淡江大學機械與機電工程學系學士班

專題報告

指導教授：楊智旭 博士

滅火機器人-噴嘴機構設計

專題生：廖彥翔

中華民國 99 年 12 月

摘要

機器人的時代即將來臨，這意味著機器人將逐漸走入人類的生活

之中，並在各種可能的面向上協助人類，提升人類的生活品質。機器

人的相關產品業已逐漸開始在市場上出現，在居家環境中的吸塵器機

器人、娛樂或教育用的樂高機器人…等。而一些特殊用途的智慧型機

器人，像是滅火機器人、醫療上用的微型機器人…等，也隨著科技的

進步，陸續再出現。而本文主要在研究滅火機器人的滅火機構設計，

及如何安置在 segway 自走車上，才能有效的發揮其功能。

I

目錄

摘要……………………………………………………………………I

目錄……………………………………………………………………II

圖表目錄………………………………………………………………III

第一章 前言……………………………………………………………1

第二章 研究動機………………………………………………………2

第三章 研究方向與方法………………………………………………3

3-1 研究設備………………………………………………………3

3-2 固定馬達及噴管………………………………………………4

3-3 馬達的連接……………………………………………………5

3-4 控制板的架子…………………………………………………6

3-5 固定在自走機器人上…………………………………………8

3-6 噴口位置之設計………………………………………………9

研究進度 ………………………………………………………………10

參考文獻 ………………………………………………………………11

II

III

圖表目錄

圖 3-1 360°連續旋轉伺服機…………………………………………3

圖 3-2 馬達連接前視圖………………………………………………4

圖 3-3 馬達連接側視圖………………………………………………5

圖 3-4 控制板架子之設計圖…………………………………………6

圖 3-5 控制板架子之上視圖…………………………………………7

圖 3-6 控制板架子之測視圖…………………………………………7

圖 3-7 鋼架組裝圖……………………………………………………8

圖 3-8 噴管位置圖……………………………………………………9

表 3-1 360°連續旋轉伺服機規格……………………………………3

第一章 前言

滅火是一個非常具有挑戰性和危險的工作。由於它的低工資和高

風險，所以沒有足夠的消防人員，以滿足需求。消防人員必須能夠應

付高物理要求，高精神壓力，必須能夠迅速和有效地在短時間內作出

反應將大火撲滅。如果能以滅火機器人代替消防人員，並讓滅火機器

人配置在建築物中，當火災發生時，便能在第一時間開始嘗試搜索起

火的位置，並加以撲滅火源或控制其擴散。而滅火機器人要能有精準

且有效地滅火，便需要有設計良好的滅火裝置，從滅火機構的材質、

設計到配置都是相當重要的，當然除了滅火裝置的設計外，也要配合

完善的控制系統來操控滅火裝置，這樣才能達到高效率的滅火。

1

第二章 研究動機

隨著時代的進步，智慧型機器人能應用的方面越來越廣，就如同

諸多電影裡的內容一樣，往後的生活裡可能每個人家中都有個機器人

照料你的日常生活。然而不只是在生活上，像是工業上用的機器人(下

水道工作機器人，深海工作機器人)、國防用途機器人(地雷探測機器

人、無人駕駛機器人)或醫療用途機器人(外科手術輔助機器人)……

等。這次的專題我們要設計一個自動滅火機器人，將在 segway 自走

車上面展現自動滅火的功能。在這次的專題中主要在研究 segway 自

走車的噴嘴機構設計，藉由配合在學課程所學到的知識，從設計結構

圖、選購適合材料、做出並組裝機構，讓機器人能有效的使用滅火裝

置，並從中學習設計機器人機構的步驟及過程。

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第三章 研究方向與方法

3-1 研究設備

360°連續旋轉伺服機

一個伺服機包含一個小型直流馬達，一組減速齒輪組，一片 PCB

電子電路板，設計有可調式位置控制電路;其中直流馬達提供運轉所

需的動力，馬達輸出後帶動減速齒輪組，減速比愈大，則馬達輸出的

扭力就愈強，但相對的轉速也就愈慢。例如遙控車的油門或方向控

制，遙控飛機的油門，方向舵等都是利用伺服機的角度控制性能來達

成的，此外它的價格很低且有高扭力，這樣才能控制我們的噴口角

度，如果扭力不夠，就無法準確定位。

圖 3-1 360°連續旋轉伺服機

表 3-1 360°連續旋轉伺服機規格

扭力 重量電壓 尺寸 運動角度

3.4kg-cm 45g 6 40.5×20×38mm 0~360 °

側邊有一個可微調中立點(stop point)的可變電阻。

3-2 固定馬達及噴管

噴管前端的部份設計一個長方體的壓克力盒(是用六片設計好尺

寸的壓克力板組成)，並在壓克力板的前後兩端開一個 15mm 的圓孔，

讓管子能從中穿入並固定之。

之後先將一顆伺服馬達上的葉片最外圍的洞擴孔(3.5mm)，上方

的壓克力板也鑽孔及攻牙，然後再使用六角螺絲固定之。

圖 3-2 馬達連接前視圖

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3-3 馬達的連接

馬達連接的部份是利用3.5吋的L型鐵片去裁切成兩個適當的小

L 型鐵片，並在其上面鑽孔和攻牙，利用伺服馬達原先兩邊設計好的

結構，用螺絲鎖上使兩顆伺服馬達連接在一起(一個直立、一個側放，

這樣才能讓馬達有 360 度的旋轉效果)。

圖 3-3 馬達連接側視圖

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3-4 控制板架子

圖 3-4 控制板架子之設計圖

上圖是控制板架子的設計圖，為了機器人的外觀及節省空間，所

以將鋼板折向內，跟機器人兩側的槽型板不同。

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圖 3-5 控制板架子之上視圖

圖 3-6 控制板架子之側視圖

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3-5 固定在自走機器人上

首先在鋼板上鑽孔(2.8mm)並攻牙，並將另一顆伺服馬達葉片最

外圍也擴孔(3.5mm)，再以六角螺絲固定之。

再來就是將鋼板製成的架子放置在自走車上，如圖所示。

圖 3-7 鋼架組裝圖

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3-6 噴口位置之設計

配合鋼瓶放置的位置，噴管從車身後方穿過槽型板繞至車前，並

用壓克力板固定噴管前端，以便用伺服馬達控制其噴的方向。

目前以不破壞車身結構為主，所以先用膠帶固定管子在車頂圓盤的地

方，而噴管前端穿過壓克力盒跟馬達固定在一起。

圖 3-8 噴管位置圖

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研究進度

九月下旬：設計一個可以固定噴管跟可以架在馬達上的壓克力。

十月上旬：在學校實習工廠使用箝工把設計出來的壓克力板做出

來。因壓克力鑽孔大小跟管子大小有點誤差，用戳刀

把鑽孔摩大，並把壓克立板組合起來。

十月下旬：利用鑽床在壓克力上鑽孔並工牙，把馬達固定在壓克

力上。

十一月上旬：製作兩個 L型小鐵片把兩個伺服馬達固定在一起，

並開始設計放置控制板的架子。

十一月下旬：把設計好的架子做出來，並把壓克力板、馬達、架

子固定在自走車上。

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參考文獻

[1]嚴仲偉，可教導式之自走車導航機制，國立成功大學工程科學學

系碩士論文，2002 年 6 月。

[2]侯惠傑，機器人之避障路徑規劃與 FPGA 實現，淡江大學電機工

程學系碩士論文，2001 年 6 月。

[3]Brooks, Rodney A. “Cardea: Always-on Mobile Manipulation”, MIT

CSAIL, September 23, 2003.

[4]顏嘉男，泛用伺服馬達應用技術(第二版)，全華科技出版社，民

國98年11月。

[5]林家任，類神經網路於橢圓近似包覆與其應用之研究，國立中央

大學機械工程研究所，2005。

[6]蔡爾傑，兩輪移動機器人之控制與驅動設計，淡江大學機械與機

電工程學系碩士論文，2005。

[7]陳永和，輪形行動機器人之機構設計與避障規劃，淡江大學機械

與機電工程學系碩士論文，2006 年 6 月。

[8]Wei-Min Shen, Salemi, B. “Distributed and dynamic task reallocation

obot organizations.” Comput. Sci. Dept. Univ. of Southern Cali orrina del Rey, CA. page(s):1019. 07 August, 2002.

in r f nia, Ma

11

12

Net ot. ” Dep . 22

DeveJanu

geneMila

[9]Alnajjar, F. Murase, K. “Self-Organization of Spiking Neural

work Generating Autonomous Behavior in a Real Mobile Robt. of Human & Artificial Intelligence Syst., Fukui Univ. page(s):1134

May 2006.

[10]Driancourt, R. “Learning Perceptual Organization with a

lopmental Robot.” University of Tsukuba, Japan. page(s):60, 24 ary 2005.

[11]鄭永順，輪型行動機器人之自動航行與路徑規劃，國立中央大學

電機工程碩士論文，民國 93 年 6 月。

[12]黃正豪，兩輪自走車之設計與實現-以 NIOS 為核心之行動控制，

國立中央大學電機系碩士論文，民國 95 年六月。

[13]Dorigo, M. ; Schnepf, U. “Organisation of robot behaviour through

tic learning processes.”Dipartimento di Elettronica, Politecnico di no. page(s):1456. 06 August 2002.

[8]Wei-Min Shen, Salemi, B. “Distributed and dynamic task reallocation in robot organizations.” Comput. Sci. Dept. Univ. of Southern California, Marina del Rey, CA. page(s):1019. 07 August, 2002.[9]Alnajjar, F. Murase, K. “Self-Organization of Spiking Neural Network Generating Autonomous Behavior in a Real Mobile Robot. ” Dept. of Human & Artificial Intelligence Syst., Fukui Univ. page(s):1134. 22 May 2006.[10]Driancourt, R. “Learning Perceptual Organization with a Developmental Robot.” University of Tsukuba, Japan. page(s):60, 24 January 2005.[13]Dorigo, M. ; Schnepf, U. “Organisation of robot behaviour through genetic learning processes.”Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Milano. page(s):1456. 06 August 2002.