等力撓性機構之最佳化設計與原型試作

本研究預計發展拓樸最佳化及幾何最佳化演算法來設計創新的等力輸出撓性機構，此機構可在輸入端為不同的輸入位移條件下，在輸出端維持等力輸出，且不需要額外加裝感測器進行輸出力量控制，為低成本的被動式等力輸出裝置，可對定位精度不高的自動化系統提供定力輸出與過載保護。在最佳化理論部分，分為拓樸最佳化與幾何最佳化二個部分，預計都會以Matlab程式撰寫。拓樸最佳化部分預計會推導新的目標函數與元素靈敏度，並考慮幾何非線性與材料非線性假設的情況下，以非線性有限元素法進行分析。幾何最佳化部分會利用仿生演算法(例如:布穀鳥演算法、螢火蟲演算法等)來進行最佳幾何參數的搜尋，同時也會結合非線性有限元素法進行分析。最佳化設計之撓性等力機構會使用具備超彈性特性的軟性材料進行原型試作，預計會使用軟料3D列印與軟性樹脂/矽膠模具成型等方式製作，並進行實驗驗證設計成果。本研究所設計的等力撓性機構會設計成工業機械手臂的端效器使用，應用情境包含可提供定力輸出的等力撓性夾爪，與可用來補償手臂在自動化加工過程中，因定位精度不佳或接觸狀態改變時所需的被動式等力補償裝置。最後並會將所設計的撓性等力輸出裝置安裝於一台機械手臂上，完成測試與驗證之工作。本二年期計畫的工作規劃主要包含: 第一年的演算法開發與設計分析及第二年的原型試作與測試二個階段。第一年的主要目標是完成撓性等力機構最佳化演算法的開發，主要工作包含: 軟性材料之材料特性測試、拓樸/幾何最佳化演算法開發、撓性等力機構之拓樸/幾何最佳化設計與非線性有限元素分析。第二年的主要目標是完成撓性等力機構的設計、原型試作與測試驗證，主要工作包含: 撓性等力夾爪設計、撓性等力端效器設計、軟料3D列印/光固化成型/軟性樹脂模具成型技術研究、原型試作與測試、撓性等力裝置與機械手臂系統的機電整合與測試。本計畫之研發成果可分為理論發展與產業應用二個部分。在理論發展方面，本研究會開發新的拓樸/幾何最佳化演算法來設計考慮非線性行為的撓性等力機構。在產業應用方面，本研究所開發的撓性等力裝置可做為等力撓性夾爪與等力端效器使用，並可對定位精度不高/接觸狀態改變的自動化系統提供定力輸出與過載保護。