝起來並且將後段氣壓缸一併組合上去。

圖 4.9-1 初步組裝圖

圖 4.9-2 前段氣壓缸與機爪鋁板組裝

接下來把夾頭與機械馬達接合後安裝置前頭。

26

圖 4.10 夾頭安裝圖

如此一來機械手臂的基本安裝作業又到一段落了，接下來就是配線以及

氣壓迴路接管的過程了。

圖 4.11 機械手臂初步完成圖

27

接下來配線的部分採用第二章 2.2 的線路圖來接配， 由於我們成員皆有

氣壓配置的經驗 ，因此這步驟可以說是最簡單的一部分了！

圖 4.12-1 裝配氣壓線路完成圖

圖 4.12-2 裝配氣壓線路完成圖

28

完成氣壓配管之後就是配接電氣迴路， 對於電氣迴路雖然看似複雜許

多， 可是由於我們組員皆有乙級的氣壓實力，所以這對我們來說實在不難。

圖 4.13-1 配電完成的機械手臂

圖 4.13-2 配電完成的機械手臂

29

第5章 結果與討論

5.1 前言

辛苦完成後當然最重要的就是要測試出成品的機能效果，我們利用的多

數的小物品來當作測試材料，一方面測試機械手臂的靈活性，也測試夾爪的

負載重量。

5.2 實驗與理論驗證

我們將鋁塊放置於機械手臂前方來測試它的抓取力量以及是否能將鋁塊

放置於目標點，過程皆有影片，以下就是我們測試的結果與討論。

5.2.1 案例 1

圖 5.1 實驗圖片 1

鐵塊約重 40g 預將目標放至圓盤上，此實驗測試機爪的穩定性以及可與

操控上的靈敏度。

30

圖 5.2 實驗圖片 2

雖然機械手臂成功將鋁塊放至於圓盤上，但由於氣壓於氣壓缸裡有壓縮

的彈性， 使得機械手臂在操控上不算靈活，穩定性有需要再加強。

5.2.2 案例 2

接下來我們採用了重量跟大小都比鋁塊來的大的鉛筆盒來當作實驗對

象，以下為實驗的過程與結果。

圖 5.3 實驗圖片 3

鉛筆盒加內部重量約達 200g ，外表體積也明顯比鋁塊大上許多。

31

圖 5.4 實驗圖片 4

圖 5.5 實驗圖片 5

實驗結果如上，也很成功的把鉛筆盒夾到了指定的位置，而且這次的穩

定性比第一次實驗還來的好，或許較重的東西比較能使氣壓缸比較穩定吧。

32

5.2.3 案例 3

最後我們嘗試重量較重的捲尺來當作實驗對象，捲尺的體積雖然筆鉛筆

盒小上許多，不過重量卻有 700G 重。

圖 5.6 實驗圖片 6

圖 5.7 實驗圖片 7

由上圖可以看到，即使捲尺重量遠高於前兩個實驗體，但是目標依舊可

以達到應有的標準，實驗可以說是大成功。

33

第6章 結論與建議

6.1 結論

這次的專題讓我們更了解機械手臂，也學會了以前不會用的加工機，我

們是從零開始製作機械手臂，從討論到實際製作花費了很多時間，期間還試

作過兩次來加深對機械手臂的理解，第一次試作是用冰棒棍當作主要材料，

然後用針筒裝水當作動力，第一次試作出來發現底座的部份太小，無法支撐

起整體重量所以失敗了，有了第一次的經驗之後我們又做了一次，因為有了

第一次的失敗當做經驗所以第二次試作的時候我們採用不一樣的做法，我們

是模仿挖土機的手臂下去製作，這次就成功了沒有第一次試作時的問題，於

是我們就決定採用第二次試作的方式來完成本次專題。

正式製作機械手臂的時候我們考慮要用什麼材料來加工，使用木材來製

作的話沒有相關的設備可以讓我們使用，所以最後我們決定使用鋁材來當材

料，鋁材的話因為便宜而且學校有相關設備可以使用，加工起來也方便許多，

製作的過程當中我們使用了鋸床、鑽床、砂輪機，我們使用鋸床切割材料，

把材料加工成我們需要的形狀，在使用砂輪機磨掉毛邊，然後在使用鑽床鑽

在製作的過程中不是那麼順利，實際製作時要考慮的東西很多，像是氣

壓缸的擺放位置，擺在機械手臂上會不會過重導致無法平衡，或是擺在旁邊

行程會不夠長，放在機械手臂裡面接線的時候是否會干涉到，還有氣壓缸的

行程夠不夠，鋁材需要的長度，鑽孔的位置，我們遇到的第一個問題是，在

設計的尺寸上鑽孔會干涉到手臂的動作，解決方法是直接用氣壓缸的行程下

去比對，在適當的位置重新鑽一個新的孔，第二個問題是氣壓缸放置在連桿

中間會干涉到氣壓管線，我們使用手提式砂輪機把會干涉到的位置磨掉。

這次的專題我們學會使用鋸床、鑽床與砂輪機，因為平常很少在使用的

關係，對加工機這方面都不是很熟，所以我們請教同學教我們使用，鋸床使

用時要注意工件有沒有夾緊，要使用鑽床前要在加工的地方打個中心，使用

砂輪機時要小心角度對不對。也更加了解機械手臂的構造原理，這次專題我

們學到的很多，不管是理論上的認知還是操作上的技巧都有很大的幫助。

34

6.2 建議

機械手臂初次作動的時候會有爆衝的情形，是因為氣壓缸裡面沒有是先

背壓，導致外引導止回閥沒發生作用才產生爆衝，解決方法是改用油壓缸，

油壓缸不作動也會有油在裡面形成回路，所以初次使用時就不會有爆衝的動

作發生。

機械手臂在上升時停住一段時間後會自動下降，問題點在於氣壓缸缸徑

過小氣壓壓力不足再加上管線配置太多導致氣壓外洩，由於無法解決所以用

油壓缸代替來處理這個問題。

氣壓手臂在作動時會產生搖晃，由於是第一次製作機械手臂，經驗不足

修改的地方太多導致整體結構產生偏差，解決的方法是重做一支，重新做一

隻機械手臂。

新的機械手臂除了結構穩定之外又用油壓缸做為動力來源，所以以上問

題點都可改善。

35

參考文獻

1. by R. Colin Johnson 新研發氣壓式機械手臂 動作更靈敏

2. YUYANG 預洋科技有限公司 ，100 年乙級技術士技能檢定術科精解範例

36