四足獸筆記：西奧詹森連桿機構介紹

四足獸筆記：西奧詹森連桿機構介紹

| 23 8 月, 2024 at 10:59

作者：林允涵

你有看過仿生獸嗎？它是由荷蘭藝術家西澳詹森（Theo Jansen）製作的大型機械裝置，這些機械裝置受到風吹後能夠自行移動，統稱為「仿生獸(Strandbeest）」，分別於2012奇幻仿生獸特展以及2022年在屏東的落山風藝術季皆來台灣展出過。

Theo Jansen 的仿生獸裝置中，最基本的結構就是一組以他的名字命名的「詹森連桿（Jansen’s linkage）」，我們以下方左圖來介紹結構，這個連桿組包含了兩組四連桿(淺黃色)、兩個三角形(紅、淺藍)、以及一根成順時鐘運動的線段（深藍色）。當圖中右邊的深藍色線段以順時針方向旋轉時，底部的腿（淺藍色三角形）會做出行走動作。這樣的連桿兩兩一組形成雙足，最少需要四足，可以做成四足獸、六足獸…，我們在網路上可以搜尋到許多創作者運用各種材料做成小型四足仿生獸。

而連結各組雙足連桿的部分就需要是能夠間歇運動的機構，讓每一隻腳可以輪流運動(向前踏一步)，整組仿生獸才可以順利行走，這樣的間歇性運動可以使用幾種不同機構做到，以下一一介紹：

1.組合型齒輪

網路上的Jansen’s linkage 四足獸作品最常看到這個三顆一組的齒輪組，經過搜尋我發現這是由一位曾任教授與研究人員的Michael Hurtado在他2014的專案網站中記錄了設計過程，他將模數*相同的但齒數分別是20、10、12、18齒的四顆齒輪兩兩融和，變成造型特殊的組合性齒輪，這樣的齒輪我在機械相關書籍或網路上皆沒有找到正式名稱。中間的齒輪接上馬達輸出動力，帶動左右兩顆進行忽快忽慢的間歇性旋轉。
*模數：齒的大小以模數 m(Module) 來表示

2.日內瓦機構

這個機構我們在以前的文章中有介紹過，也製作過小型的雷切樣品，它是一種典型的間歇運動的機構，由驅動輪和帶槽的從動輪組成。有一位日本東京工業大學學生使用它來製作出一隻Jansen’s linkage四足獸。動畫可點這裡觀看，從它的動態中我們看到它一步都走很慢，可能齒輪轉速與日納瓦機構的轉動頻率還需要很多調整，才能達到較順暢的步行動態。

3.曲軸與凸輪

曲軸的概念我們可以參考毛毛蟲動畫，多組錯開的凸輪與曲軸在機構上是一樣用途，我們可以將每一小組動態錯開，製造出毛毛蟲一節一節的動態，在Theo Jansen 原始的 Strandbeest 就是以曲軸為間歇運動機構，下圖中我以紅線標示出曲軸，整件作品是以一個風扇接收風力來驅動曲軸旋轉促使仿生獸的腳前進。網路上也有大量創作者復刻這個曲軸結構設計的作品（作品連結）。

自己做心得：

如果使用雷射切割或木板手工切割來製作的話，曲軸比較難做，日內瓦機構還有很多調整空間，故組合型齒輪是相較之下可行性最高的。我們也製作了一個雷切版本，未來可能會發布影片與檔案。

如果使用3D列印製作的話，組合型齒輪與曲軸都是網路上很常見的設計，在檔案分享網站可以搜尋到大量的作品，其中我目前看過最酷的是這款，它使用了12組6對的 Jansen’s linkage，單側三組的頻率間隔開，並左右馬達兩側分開控制，使得它可以遙控前行與靈活的轉彎，它的動態之流暢讓人看得很舒壓，是非常厲害的作品呢！