# 智慧感應座椅 實體製作規劃架構書

2026-11-15

## 一、專案概述

本作品是一張以積木相容教育套件（主控盒標示 Robot X、型號 AP909、DC 4.5V／3 顆 AA 電池）搭建的「智慧休息椅」模型，結合三個功能：計時器（坐 30 分鐘後椅背往後傾倒、休息 10 分鐘後立起）、紅外線偵測頭與椅背的距離（太遠會嗶嗶叫）、椅背躺下與立起。現階段還不會自動偵測有人，是用 App 點一下讓椅背傾倒、再點一下恢復。

完整的功能流程、機構改良與產品化規劃，請見「產品化設計」分頁。

**照片觀察重點**

- 底座：紅色長樑（約 15 孔）上下兩層圍成方框，四角以淺藍色直立樑當椅腳，側面有綠色斜撐。
- 椅座：綠色長樑上鋪橘、白平板，約 10×10 顆凸點。
- 椅背：兩側淺藍色長樑（約 15 孔）為主柱，中間以白色樑夾住橘色、卡其色平板，正面裝有雙眼型感測器（上方一顆、椅座上方一顆）。
- 扶手：橘色彎折樑，固定在椅座兩側；椅背由後方橫軸帶動後傾。
- 傳動：椅子兩側各有一組灰色大齒輪（40 齒）與小齒輪（8 齒）組成的減速齒輪組，右側掛一個馬達模組。
- 椅背後方：白色長連桿與黑色橫軸組成曲柄連桿；下方為灰色大主控盒（電池＋控制器），以電線連接感測器與馬達。

**設計目標**

1. 結構穩固：模型可承受按壓、移動不鬆脫。
2. 動作可靠：椅背能在設定角度內平順後傾與立起，不卡齒、不跳齒。
3. 智慧感應：偵測到人靠近或坐下時自動動作，離開後自動復位。

## 二、系統架構

整張椅子拆成五個子系統：結構、動力傳動、感測、控制、電源，訊號由左向右流動，結構在底層承載全部。

[embedded content: 系統架構 · 5 大子系統\]

製作時可依此圖分成三塊進行：結構（底層帶狀區）、機構（馬達到椅背）、電控（感測器與主控盒）。

## 三、材料與零件清單（BOM）

數量依照片估算，備料時建議多準備 10–20% 的樑、銷、軸。

| 子系統 | 零件 | 規格 | 估計數量 | 用途 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 結構 | 有孔長樑（紅） | 15 孔 | 4 | 底座上下方框 |
| 結構 | 有孔長樑（淺藍） | 11–15 孔 | 8–10 | 椅腳、椅背主柱 |
| 結構 | 有孔長樑（綠、白） | 7–12 孔 | 6–8 | 椅座框、斜撐、椅背內框 |
| 結構 | 平板 | 4×8、6×8 等 | 10–14 | 椅座、椅背面板 |
| 結構 | 磚塊、薄片 | 1×2、2×4 | 依需 | 墊高、補強、裝飾 |
| 連接 | 摩擦銷／無摩擦銷 | 藍、灰 | 40–60 | 樑與樑固定；樞軸處用無摩擦銷 |
| 扶手 | 彎折樑（橘） | L 型或彎臂 | 4 | 左右扶手 |
| 傳動 | 大齒輪 | 40 齒 | 4–6 | 減速、轉向 |
| 傳動 | 小齒輪 | 8 齒 | 2–4 | 馬達端主動輪 |
| 傳動 | 十字軸 | 長度 3–8 | 4–6 | 齒輪軸、椅背樞軸 |
| 傳動 | 軸套／半軸套 | — | 8–12 | 防止齒輪與軸滑動 |
| 動力 | 馬達模組 | 套件配套 | 1–2 | 帶動椅背 |
| 感測 | 紅外線／超音波感測器 | 雙眼型 | 2 | 偵測人靠近、坐下 |
| 控制 | 主控盒 | Robot X AP909，4.5V | 1 | 程式執行、供電 |
| 電源 | AA 電池 | 1.5V | 3（另備 3） | 主控盒供電 |
| 電源 | 連接線 | 套件配套 | 3–4 | 主控盒接馬達、感測器 |

**工具**：拆件器、平板或手機（程式寫入）、捲尺、量角器、紀錄表。

## 四、結構設計

結構分四層由下往上堆疊：底座框架 → 椅座 → 椅背 → 扶手，每層完成後先確認方正、不晃動再往上。整體估計尺寸約寬 13 cm × 深 13 cm × 高 30 cm（以 1 孔 = 8 mm 換算）。

**4.1 底座框架**

- 以 2 支 15 孔紅樑做前後邊，底下鋪平板連成「口」字框，當作底盤。
- 四角立淺藍樑當椅腳，約在一半高度加一層紅樑橫梁，形成「日」字形側面。
- 左右側加綠色樑斜撐成三角形，三角形不易變形，是整張椅子不晃的關鍵。
- 底座內部留空間給下方齒輪與主控盒，主控盒重，放低可降低重心。

**4.2 椅座**

- 在椅腳頂端以綠樑圍成框，上方鋪橘、白平板（約 10×10 凸點）。
- 平板接縫要跨過下方樑，像砌磚一樣錯開，按壓時才不會彈起。
- 椅座前緣下方可加白色磚塊補強，也可在此安裝「坐下」偵測用感測器。

**4.3 椅背**

- 兩側各以 2 支淺藍長樑並排做主柱，下端穿銷固定在椅座後緣與底座立柱上。
- 主柱內側以白樑夾住中央平板，正面再貼淺藍、白、橘平板拼出圖案。
- 椅背上方中央留空缺放感測器，感測器的「眼睛」需露出、朝前。
- 椅背後方是走線與連桿空間，電線用小磚塊壓住，避免被齒輪捲入。

**4.4 椅背樞軸與扶手**

- 椅背下緣以十字軸接在後方橫軸上，橫軸轉動時椅背跟著後傾；橘色彎折樑扶手固定在椅座兩側，不跟著轉。
- 椅背左右兩側共用同一支橫軸（照片椅背後的黑色長軸），確保兩側同步轉動。
- 樞軸處用無摩擦銷或圓孔，驅動端才用十字孔，轉動才會順。
- 在椅背「立起」與「後傾」位置各加一個機械擋塊，避免馬達轉過頭。

## 五、動力與齒輪傳動設計

馬達轉得快、力氣小，椅背需要的是慢而有力，所以用「小齒輪帶大齒輪」減速。照片中可見 8 齒小齒輪與 40 齒大齒輪，一級減速比即為 5 : 1。

```latex
\text{減速比} = \frac{\text{從動輪齒數}}{\text{主動輪齒數}} = \frac{40}{8} = 5
```

| 配置 | 組成 | 總減速比 | 特性 |
| --- | --- | --- | --- |
| 一級減速 | 8T → 40T | 5 : 1 | 簡單，適合輕的椅背 |
| 一級＋惰輪 | 8T → 40T → 40T | 5 : 1 | 惰輪只改方向與距離，不改速度 |
| 二級減速 | 8T → 40T，同軸 8T → 40T | 25 : 1 | 力氣最大、動作最慢、最穩 |

**設計要點**

1. 兩齒輪中心距要剛好：40T 與 8T 相隔 3 孔，40T 與 40T 相隔 5 孔（以常見規格為例，實際以套件為準）。
2. 齒輪軸要至少兩點支撐（兩片樑夾住），否則受力會歪斜跳齒。
3. 齒輪與樑之間留約 0.5 mm 間隙或加軸套，避免摩擦卡住。
4. 左右兩側都有齒輪組：可一側驅動、另一側當平衡，或兩側各一個馬達（程式需同步）。
5. 先用手轉動齒輪確認全程順暢，再接馬達。

## 六、感測與控制

程式採「待命 → 偵測 → 動作 → 復位」的循環。下圖是「偵測到人就後傾」的基本版；加入 30／10 分鐘計時與頭距提醒的完整狀態圖在「產品化設計」分頁第五章。

| 感測器位置 | 朝向 | 偵測內容 | 建議閾值（需實測調整） |
| --- | --- | --- | --- |
| 椅背上方 | 朝前 | 人靠近或背部靠上椅背 | 距離 < 10 cm |
| 椅背下方（椅座上緣） | 朝前 | 椅座上有物體（人偶／手） | 距離 < 5 cm |

&#91;embedded content: 控制流程 · 2 個判斷、兩個迴圈\]

兩個判斷都建議「連續成立 1 秒」才動作，避免手揮過就誤觸發。

**程式實作要點**

1. 椅背到位的判斷：無編碼器時以「馬達運轉時間」控制（先實測從立起到後傾要幾秒），再搭配機械擋塊保護。
2. 用一個變數記錄椅背狀態（立起／後傾），已後傾就不再重複後傾。
3. 馬達速度先設中低速（約 30–50%），動作平順再微調。
4. 可加入蜂鳴器或 LED 提示「椅背即將動作」，增加安全感。

## 七、組裝步驟

依「由下而上、先機構後電控」的順序，每步完成後先檢查再進下一步。

1. **底盤**：紅樑與平板拼成方形底框。
   - 檢查：放在桌上四角貼平、不翹。
2. **椅腳與側框**：四角立淺藍樑，加中段紅樑橫梁與綠色斜撐。
   - 檢查：用手左右推不會變成平行四邊形。
3. **主控盒定位**：將主控盒固定在椅子後下方，電池蓋朝外。
   - 檢查：不拆其他零件就能換電池、按開關。
4. **椅座**：綠樑圍框、鋪平板，接縫錯開。
   - 檢查：按壓椅座中央不凹陷、不彈起。
5. **椅背**：立起兩側主柱，裝白樑與中央面板，預留感測器位置。
   - 檢查：椅背與椅座垂直，往後推不晃。
6. **椅背與橫軸**：椅背下緣固定在橫軸上，橫軸兩端穿過支架並加軸套；橘色扶手固定在椅座兩側。
   - 檢查：用手推動椅背，左右同步、輕順。
7. **齒輪組**：依第五章配置裝 8T 與 40T，最後一顆 40T 接到椅背橫軸。
   - 檢查：轉小齒輪，椅背全程移動不卡、不跳齒。
8. **馬達**：馬達輸出軸接 8T 小齒輪，馬達本體至少兩點固定在框架上。
   - 檢查：馬達運轉時本體不會反向扭動。
9. **感測器與配線**：裝兩顆感測器，接線到主控盒，記下每條線的埠號。
   - 檢查：線不經過齒輪，椅背轉到底線不緊繃。
10. **寫程式與調整**：依第六章流程寫程式，調整閾值與運轉時間。
    - 檢查：通過第八章全部測試項目。

## 八、測試驗收、常見問題與改良方向

全部項目通過即算完成，每項建議測 10 次並記錄成功次數。

**驗收清單**

- [ ] 結構：由 10 cm 高處輕放至桌面，無零件脫落
- [ ] 結構：椅座放 200 g 重物，椅子不傾斜
- [ ] 傳動：椅背後傾、立起 10 次，無卡齒、跳齒
- [ ] 感測：手靠近感測器 10 次，至少 9 次正確觸發
- [ ] 感測：手快速揮過不會誤觸發
- [ ] 控制：休息時間結束後椅背自動立起
- [ ] 電源：連續運作 10 分鐘仍正常

**常見問題**

| 現象 | 可能原因 | 處理方式 |
| --- | --- | --- |
| 齒輪跳齒、喀喀響 | 中心距不對或軸只單點支撐 | 重新對孔位，加一片樑夾住軸 |
| 馬達有聲音但椅背不動 | 負載太重或軸打滑 | 改二級減速；驅動處改十字孔 |
| 椅背左右不同步 | 兩側未共用同一支軸 | 改成一支長軸貫穿椅背 |
| 感測器一直觸發 | 閾值太大或照到自己的零件 | 縮小閾值，清掉感測器前方遮擋 |
| 動作時整張椅子晃 | 重心太高、斜撐不足 | 主控盒下移，底座加寬、加斜撐 |
| 運轉一陣子就當機 | 電池電量不足 | 換新電池，測電壓是否高於 4 V |

**改良方向**

- 加入碰觸感測器當椅背「到位開關」，取代計時控制。
- 加蜂鳴器與 LED 做動作前提示。
- 延伸應用：長者起身輔助椅、遊樂設施安全壓桶、座位有人偵測。