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System No. U0002-2908201613141000
Title (in Chinese) 結合音圈馬達之拍翼機構輕量化
Title (in English) Weight reduction of the flapping mechanism using voice coil motor
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 104
Semester 2
PublicationYear 105
Author's name (in Chinese) 柯皓翔
Author's name(in English) Hao-Hsiang Ke
Student ID 603370049
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2016-06-29
Pagination 68page
Committee Member advisor - Lung-Jieh YANG
co-chair - Pei-Zen Chang
co-chair - Ching-Liang Dai
Keyword (inChinese) 拍翼式微飛行器
音圈馬達
輕量化
Keyword (in English) flapping micro-air-vehicle (MAV)
voice coil motor
lightweight
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
本研究研製拍翼機專用之音圈馬達來取代舊式傳統馬達與減速齒輪組,希望藉由使用新的驅動方式減少機械磨耗。本研究改變了機構驅動器與翅膀的連動方式,設計出可以使用音圈馬達的機構,使用放電線切割以及3D印表機加工製作原型,並且搭配舊有的伊氏直線機構的桿件。
本研究也利用Arduino晶片組設定傳送正負電流,來運作整體線性拍翼機構。在電池3.7V的驅動下,delay(毫秒)設定為30毫秒下,拍翼頻率可達16Hz,裝11.5 cm翼展拍翼行程角達到40° - 45°,而安裝16.5 cm以及21.5 cm 翼展時,拍翼角度減到16 °以及8°。
配合使用本研究團隊已開發的M1AP輕量化Arduino晶片,可以讓拍翼機總質量壓到10g以內,而不妨礙飛行。但馬達耗用功率分析顯示,音圈馬達內磁鐵與內壁摩擦耗損嚴重。盼望未來機構改善後,預期同時達到80°以上拍翼行程角,與13Hz以上拍翼頻率的設計目標。
Abstract (in English)
The objective of this research is to fabricate a voice coil motor which dedicated to flapping micro-air-vehicles (MAV) to replace the old traditional motor and reduction gear set. The goal of this research is hoping to reduce mechanical power dissipation by using the new driving mechanism. In order to design a mechanism which is suitable for voice coil motor, this study altered the driving mechanism and the interlocking device of wing. The method of making a prototype is using electrical discharge wire cutting and 3D printing. As well as the past experiment, it also collocates with the lever of Evans straight line mechanism.
In addition, to operate the new flapping mechanism, this research takes advantage of Arduino board to provide positive and negative currents. With the voltage of 3.7V , when delay (ms) is set to 30 milliseconds or less, the flight frequency will be up to 16Hz . Here are two results about the new flapping mechanism. First, with wingspan of 11.5cm, the stroke angle reaches 40°to 45°. Second, with wingspan of 16.5cm and 21.5cm, the stroke angle reduced to 16° and 8°, respectively.
    With the lightweight M1AP Arduino board developed by Tamkang University the total mass of flapping MAV with the new mechanism will be less than 10 grams. However, the analysis of power consumption shows the friction between the magnet and the inner wall of voice coil motor is serious. After improving the mechanism, the final aim is hoped to achieve the stroke angle over 80° and the flapping frequency up to 13Hz simultaneously.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
目錄
圖目錄	VII
表目錄	XII
第一章 緒論	1
1-1研究背景	1
1-2 文獻回顧	2
1-3 事前工作	4
第二章 機構設計	7
2-1研究動機	7
2-2研究目的	8
2-2-1 拍翼生物尺度律	8
2-2-2 拍翼飛行器之輕量化	9
第三章 音圈馬達	11
3-1 馬達	12
3-2 線性馬達	13
3-3 音圈馬達	14
3-3 H橋式電路	16
3-4 ARDUINO 晶片結合與寫法	18
3-4-1 L298N馬達驅動板	19
3-4-2 程式說明	21
第四章 機構設計	24
4-1材料選擇	24
4-2基座設計	25
4-3連接器設計	30
第五章 機構實作	31
5-1加工方式	31
5-2初次加工與組裝	33
第六章	實驗與測試	37
6-1 高速攝影機架構	37
6-2 機翼安裝	40
6-3頻率分析	41
6-4行程角分析	47
6-5重量分析	53
6-6效能分析	58
第七章 結論	63
參考文獻	65


圖目錄
圖1-1 KONKUK大學微飛行器解說圖	2
圖1-2 KONKUK大學微飛行器懸停圖	2
圖1-3 AeroVironment蜂鳥懸停拍翼微飛行器	3
圖1-4 Nano Hummingbird搭配攝影機飛行	3
圖1-5初探者	4
圖1-6 Eagle II	4
圖1-7 第一代金探子	5
圖1-8 Pro-金探子	5
圖1-9 雙側桿機構	5
圖1-10 實際飛行	5
圖1-11 高攻角飛行	6
圖1-12 室內飛行高度測驗	6
圖2-1 「拍翼頻率 vs.質量」尺度律	8
圖2-2 「翼展vs.質量」尺度律	10
圖2-3 伊氏拍翼機構整體重量	11
圖2-4 各零件的重量分布	11
圖3-1 馬達解剖圖	12
圖3-2 產生磁力相互作用	12
圖3-3 空心杯馬達	13
圖3-4 線性馬達就如同將馬達轉子和定子切開攤平	14
圖3-5 音圈馬達示意圖	15
圖3-6 線性音圈馬達	15
圖3-7 (a)正電流;(b)無電流;(c)負電流	16
圖3-8 H橋式電路	17
圖3-9 H橋是電路正反電流運作	17
圖3-10 正電流使其推出(最大正電流)	18
圖3-11 負電流使其拉近(最大負電流)	18
圖3-12 L298N馬達模組	19
圖3-13 L298N馬達模組與Arduino UNO接線圖	20
圖3-14 L298N馬達模組與Arduino UNO實際接圖	20
圖3-15 程式指令說明	21
圖3-16 程式指令說明	22
圖3-17 控制線性音圈馬達推出	23
圖3-18 控制線性音圈馬達拉近	23
圖4-1 磁鐵材質關係圖	24
圖4-2 釹鐵硼強力磁鐵	25
圖4-3伊氏拍翼機基座(左)與金探子基座(右)	26
圖4-4 音圈馬達新機構,左下方為線圈捲軸。	27
圖4-5 縮短機構長度	27
圖4-6 固定樁干涉現象	28
圖4-7 加強基座連接翼桿的固定樁	28
圖4-8 基座干涉現象	29
圖4-9 基座挖出矩形空隙	29
圖4-10 原始設計之連接裝置	30
圖4-11 鐵質連接器	30
圖5-1 放電線切割機	31
圖5-2 加工示意圖	31
圖5-3 MakerBot Replicator-2X 3D印表機	32
圖5-4 加工示意圖	33
圖5-5 切割導孔	34
圖5-6 豎起或平躺影響3D列印品質	34
圖5-7 3D列印的製作成品	35
圖5-8 組裝零件	35
圖5-9 Solidworks模擬桿件組裝	36
圖5-10 實際組裝	36
圖6-1 手持固定拍翼	37
圖6-2 MIRO Ex4096mc彩色高速攝影機	38
圖6-3 高速攝影機實驗架構	39
圖6-4 21.5cm翼展翅膀	40
圖6-5 「初航者」(a)兩翼分開 (b)兩翼連接於機身	40
圖6-6 實際組裝圖	41
圖6-7 不同尺寸比較	42
圖6-8 無裝翅測量結果	42
圖6-9 拍翼連續動作	43
圖6-10 翼展11.5 cm測量結果	44
圖6-11 delay設定30毫秒拍翼動作不完全	44
圖6-12 翼展16.5 cm測量結果	45
圖6-13 翼展21.5 cm測量結果	45
圖6-14 完整80°拍翼動作	46
圖6-15 右手安培定則	47
圖6-16 電流產生磁場	48
圖6-17 改變電壓量測值	49
圖6-18 大磁鐵11.5 cm測量結果	50
圖6-19 大磁鐵16.5 cm測量結果	51
圖6-20 大磁鐵21.5 cm測量結果	51
圖6-21 大磁鐵電壓測量值	52
圖6-22 角度比較圖	52
圖6-23 3.7V最大的拍翼行程角40° - 45°	53
圖6-24 金探子各零件重量百分比	54
圖6-25 蜂鳥各零件重量百分比	55
圖6-26 淡大自行開發之M1AP電路板	56
圖6-27 18mAh 25C鋰電池	57
圖6-28 (a)拍翼運動之能量消耗;(b)馬達及傳動系統能量消耗與整體拍翼動作時之能量消耗比	58
圖6-29 實驗架構	59
圖6-30 伊氏機構量測功率	60
圖6-31 音圈機構量測功率	60
圖6-32 中央磁鐵摩擦問題	62







表目錄
表2-1 蜂鳥各零件重量	11
表4-1 釹鐵硼磁鐵規格	25
表5-1 機台規格	32
表5-2 3D印表機機台規格	33
表6-1 高速攝影機之規格	38
表6-2 不同規格強力磁鐵	50
表6-3 金探子各零件重量	54
表6-4 蜂鳥各零件重量	54
表6-5 實驗器材各零件重量	55
表6-6 各零件重量	57
表6-7 伊氏機構運轉效率	61
表6-8 音圈馬達機構運轉效率	61
References
參考文獻
[1]	「花蓮縣飛行運動協會」website, from:http://www.hua215.com.tw/hualien/space/lexus_autumn.htm 
[2]	S. Ashley, “Palm-size spy plane,” Am. Soc. Mech. Eng, Vol. 74-78, 1998.
[3]	Quoc Viet Nguyen et al. , “Characteristics of a beetle’s free flight and a flapping-wing system that mimics beetle flight,” Journal of Bionic Engineering, Vol. 7, pp. 77–86, 2010.
[4]	Quoc Viet Nguyen et al. , “Measurement of force produced by an insect-mimicking flapping-wing system,” Journal of Bionic Engineering, Vol. 7(Suppl), pp. S94-S102, 2010.
[5]	「YouTube」,website,from:http://www.youtube.com/watch?v=9aWm_HY1ods
[6]	M.Keennon, et al. “Tailless flapping wing propulsion and control development for the Nano Hummingbird micro air vehicle,” American Helicopter Society Future Vertical Lift Aircraft Design Conference, Jan. 18-20, 2012, San Francisco, California.
[7]	「YouTube」,website,from:http://www.youtube.com/watch?v=96WePgcg37I
[8]	何仁揚,「拍撲式微飛行器之製作及其現地升力之量測研究」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2005年六月。
[9]	施宏明,「結合PVDF現地量測之拍撲式微飛行器製作」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2007年六月。
[10]	徐振貴,「拍翼式微飛行器之設計、製造與測試整合」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2008年六月。
[11]	高敏維,「微拍翼機可撓翼之氣動力實驗」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2008年六月。
[12]	 L.J. Yang, C.K. Hsu, H.C. Han, J.M. Miao, “Light flapping   micro-aerial-vehicle using electrical discharge wire cutting technique,” Journal of Aircraft, Vol. 46(6), pp. 1866-1874, 2009.  
[13]	高崇瑜,「應用精密模造技術於微飛行器套件組之設計與製造」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2009年六月。
[14]	廖俊瑋,「翼展10公分之拍翼式微飛行器研製」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2009年六月。 
[15]	L.J. Yang, C.Y. Kao, and C.K. Huang, “Development of flapping ornithopters by precision injection molding,” Applied Mechanics and Materials, Vol. 163, pp. 125-132, 2012.
[16]	鄭杰明,「仿蜂鳥懸停機構初探」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2013年。

[17] 洪堃銓,「仿蜂鳥懸停機構套件之設計與製造」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2014年。
[18] 國科會提升私校研發能量專案計畫-「淡江蜂鳥—生態觀察尖兵」,計畫編號NSC 101-2632-E-032-001-MY3,2012-2015年。
[19] U.M.Norberg,Vertebrate Flight: Mechanics, Physiology, Morphology, Ecology and Evolution, 1st ed., Springer, New York, 1990.
[20] L.J. Yang, B. Esakki, U.Chandrasekhar, K.C. Hung, C.M.Cheng, “Practical flapping mechanisms for 20cm-span micro air vehicles,”International Journal of Micro Air Vehicles, Vol. 7 (2), pp. 181-202, 201
[21] L-J Yang, K-C Hung, and C-K Feng,"On the scaling laws of flapping UAVs", Asian-Pacific Conference on Aerospace Technology and Science, Taipei, May 23-26, 2013.  
[22] 「電工學習網」website, from:http://www.diangon.com/wenku/sfbj/201507/00026237.html
[23] 「馬達原理」website, from:https://market.cloud.edu.tw/content/senior/life_tech/tc_t2/enerage/p_motor.htm
[24] 瑪琍歐玩具股份有限公司website, from:http://www.mariotoys.com.tw/about.aspx
[25] I. Boldea and S. A. Nasar,Linear Electromagnetic Device,New York: Taylor &Francis, 2001.
[26] R. E. Laithwaite, Induction Machines for Special Purposes,LondonNewnes, 1966
[27] S.A.Nasar and I. Boldea, Linear Electric Machines, New York:Wiely.1976
[28] 「維基百科」:https://zh.wikipedia.org/wiki/線性馬達
[29] 許瑞龍、王顯華、劉啟仲、賴金源,「線性音圈馬達之電腦輔助設計與模擬」,南榮技術學院,2009年5月。
[30] 「自動化在線Autoo.net」-H橋式電路website, from:http://www.autooo.net/utf8-classid86-id68133.html
[31] 張維益,「使用馬達驅動IC 搭配Arduino 控制馬達正反轉與轉速」,元智大學,2013年。
[32] Master magnetics website, from
http://www.magnetsource.com/Applications/APPScraft.html
[33] 馮念華,「銅鉬複合電極應用於SKD11工具鋼之放電表層特性研究」,南台科技大學奈米科技研究所碩士論文,2008年六月。
[34] 「維基百科」:https://zh.wikipedia.org/wiki/3D列印
[35] L.J Yang. et al,“Flapping wings with PVDF sensors to modify the aerodynamic forces of a micro aerial vehicle,”Sensors and Actuators A, Vol. 139. pp. 95–103, 2007. 
[36] 「電動機械L3c」website, from:https://market.cloud.edu.tw/content/junior/phy_chem/ty_lk/sir/content/cph9/cph93/cph93-1.htm
[37] 蘇希德,「15克重微飛行器之機載航電元件開發」,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2015年六月。
[38] Arduino Single-Sided Serial Board (version3) . Retrieved March 6, 2016,fromhttps://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBo
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