機構面面觀
結構是「結合構造」的學科，是一種靜態的力平衡架構；機構則是「機組構造」的學科，可依需求指定運動的構造。
機構藉由機件與接頭的組合，持續將力改變方向、速度、大小後，傳送到指定位置的構件組合而成。當機構經妥善設計或搭配組合後，即成為能執行特定運動任務的機器。若機器導入動力系統與可控裝置，成為具有轉換能量形式的可作工機器，如電動自行車、汽車等，即可稱為機械。本章將藉由觀察自行車與電動車的各種構成元件，幫助我們更清楚理解結構、機構、機器與機械的功能或特性。
知識不斷電
同時具備以下三個特徵的機械裝置稱為機器（Machine）：
(1) 由多個能承受和抵抗外力作用的物體（機件），經適當配置而成的組合體；
(2) 各物體之間具有確定的相對運動關係；
(3) 能實現能量的轉換並輸出有用的功。
機械（Machinery）是各種機器的總稱，是概括各種機器的廣義抽象概念。而機器通常是指具有特定用途的具體對象。例如起重機、挖土機、壓路機等，都是具有特定用途，完成特定任務的具體機器。把這些任務不同但用於同一目的的各種機器，概括起來就稱為機械，如腳踏車、汽車、船舶等，稱為交通機械；引擎、汽輪機、水輪機等，稱為動力機械；抽紗機、織布機、梳棉機等，稱為紡織機械。
機構（Mechanism）是由多個能承受和抵抗外力作用的物體，經由適當配置而成的組合體，而且各物體之間具有確定的相對運動關係。從機器和機構的定義可知，機構與機器的區別在於，機構沒有能量輸出，也不輸出有用功。機器是用來傳遞或變換能量的組合體，而機構只是用來傳遞或變換運動的組合體。
機構元件應用
一臺傳統機車的機構元件包含「傳動系統」、「懸吊系統」、「車身系統」、「剎車系統」、「動力系統」、「電氣系統」等維持機車的正常運轉。近年電動機車興起，新型態的「充電系統」融合傳統的「動力系統」與「電氣系統」，以電力為主讓機車運轉，依照動力來源分為三種，第一種，直接從外部電站供電；第二種，從一個外部電源所存儲的電力供電；第三種，則是採用車載的發電機，如內燃機（混合動力電動汽車）或氫燃料電池。
動力系統
電動機車與傳統機車的動力系統比較在於性能、起步加速、爬坡能力、極速、冷卻系統、續航力等部分。和一般市面上的其他電動車相較，Gogoro的馬達產生的動力較高，但體積卻相較小上許多，顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法，其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。
懸吊系統
Gogoro採用鋁合金單臂、軸心式倒叉前懸吊加長設計，及多連桿後懸吊加粗彈簧設計。
● 電池 Battery（全電動輔助電池）：在電動汽車中，輔助電池為車輛附件供電。
● 充電端口 Charge Port：充電端口允許車輛連接到外部電源，以便為牽引電池組充電。
● DC/DC轉換器 DC/DC Converter：將牽引電池組的高壓DC電源轉換為運行車輛配件，並為輔助電池充電所需的低壓DC電源。
● 電動馬達 Electric Traction Motor：利用牽引電池組的動力使馬達驅動車輪，一些車輛同時使用執行驅動和再生功能的電動發電機。
● 車載充電器 Onboard Charger：獲取通過充電端口提供的交流電轉換為直流電，為牽引電池充電，並於電池組充電時監視電池的特性，例如電壓、電流、溫度和充電狀態。
● 電機控制器 Power Electronics Controller：管理牽引電池輸送的電能流，控制牽引電動機的速度及其產生的扭矩。
● 熱系統（冷卻） Thermal System（Cooling）：可維持發動機、電動機、電力電子設備和其他組件的適當工作溫度範圍。
● 牽引電池組 Traction Battery Pack：儲存電力以供牽引電動機使用。
● 變速箱（電動） Transmission（Electric）：從牽引電動機傳輸機械動力來驅動車輪。
機構設計與運動分析
凸輪
具有曲線周緣或溝槽之主動輪以等速運動及直接接觸之傳動方式，將動力傳給從動件，使從動件產生預期的連續或不連續運動，稱為凸輪（CAM）。
凸輪實物照
應用實例（汽缸引擎）
凸輪的從動件運動方向與凸輪軸的運動方向垂直，稱為平面凸輪，有以下三種類型：
平板凸輪
凸輪輪廓為一特別的曲線，從動件的位移距離為凸輪軸與輪廓的距離，進行上下運動。也可設計適當缺口，讓從動件進行跳動。
偏心凸輪
凸輪輪廓為一與轉軸中心成偏心的正圓，當凸輪軸等速迴轉時，從動件做上下簡諧運動，從動件的總升距是凸輪偏心量的2倍。
平移凸輪
凸輪的動作為左右往復直線運動，從動件依凸輪的輪廓曲線上下往復直線運動。
另一種立體凸輪，一樣可使從動件往復運動，只是從動件運動方向與凸輪軸方向平行。
圓柱形凸輪
在圓柱表面刻有凹槽，當凸輪等速轉動時，從動件沿凸輪線方向做往復運動。
單周圓柱形凸輪
端面凸輪
將圓柱體之上方端面製成特殊曲面， 當凸輪等續運動時，從動件做上下往復運動。
凸輪與從動件的配置方式，常見有以下三種：
徑向配置（Radial）
從動件的中心線與凸輪軸中心成一直線， 是最常見的配置方式。
偏置配置（Offset）
從動件的中心線不通過凸輪軸中心，其目的是為了減少凸輪旋轉時對從動件的側向壓力並減少震動，以達到平衡傳動作用。一般來說，凸輪逆時針旋轉，從動件右偏；凸輪順時針旋轉，從動件左偏。
擺動配置（Swinging）
從動件一端為固定軸，另一端與凸輪軸輪廓相接，做往復角度擺動，擺動角度由凸輪輪廓決定。
齒輪
齒輪（Gear）是藉由輪齒間的相互接觸而推動，優點是因為接觸傳遞能量，故可傳遞較大的動力，缺點是只允許近距離的能量傳遞。
齒輪的主要功能包含：傳遞動力、改變運動方向、改變運動速度。其應用範圍小至機械鐘錶，大至輪船動力皆可傳遞，且相當速度控制精準，使用年限較久。
齒輪依傳動時兩軸的相對位置分類如下：
輪軸相互平行——外接齒輪
最廣泛使用的齒輪，兩外齒輪之輪齒外緣相互接合，傳動時兩輪軸的轉動方向相反，透過兩齒輪的輪齒數轉換，可以精確轉換轉速。
輪軸相互平行——內接齒輪
在大圓環內週緣至成輪齒，並與一小齒輪相互接合，傳動時兩輪軸的轉動方向相同。
輪軸相互垂直——錐形齒輪
齒輪體為圓錐狀，傳動之兩軸中心線夾角可以為任一角度，一般最常用為90度，用於改變轉動方向。
輪軸相互垂直——戟齒輪
齒輪的蝸線為螺旋狀，接合時以漸進方式接觸而運轉，因此較安靜、平穩，常用於汽車差速器。
其他直條——齒條
輪齒排列在一直線上，小齒輪與之相互接合，透過小齒輪的轉動可以讓齒條進行往復運動。
其他直條——蝸桿與蝸輪
一支圓桿上的螺旋齒輪與一個為螺旋紋的齒輪相互接合，可以順利地轉換轉動方向，且傳遞時能量損耗較低。
特殊齒輪裝置如下：
日內瓦機構
由一個具有插銷的圓轉盤作為主動件，帶動具有等角徑向溝槽的從動件做漸歇性之旋轉運動。常用於工具機內的分度機構，多為四槽日內瓦機構或六槽日內瓦機構。
四槽日內瓦機構
不完全齒輪及齒條轉動機構
由部分有齒之不完全齒輪為主動件，以及具有上下排齒條之從動件組成。當主動件轉動，從動件會進行有限度的左右往復運動。
齒條作左右往復運動
連桿
在機構中，用來與其他機件連結並產生一個約束性的運動，用以傳達動力的剛性機件，稱為連桿（Link）。兩個連桿間會用固定銷或軸銷連接在一起，其運動方式為直線滑動或圓弧擺盪。由多個連桿所組成的一個運動連鎖系統，稱之為連桿組（Linkage）或連桿裝置。下圖C點為以滑塊取代搖桿的四連桿機構，也稱曲柄滑塊機構。
● 曲柄（Crank）：繞固定軸做360度旋轉運動之連桿。
● 搖桿（Rocker）：僅能繞固定軸作一定角度的搖擺運動之連桿。
● 滑塊（Slide Block）：在滑槽中作滑動的物件。
● 連結桿（Connecting Rod）：或稱浮桿（Floating Link），連接曲柄及搖桿間的連桿，用以傳達相互運動。
藉由軟體繪製出動點軌跡，B點為圓周運動，C點為弧線來回擺動運動，A、D為固定點。
四連桿機構的曲柄搖桿機構
透過多連桿的設計，可以模擬出馬匹在前進時前腳抬腿、下放等前進的樣態，進而模擬出前進的動作。
軟體模擬與馬匹動作對比
撓性傳動
當主動軸與從動軸之間的距離較長，不適合使用齒輪或連桿等直接傳動，則可使用質地柔軟易彎曲之連接物藉其張力以傳達動力，稱為撓性傳動（Flexible Transmission），撓性傳動中間連接物有三種，即皮帶（Belt）、繩（Rope）及鏈（Chains）。
繩輪與帶輪，可以獲得較平穩、安靜的動力傳輸，且能避免超載及突振所產生的機件損壞，但因為帶或繩與輪之間難免產生滑動現象，因此轉速比無法保持一定，而且帶與繩在長時間運轉下容易消耗，因此需要定時更換。
帶與帶輪
繩與繩輪
鏈輪則可以改善滑動的現象，獲得較大的動力傳輸，耐用度較高，但鏈輪及鏈條製作成本較高且不適合高速傳動。
鏈與鏈輪
正時皮帶（Timing Belt）改善了滑動的現象及提升高速運轉效能，藉由皮帶內側等鋸齒型與對應的齒狀帶輪相結合，而產生類似齒輪的正確傳動。
電動機車裡動力的傳動利用碳纖維複合材質 做成正時皮帶，
除了減少重量、增加韌性外、 更讓動力傳動能夠順暢。
機構設計、分析與輸出
利用3D建模軟體，設計凸輪機構玩具的樣式、元件的形狀及元件相對位置，進而分析設計的元件大小是否適當，也可以在設計的過程中思考組裝時的前後關係，加快後續作品的產出。
① 曲柄+套筒：作為手動動力的傳輸，藉由曲柄產生圓周運動。
② 軸心+ 凸輪：讓凸輪產生圓周運動，只是因為凸輪是偏心的圓周運動，因此會產生高低差的上下運動。
③ 軸心+ 衝浪板+ 可愛河馬：藉由軸心橫跨衝浪板兩側，利用凸輪兩側的上下交互動作，讓河馬產生左右搖擺的動作。
④ 基座（結構部分）：除讓整個機構可以完成呈現外，也讓各元件可以透過轉軸固定在正確的位置上。
設計時應注意問題：
① 左右搖擺時要注意衝浪板是否會與曲柄運動時卡住。
② 基座左右兩側軸心孔的高度可以調整衝浪板向下移動的距離。
③ 在繪圖過程中，可以視狀況即時修正可能遇到的問題。
設計完畢後利用數位輸出工具，精準輸出作品。要完成作品輸出前一定要先完成作品外觀輪廓的繪製，藉由3D繪圖軟體複製物體邊緣及繪製斷面線的功能，可以取得物體的正確尺寸，加速繪製的過程。
最後在TOP視窗中將繪製的物體輪廓線排好，盡可能緊密排列並縮小面積，以節省雷切時所消耗的材料，最後匯出成向量檔供雷切軟體使用。
將繪製好的向量檔匯入至雷切軟體中，設定雷切的功率與速度並路徑優化後，即可開始雷切。
有些物件可以利用3D列印的方式獲得，尤其是造型比較特殊或需要有特殊卡榫設計以方便活動時，3D便可以得到更好的成品。
曲柄加套筒可以讓圓周運動更順暢，且為了避免套筒在運動過程中脫落，在設計時可以加上兩個導槽。導槽的設計如圖所示，軸心內凹0.5mm，套筒外凸0.4mm，軸心與套筒間距0.2mm，經過印表機的精準列印，即可獲得極佳的曲柄圓周運動，這就是數位設計及數位輸出的優勢。
在設計過程中，物件並不一定都需要數位輸出，例如此設計中的凸輪軸心或衝浪板軸心可以利用5mm的圓木棍，這樣不只強度夠、節省輸出時間，而且便於施工，是不錯的選擇。
課間活動 滾珠軌道的設計與製作
滾珠軌道（Marble Run）是一個讓人喜愛的機構，滾珠在軌道上周而復始的滾動，充滿期待與驚喜感。
臺灣最著名的滾珠軌道位於臺大兒醫大樓一樓電扶梯右側，作者喬治羅德將臺灣特有動物造型融入設計中，讓作品能夠貼近臺灣這片土地，經由馬達的驅動並結合重力，讓壓克力球循著既有的軌道滾動運轉，產生令人驚喜、愉快的聲音與效果。
內部的設計更是機構與結構的完美結合，讓滾珠在軌道內分毫不差的持續運作。
接下來讓我們練習製作一個屬於自己故事的滾珠軌道。
臺大兒童醫院滾珠樂園裝置藝術
❶ 確認問題需求與限制
① 如何讓滾珠從低處前進至高處。
② 如何讓滾珠藉由趣味性的軌道，藉由重力慢慢往下滾回到起點。
❷ 蒐集資訊
① 尋找滾珠軌道（marble run）的案例。
② 思考如何讓滾珠從低處前進至高處，有哪些機構可以使用。
GoSTEAM自造之星
臺灣GoSTEAM自造之星大賽，即以滾珠軌道的方式進行比賽，評分標準包含結構完整性、任務動作性、STEAM應用、創新應用及美觀性，其中STEAM應用包含以下幾個重點：
科學原理 Science
力學、運動定律、簡單機構設計、聲音學、電學、化學反應、感測裝置、材料性質等，另外週期性運動、簡諧運動、虎克定律等都是很好的思考方向。
科技應用 Technology
運用手工具、電化、數位工具做加工與組裝；運用電腦、電子材料等能源產生與轉換、物件傳動和資訊控制科技等。
工程應用 Engineering
功能最佳化、最大化、技術矛盾最小化，機能精緻性、穩定化、持久性，物件間、結構間、系統間之相互制動的運作流暢化等。
藝術 Art
以藝術本身的無限想像力，在科技工程等學科應用時，加入更多抽象思考與美學詮釋，融合機械與美感。
數學 Mathematics
學生必須運算公式，了解比例和對稱，計算物件運動力道、速率、負載（能源、物件）及空間與物件共制性等。
透過上述的STEAM應用讓滾珠軌道具備特殊性與趣味性，加上作品美觀性，完整呈現機構與結構的設計與製作，是高中階段可以大展身手的一個競賽，也是108課綱科技領域生活科技科中值得呈現的學習歷程檔案。
