打造仿生獸的六個常見問題

十二月 15, 2016
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也許你曾經看過泰奧‧揚森(Theo Jansen)製作的仿生獸,或稱為「風行者」(wind walker),並決定自己來做一個。幾年前,我就這麼做過。在做了四隻仿生獸後,終於有一隻功能比較穩定了(有刊登在《Make》雜誌英文版第54期!中文版編輯部註:此為中文版第29期,敬請期待)。這一隻仿生獸在今年連續兩天的Orlando Maker Faire上四處行走,吸引了許多人的目光,所以我覺得這算是相當成功的一次!
儘管如此,從有了靈感來源,一直到家中車庫裡真的有一隻仿生獸,期間也經過了好幾年的時間。原作者揚森有公佈他所使用的連杆機構長度,不過,我後來發現那只是個開頭。在製作這個專題的過程中,我學到很多經驗,如果你也決定踏上打造仿生獸的旅程,我這裡有一些心得可以和你分享。

這是個浩大的工程

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在Orlando Maker Faire上,我展示出我好幾年的心血
​首先,你大概不可能只花一個週末,就把這臺奇妙的機械設計好又做出來。一開始,我先試著做出四足仿生獸,後來發現四條腿很不穩固,儘管如此,在插上電之後,如果有另外的支撐,效果還是很不錯的。光是做到這一步,就斷斷續續花了我一整年的時間。我的下一隻仿生獸有八隻腳,組裝起來大小跟高爾夫球車差不多,不過它從來沒有成功過。顯然地,我那時候太心急了,還沒有準備好面對這種程度的挑戰。
​接下來的兩次設計都比較小、比較輕,而且有成功走起路來(其中的第一隻在此 ),很顯然地,我的「設計原型」都比最終成品來得大。

精準與「晃盪」

儘管揚森的仿生獸幾乎整體都是用PVC管做的,不過如果你想要自己做一隻仿生獸,最重要的還是穩定性,這一點在組裝腿部構造時尤為重要。如果腿部會在節點處產生晃動,在來回落地時晃動程度會變得更大。中央凸輪軸部分的組裝也是一大關卡,如果裝不好,很容易整個卡住。
要解決這個問題,腿部構造要夠寬,才不會產生太大的晃動,另一種方法就是將它們固定得更緊。無論採用哪一種方法,都可能會增加重量或摩擦力,因此,請在權衡之下找出最適合的方法。我有看過一種方法,是在足部關節處加入間隔裝置以加大間隔,又不會變得太重,這也是個不錯的辦法。

摩擦力殺手

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我的第四支仿生獸:StrandMaus
​和由兩顆馬達驅動兩個輪子的機器人不同,在揚森的仿生獸設計中,許多地方都會疊加摩擦力。計算結果可能會依方法有些許不同,但是仿生獸的每一條腿都大概有七處關節會彼此摩擦,造成很大的動能損失。
在我的其中一次設計,我試著使用碳來用做乾性潤滑劑,不過,我最後成功的仿生獸(第四次)是在許多關節處使用止推軸承(thrust bearing),這種軸承一個要幾美元,累積起來也是不少錢,儘管如此,我還是必須要用它來降低摩擦力,仿生獸結構才可能運作順暢,除了止推軸承之外,鐵氟龍墊圈也是一個可能的替代品。

累積的力矩

​揚森的仿生獸有PVC凸輪軸設計 ,不過,當你在仿生獸身上加上第二、第三或更多組腳時,連杆裝置的力矩也會跟著累積。我在我的第三隻仿生獸上仍採用這樣的設計,到了第四隻仿生獸時,我決定改變作法,用裝有齒輪的中心軸取代凸輪軸,與上頭Joachim Punkt的影片中類似。

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我的齒輪設計
​對我來說,這個設計的效果很不錯,但我需要費勁地打磨齒輪,因為腿部的「晃盪」不夠。這點滿有趣的,在機械設計中,寬鬆的零件組裝方式在某些時候很管用,某些時候效果卻很糟。

電腦工具輔助

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CNC裁切開啟了許多設計的可能性
​我的第一隻仿生獸全部都是自己動手裁切的,這也是可行的辦法,但是很花時間,而且製作上也會受到限制。接下來的三代仿生獸我都用電腦輔助裁切,不但比較精準,設計上也多了更多可能性,另外,由於用手精準裁切非常耗時,因此省了很多時間。
​組裝就要花費很長的時間了,時間就是金錢。請視情況向他人或電腦求助。

選擇適合的馬達

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第一代仿生獸與我嘗試過的多種馬達,還有PVC軸的設計。

 

​通常馬達愈大就會愈重,價格也愈高,我一開始使用的馬達(如上圖)就太小了。儘管如此,在用壞了幾個馬達之後,我終於可以讓腳在掛起來時動了。在做第一隻和第二隻仿生獸時,我試過雨刷馬達,但其在控制旋轉的情況下,力矩會大量減少。我學到的經驗是:如果要做大型的馬達驅動仿生獸,請先準備好幾百美元吧,這樣才買得到夠好的馬達。
​我在做第三代仿生獸(如上圖)的時候,我使用很小的馬達,由四旋翼飛行器的控制器提供電力,到了第四代,我使用了和較大型的第一代同一顆的馬達,這一次效果很好!
​還沒有心理準備付出時間、金錢和材料(包括馬達、軸承、結構素材與存儲空間)來打造如高爾夫球車大小的步行者,但其他人已經做過很大型的仿生行走結構模型了,揚森就是第一位。雖然這麼說,如果這看起來太費事,你也可以選擇購買仿生獸套件來打造屬於你的仿生獸!

(譯:劉允中)
原文

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