計畫名稱

圓夢計劃緣起

Spherical Motion: 球型馬達研究團隊是由四名對於科學、工程非常有熱情的高中生所組成。這個夢想最早始於2016年的暑假,我們看到了輪胎公司Goodyear所提出的未來概念車,是由四顆球型的輪胎組成,可以讓自駕車、無人車的技術發揮地更淋漓盡致。 >> Goodyear的球型輪胎影片: https://www.youtube.com/watch?v=oSFYwDDVgac 我們在看到這個影片時,立即被他所描繪的構想所吸引了! 因而讓本來就喜歡動手做、喜歡數學物理的我們燃起了把他實踐出來的想法。於是我們三五好友一起,從最早開始這個題目的伯勳與尚融,到邀請永承與濟源的加入,為這個”球型馬達”的想法,付諸了近兩年的努力,其中伯勳更為了完成這個夢想而走上了體制外教育的路,而從休學一路到自學。 >> 團隊官網: https://wordpress68389.wordpress.com >> 團隊臉書粉專: https://www.facebook.com/sphericalmotion/ >> 團隊Youtube頻道: https://www.youtube.com/channel/UC5D2e2x3C9s-AyhzwCfh3qQ? >> 團隊Instagram帳號: https://www.instagram.com/sphericalmotion/ Spherical Motion團隊在2017年時申請到富邦文教基金會的青少年圓夢計畫- 個人組,在此後一年的時間裡,於富邦的支持下進行第二代球型馬達的開發。我們很榮幸地在2018年的台灣國際科學展覽會(Taiwan International Science and Engineering Fair, TISF)- 工程學科的決選中,獲得該科一等獎的佳績;同時,也在代表台灣參與2018英特爾國際科學展覽會(Intel International Science and Engineering Fair, ISEF)時,拿下了Engineering mechanics類科的大會二等獎,這也是今年度台灣代表隊最佳的成績,此次參賽的伯勳與尚融,也獲得保送國內大學、相關科系的資格。 >> 團隊得獎報導: https://www.bnext.com.tw/article/49228/five-to-eight-taiwan-get-good-record-again-in-intel-isef-2018 本團隊為球型馬達的這個夢想已付出了將近兩年的時間來追夢,以下依時間一一陳述Spherical Motion從最初到今日的幾個里程碑。 2017年二月,入選2017南方創客基地- 進駐團隊並獲得輔導與資源鏈結 >> https://www.youtube.com/watch?v=6yL-XAnebl4 2017年四月,入選2017國立台灣科學教育館- 青少年人才培育計畫 >> https://twsf.ntsec.gov.tw/Article.aspx?a=352&lang=1 2017年六月,開始在國立成功大學電機工程學系- 謝旻甫教授的指導下進行球型馬達研究 2017年八月,入選2017富邦文教基金會- 青少年圓夢計畫 >> http://dreamer.youngvoice.tw/content/DreamWork.aspx?id=1184 2017年十月,參與2017國家實驗研究院- 儀器科技競賽獲中學組第一名 >> http://i-one.org.tw/2017/2017-1.html 2018年二月,參與2018年台灣國際科學展覽會獲工程學科一等獎暨代表台灣參與2018年英特爾國際科學展覽會資格 >> https://twsf.ntsec.gov.tw/News-Content.aspx?nid=185&lang=1 2018年三月,在勞動部勞動力發展署- 雲嘉南分署職業訓練局機械館、電子館多位技職教師的指導下,進行第二代球型馬達的實作 >> https://yct168.wda.gov.tw/home.jsp?pageno=201301090016&acttype=view&dataserno=201806120001 2018年四月,在國立台灣大學電機工程學系- 林晃巖教授與中央研究院- 林榮耀院士的指導下,我們每週北上台北接受為期三個月的培訓,為即將到來的英特爾國際科展努力 >> https://twsf.ntsec.gov.tw/News-Content.aspx?nid=194&lang=1 2018年五月,參與2018英特爾國際科展- Engineering Mechanics科目獲大會獎二等獎 >> http://news.ltn.com.tw/news/Taipei/breakingnews/2430758 本團隊在球型馬達領域長期以來的耕耘,也獲得了多間新聞媒體的採訪報導,以下附上相關的新聞連結。 感謝數位時代(Business Next)- 黃亮崢創新長的專文報導: >> https://www.bnext.com.tw/article/49230/young-soul-arena-intel-isef-international-science-and-engineering-fair 感謝vMaker台灣自造者- 王小汝編輯的專文報導: >> https://vmaker.tw/archives/25883 感謝自由時報記者的採訪報導: >> http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/2455425 感謝聯合報記者的採訪報導: >> https://udn.com/news/story/7326/3193972 感謝蘋果日報記記者的採訪報導: >> https://tw.appledaily.com/new/realtime/20180612/1372020/ 感謝非凡新聞台- 特派記者朱思翰的採訪報導: >> https://www.youtube.com/watch?v=MmK2KX50dQo 感謝中國時報記者的採訪報導: >> http://www.chinatimes.com/newspapers/20180613000697-260107

計畫評估

打造出全世界第一部走進人類生活的球型馬達。 透過改善效率、簡化機械與控制架構,本團隊將以六個月的時間,從設計、製造到驅動,打造第三代的球型馬達原型機。再以六個月的時間,與水下載具、陸面載具與空中載具的研究團隊/企業合作,打造三顆第三代的球型馬達實驗機,與三組合作團隊共同開發應用球型馬達為姿態控制元件的海陸空載具,以測試、驗證球型馬達在這些場域的實用性。同時,本團隊也會將研究成果發表於國際學術期刊,並將球型馬達技術申請為專利,與有興趣、有能力的企業洽談技術轉移,讓球型馬達真正走進人類的生活,應用於你我、每一天都能觸及的科技。

執行計畫

本次Whirl without Limit: 球型馬達研究計畫將歷時一年,由Spherical Motion: 球型馬達研究團隊的四名成員執行。以下根據本計畫執行的時程規劃、協助資源、應用場域、海陸空載具合作案合作對象、資金來源、風險評估與解決對策這六個部分進行陳述。 (一)時程規劃:詳細安排可見”圓夢實踐時間表” 1. 第三代球型馬達原型機設計,2018.09~2018.10 2. 第三代球型馬達原型機實作,2018.11~2018.12 3. 第三代球型馬達原型機驅動,2019.01~2019.02 4. 海陸空載具合作案: 實作第三代球型馬達原型機,2019.03~2019.04 5. 海陸空載具合作案: 與海陸空團隊合作開發載具,2019.05~2019.06 6. 海陸空載具合作案: 將研究成果發表至學術期刊,2019.07~2019.08 (二)協助資源:下列機構是團隊目前的工作地點,也是協助我們的主要單位 1. 國立成功大學電機工程學系- 電機與驅動系統實驗室 2. 台南新營- 南方創客基地 3. 台南官田- 勞動部勞動力發展署雲嘉南分署職業訓練局 (三)應用場域: 我們將球型馬達定位成一個”姿態控制器”。所謂姿態,即機器人、載具在空間中的六個自由度:包含沿著X軸、Y軸與Z軸的位移、與繞著X軸旋轉繞著Y軸旋轉與繞著Z軸旋轉的轉動。所以,”姿態控制”對於運作在外太空、空中、陸面與水下的Field Robots或是Vehicles都是極其重要的。 傳統的姿態控制系統需要由三顆馬達、分別擺放在X軸、Y軸與Z軸上,各自轉動一組圓形鐵盤,以作用力與反作用力的原理來調整載具在三維空間中的角度,即當鐵盤往順時針轉時,載具會受到往逆時針轉動的轉矩,如此就能調整載具在空間中的”姿態”了,此種技術又稱”Control Moment Gyro”。 而本團隊所提出的球型馬達構想,即是想要把三顆鐵盤合而為一,用一顆轉動中的鐵球來操作載具的”姿態”。如此即能用最少的空間、重量來做出一顆”姿態控制器”。 (四)海陸空載具合作案合作對象: 1. 水下載具: Spherical Motion已在今年六月和國立台灣大學- 水下載具實驗室的郭振華教授洽談過,未來雙方將一起開發應用球型馬達為姿態控制元件的水下載具,並產出一篇學術論文,發表於國際期刊上。今年九月Spherical Motion也會帶著已經有限元素分析驗證過的第三代球型馬達設計圖,與郭教授確定合作細節。 2. 陸面載具: Spherical Motion目前正在與各大學實驗室洽談,對象是有在研發球型機器人(Spherical Robot)的學術團隊或是企業。此種機器人即類似星際大戰中的BB-8機器人,適合作為探勘、或服務型機器人的移動載體。 3. 空中載具: 團隊已在今年六月和桃園的航見科技洽談過,未來將一起研發應用球型馬達為姿態控制元件的單旋翼機。目前的多旋翼機有著續航力不足的問題,而單旋翼的設計則能顯著提升螺槳效率,但目前的單旋翼機(直升機)除非搭配複雜、成本高的十字環機構,否則難以達到姿態控制。因此我們將與航見科技一同開發的單旋翼設計,將能應用在高載重、長時間運作的場域,諸如農業用無人機、物流用無人機等等。 4. 太空載具: Spherical Motion的指導教授謝旻甫老師目前正與國家太空中心合作太空衛星的姿態控制器合作案,團隊目前也與太空中心的張和本博士聯繫上,近期將前往太空中心與該中心的科學家洽談球型馬達這項新型的技術是否在國家的計畫中能有應用的可能性。 (五)資金來源:今年度的總計畫經費預計為75萬元台幣,詳細可見”經費預算表”。除了我們所能申請到的經費以外,不足的部分將與合作團隊分攤。 1. 富邦文教基金會- 青少年圓夢計劃的30萬台幣(尚未拿到) 2. 參與2018英特爾國際科展獎金的14.5萬台幣(已拿到) 3. 參與2018國家實驗研究院- 儀器科技競賽的8萬元獎金(尚未拿到) 4. 與合作團隊洽談經費分攤 (六)風險評估與解決對策: 1. 第三代球型馬達原型機無法達到預期性能 >> 如同我們所開發的第二代球型馬達,也面臨過同樣的問題。最初的設計是在每分鐘3600轉的時候,可以達到58%的效率,但實際上由於萬向滾珠的限制,只能轉到每分鐘1000轉,而讓我們的效率不如預期。第三代馬達如面臨同樣的狀況,在學術上我們仍可以量測到實驗數據,但應用上則會面臨控制效果比預期中差的狀況,因此我們必須對實際要被裝在載具上的第三代球型馬達實驗機中做出調整,試著改善這些問題。 2. 預定的資金不足以完成第三代球型馬達原型機 >> 在進行第二代球型馬達的開發時,我們實際的花費比預期中的還少了一點,主要原因在於第二代馬達的機械加工,都是我們自行操作、自行加工的。但第三代馬達為了追求高轉速、高精度,我們必須請業界的廠商代為加工。這部分的花費就變得較難以估計,因此如有超出預算的花費,我們將在適量的額度內,商請指導教授以實驗室的經費代為支出。 3. 預定的時間內無法完成第三代球型馬達原型機 >> 在我們第二代球型馬達的開發中,事實上也是出國比賽前一週才成功讓球型馬達運作,熬夜花三天時間才把實驗做完的。而第三代球型馬達也很可能面臨同樣的問題,因此雖然計畫的開始日期是從2018年九月開始,但Spherical Motion團隊自完賽回國後,從2018年六月就已經開始第一階段的工作了。我們將會盡量超前計畫執行的進度,以避免臨時可能發生的問題,包括設計錯誤、燒壞電路或零件壞損等問題。 4. 經海陸空載具合作案之後,發現到球型馬達實際上並不具有可行性 >> 這是我們最擔心的問題,而這也是這一年的計畫想要驗證的事:球型馬達在業界究竟是有用的發明?還是不是?但這個問題沒有實際做過是不會知道的。如果結果告訴我們他是有用的,我們必然積極地與企業界合作,合力將他推上市場;如果結果是否定的,我們還是會將這些研究成果發表於學術界,等待某天也許有適當的應用場域出現時,球型馬達還是能大展拳腳。

預期效益

在我們代表台灣參與2018英特爾國際科展前,每週六皆被要求北上台北接受科教館教授團的培訓。還記得負責培訓我們的林榮耀院士,每週六都問了我們同一個問題:What is your major contribution? 現在我們想要回答這一個問題。 過去,球型馬達在學術界是一個熱門的研究主題,全世界有無數位學者在追逐、研究著這項嶄新的科技。但我們的生活中始終不見球型馬達的蹤影。為什麼?因為這些現存在實驗室裡的球型馬達,總是從學理的角度切入,因而缺乏了實際應用的可行性。球型馬達科技距離走入生活還有著效率、機械結構複雜與控制方法複雜等問題。 現在,有幸受到富邦文教基金會在過去一年的支援,Spherical Motion團隊已經在球型馬達領域累積了相當豐富的經驗。我們從結構分析、馬達設計、電力電子到驅動控制技術,都有最具熱忱、衝勁的成員負責。所設計出的第二代球型馬達,也正是基於簡化機械結構、控制方法為出發點進行的。然而Spherical Motion的第二代球型馬達仍有”效率”的問題尚未克服,我們認為將業界當前高效率馬達所採用的”永磁無刷”技術引入,將能解決這個問題。 未來,Spherical Motion團隊將發展一顆球型內藏式永磁無刷馬達(Spherical Interior Permanent Magnet Motor),他將解決了過去學術界所面臨的低效率、結構複雜等問題,甚至有更寬廣的轉矩、轉速操作區間。接著,我們還要與應用端的學界/業界團隊合作,開發海陸空、三部應用球型馬達為姿態控制元件的載具。這項海陸空載具的合作案,將有助於我們驗證球型馬達在這些場域上是十分有用的新發明,而我們也能據此去說服企業界來採用這項技術。 今年五月自美國匹茲堡獲獎回國後,我們曾反問自己:未來的路要繼續研究球型馬達嗎?還是要轉換跑道?球型馬達在產業界真的是一個有用的東西嗎?還是只是一個拿來發表論文的玩具?我們的答案是還要繼續研究下去。因為這些年的經驗告訴我們,工程的東西,除非他真的被裝載在你我每天開的車、你我每天用的洗衣機、或你我每天”真的”用上的東西,在那之前,再漂亮的數學模型、發表再多篇的paper,都是空談。 而等到球型馬達真正進入你我生活之前,我們還需要把這項技術研究的更純熟、更具有實用的價值。所以,我們決定藉著自己的雙手,要用再一年的時間讓球型馬達從實驗室,走到每個人的家裡。 這就是我們所相信的contribution,也許與其他人的不同,但這就是我們所相信的contribution。

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