製作會膨脹的機器人

十一月 22, 2016
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如果你看過迪士尼大片《大英雄天團》(Big Hero 6)裡頭的大明星「杯麵」(Baymax),就知道膨脹機器人有多時髦了。膨脹機器人的本體很便宜、很輕、可以摺疊也很容易收納,而可膨脹的致動裝置(或可稱為充氣肌肉、氣動人工肌肉等)則能使機器人動得更自然一些,不像馬達或齒輪致動裝置那樣死板僵硬。
這個專題靈感來自菲爾特的氣球肌肉原型,不同的是,這個專題不是透過打氣使彎曲的腿伸直,而是套用薩魯斯連杆機構(成直角的鉸鏈裝置)進行開闔。另外,這個版本的的設計中還有內建的出氣閥,只要一分鐘就能做出來了!
在開始之前…

  • 時間:1 小時
  • 成本:低於10 美元
  • 難度:簡單
  • 安全考量:小心氣球爆炸喔!
材料

  • 造型汽球(派對商店有)
  • 手動氣球打氣筒
  • 可彎曲的乙烯樹脂,直徑1/4 吋(15 公分)(五金行可以買到)
  • 絕緣膠帶
  • 剪刀

​​運作原理

氣動肌肉的原理就是透過改變氣壓致動。和人體肌肉一樣,氣動肌肉在擴張與收縮時長度會改變。充氣機器人之所以可以彎折、扭曲與伸展,與外部構造材質有關,通常是纖維或橡膠,至於彎折的難易度則跟內部空氣或其他氣體的氣壓有關,壓力低的時候,內部氣體含量少,在外部受到擠壓時氣體比較容易移動讓位。內部壓力愈高,代表空間中氣體分子愈多,整個結構就會變得更加堅硬。.

步驟一

用打氣筒幫兩條氣球充氣,尾端大概留4 到5 吋(10 到12 公分)不要充氣。把打氣筒移開後,把一點點氣漏掉,也就是幫氣球「打嗝」。這一個步驟可以讓氣球比較好折,也比較不容易爆掉。把頭部綁起來
將氣球密封。

提示:在氣球充氣之前,可以先把氣球「拉一拉」!

步驟二

拿其中一條充好氣的氣球,在打結處後約 3 吋(8 公分)的地方轉三圈,捏一顆球出來。接著,在另一條氣球上也如法炮製,把兩條氣球的打結處纏繞起來。

步驟三

要在第一條氣球上形成鉸鏈裝置,首先,請先把氣球折半,在摺彎處捏一顆高爾夫球大小的節點。接著,把連接的地方卷繞三次,然後繞過氣球本身一圈再回到原點。這個鉸鏈裝置看起來就像是往前伸的膝蓋。另一條氣球也如法炮製。

將兩條氣球沒充氣的尾巴部分打結綁在一起,然後在第一個結上方1吋 (1 公分)左右的地方再打一個結。完成以後,氣球裝置會呈現菱形,鉸鏈裝置則在中央。

步驟四

現在,請拿出乙烯管,剪下差不多10 吋 (25 公分)的長度,然後用剪刀或美工刀在大約一半的地方切一個出氣口,注意切口不要超過管子直徑的一半,不然會破掉。現在,你應該可以把管子往後折,切口
會打開,但是管子不會斷掉。接著,請剪一段2 吋(5 公分)的絕緣腰帶,在其中一端稍微往回摺一點,繞管子一圈蓋住切口。往回摺的那一端能讓膠帶很容易被撕開,一撕就可以露出切口。現在,把管子往
後摺讓切口打開,再用膠帶封住。測試的時候裝上打氣筒打氣,看看封起來的時候會不會漏氣。
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步驟五

將乙烯管的一端戳進步驟3 中綁的兩個結之間,然後拿第三條氣球,充氣之後放氣,這就是我們的充氣肌肉喔!將充氣肌肉的開口蓋住兩個結之間的管子開口處。氣球大概要蓋住管子1 吋(2 公分)左右,完
成後用絕緣膠帶固定。

步驟六

把菱形氣球的頂部和底部彼此拉近,這就是鉸鍊裝置會進行的動作了,你可以決定這兩端要多靠近,然後把肌肉氣球的尾端綁到其他兩個氣球尾端固定。
接著,把打氣筒的末端放入透明管開口,愈深愈好,然後用絕緣膠帶固定。

步驟七:測試專題原型

用打氣筒慢慢地為肌肉氣球充氣,當氣球愈來愈大的時候,長度會拉長,把鉸鏈裝置推開。如果要讓鉸鏈裝置關閉的時候,只要把絕緣膠帶撕開一些,露出出氣閥,然後把管子折彎,讓出氣閥口變得更大。這個時候,空氣會漏出來, 氣球也就會回到原本的長度了。

如果氣球充氣時遇到問題,可以拿打氣筒去充剛開封的氣球試試看,因為便宜的打氣筒容易損壞。另外,也可以確認氣球有沒有破掉。

更進一步

在氣球本體加入機器人的軀幹、手臂和頭部吧!或是走抽象的設計路線,做一個數學氣球模型!你也可以製作分配器,同時驅動多個機器人部件——拿一條透明塑膠管,切一個一個菱形的洞,洞要大到可以放進另一條管子, 要鑽幾個洞都可以,端視你要插入幾個管子而定。在每一個洞口插入乙烯管,然後用Sugru 萬能修復矽膠或熱熔膠填補縫隙。

本文節選自《超簡單機器人動手做:用隨處可見的材料發掘最先進的機器人學問》一書,關於更多進階製作資訊與膨脹機器人介紹,請參閱書中完整文章。

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超簡單機器人動手做:用隨處可見的材料發掘最先進的機器人學問

作者: 凱希‧西塞里  
譯者:潘榮美
出版社:馥林文化 

本書以平易近人的文字帶領讀者從基礎勞作出發,一步步走向時下藝術家與發明家開發的尖端產品。在《超簡單機器人動手做》當中,你將學習如何讓摺紙作品「動」起來、透過3D列印技術製作「輪足」機器人、或是寫程式讓布偶眨眨它的機器眼。在每一個專題當中,我們都會提供詳細的步驟說明,除了文字外,也輔以清晰易懂的圖表和照片。每一個專題最後,我們也會提供專題修正建議以及其拓展延伸的可能性。這樣一來,隨著技巧和經驗更上層樓,你可以一次又一次地研發改良,讓專題更加豐富多彩。

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