工程技術類篇名： 自動綁鞋帶裝置作者

投稿類別：工程技術類

篇名：

自動綁鞋帶裝置

作者：

余遠岫。臺北市立大安高級工業職業學校。製圖三乙

林哲民。臺北市立大安高級工業職業學校。製圖三乙

陳岱威。臺北市立大安高級工業職業學校。製圖三乙

指導老師：

陳明鈺老師

自動綁鞋帶裝置

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壹、前言

一、研究動機

現代人很捨得將錢花在提升生活品質，尤其我們注意到許多人為了買到自

己喜歡的鞋願意花上萬元來購置。而大部分的鞋子用來調整寬鬆的方式是用鞋帶

在其外部作固定的動作。這個動作雖然十分單純，但是在很多時候都會造成困

擾。比如說：無法彎腰的老人、還不會綁鞋帶的兒童，或正在運動的人。於是我

們便由此得到發想，開始研究相關的機構。

初期在我們的研究中發現市面上已經有能夠自動綁鞋帶的鞋子，其中 NIKE

的 NIKE HyperAdapt 以電影為藍本發展出的鞋更是讓我們驚呼不已。不過數量不

多且價格昂貴，因此我們決定將其構想模組化，使裝置能夠降低價格和輕鬆的套

用在每一雙鞋子上。未來希望不僅是追求時尚的年輕人，也能造福到更多需要這

項裝置的人，為人們帶來更便利的生活。因此我們想要設計出一個穿戴式的自動

綁鞋帶裝置。

二、研究目的

（一）透過設計的機構輕鬆調整鞋帶鬆緊。

（二）讓裝置能在任何鞋子上做簡單的安裝拆卸。

（三）讓裝置能夠固定鞋帶，使其不易鬆脫。

三、研究架構流程圖

圖一：研究架構流程圖

圖片來源：自行繪製

動機

訪談

歸納

設計

計算

材料評估

3D列

印

成品組裝

製作

設計

實際測試

思考探討

自動綁鞋帶裝置

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貳、正文

一、鞋帶所帶來的不便

每個人都有穿鞋，而基本上多數的鞋子是以鞋帶固定，所以多多少少會有鞋

帶所造成的困擾。本研究針對鞋帶所帶來的問題進行探討，指導老師就感到非常

認同。

有用過鞋帶的人一定都有過這樣的想法，為什麼鞋帶明明綁得好好的，也檢

查過了，還是這麼容易鬆開呢？看是個小問題，但是一旦造成了意外，就會演變

成大問題。本研究希望透過研發出一項新的產品來改善鞋帶使用上的缺點，來達

到使生活更加便利與減少鞋帶鬆脫帶來危險的目的。

為了解鞋帶在日常生活中，所造成的不便。本研究訪談了一位專業人士，對

象是現役的體育老師，之前有身為孕婦的經驗。她以自身的經歷表示：在當孕婦

的時候因為肚子太大，看不到腳造成無法綁鞋帶的問題。還有在平時因為鞋帶一

直掉，所以打死結。因此在本研究講解完研究目的時，感到非常認同。在最後訪

談對象給了本研究一些建議，像是大部分的專業跑者，會需要加速規、GPS 跟計

步器等功能。以及可以對不同的族群，有不同的特別設計。

透過本次的訪談，本研究更加確立研究目的。對於機構的設計有了更進一步

的想法，讓機構的功能更加完善，符合使用者的需求。

圖二：本團隊與訪談對象合照

圖片來源：自行拍攝

二、各種相似產品比較

比較市面上現有的類似產品，蒐羅各優點於本次研究中。

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（一）NIKE hyperadapt 1.0 設計

NIKE hyperadapt 1.0 一雙要價不斐，而且僅於特定地點販售。NIKE

hyperadapt 1.0 特別的地方在於，當使用者穿上後，NIKE hyperadapt 1.0 會依照

腳的大小調整鞋帶鬆緊除此之外還有著會變換顏色的 LED 燈，穿起來十分炫

目。而且未來的擴充功能有待展望。不過因為是全自動所以需要充電這點比

較令人困擾。

（二）鞋扣設計

鞋扣的特性在於，可以搭配各樣式的鞋孔。因為是單一尺寸的模組化設

計，製造簡單，成本便宜。使用上十分方便，只需在一開始安裝時調整好適

當的鬆緊，接下來即可簡單快速的穿脫鞋。而且現在的鞋扣樣式非常的多

樣，不同的外觀有不同的功能與質感。但是在做激烈運動時很常鬆脫，調整

鬆緊時只能依靠本身的彈性，不能微調達到完全適合的鬆緊。

（三）魔鬼氈設計

通常會用鞋帶是因為鬆緊度的可調性較高且較為柔軟，可以貼合腳，順

著腳型做彎曲。然而魔鬼氈則是較為方便，鬆緊的調適不若鞋帶好，且貼住

後也不易順著腳型作彎曲，但也就是因為彎曲性不佳，相對的固定性就比鞋

帶來的強。而且魔鬼氈還有耐久問題，會隨使用逐漸消耗。

三、自動綁鞋帶裝置

經過歸納，本研究整理出五個自動綁鞋帶裝置的優點如下所示。

（a）NIKE hyperadapt 1.0 （b）鞋扣 （c）魔鬼氈

圖三：一般市面上的免綁鞋帶產品。

（a） 圖片來源： DIGITALTRENDS。2017 年 11 月 6 日，取自 https://goo.gl/YSvnXN

（b） 圖片來源：籃球筆記。2017 年 11 月 6 日，取自 https://goo.gl/KJHHaf

（c） 圖片來源： KENLU.NET。2017 年 11 月 6 日，取自 https://goo.gl/B3ZDso

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（一）不須用電

在這個處處用電的時代，電力是不可或缺的，但維持行動裝置的電力供

給不甚容易。本研究經過探討，認為這項裝置若以電力作為動力來源，會有

諸多不便，還會有漏電等安全疑慮。所以本研究透過簡單的機械原理及些微

人力來達到預期的效果。如此一來不但沒有以上所述問題，還能有效的節能

省碳達到環保的目的。

（二）不需彎腰

因為沒有使用電，所以不容易在有限的空間內，製作出能全自動運作的

機構。但本研究的研究方向是，希望任何人，包括身心障礙者也能使用。因

此將操作最簡化，不用繁瑣複雜的動作，只要一個腳踩的動作就可以輕鬆的

使用。

（三）可發揮的空間多

目前在本機構的研發中，僅有固定調整鞋帶的功能，但是機構內的空間

並沒有完全發揮。在完成本研究後，可以在研發額外的附加功能。像是加上

燈光來提升外觀質感；亦或者是額外的功能，例如加上加速規等。讓本研究

更有價值。

（四）可簡易方便拆裝

鑒於本裝置是外接式的，本研究希望它有靈活輕巧的特性。因此，本研

究將其設計為 U 字型，使用時只需嵌上去，而不用時只要拔下來即可。這樣

一來不但方便，還有可換性。不像一整雙鞋的一樣那麼死，又沒有鞋扣拆裝

時那麼麻煩。

（五）裝置便宜

有別於 NIKE hyperadapt 1.0 那種 3C 科技產品，由於我們的裝置沒有使用

到電子儀器，因此在價格上有十足的差距。跟鞋扣比起來，因為鞋扣一次買

的量比較大，在價格上也會比本裝置還要高。因此在價格上也有一定的優

勢。

表一 現有鞋帶固定方式與自動綁鞋帶裝置比較

種類 不須充電 不須彎腰 方便拆裝 展望性 普遍性 整體造價

NIKE hyperadapt ◎ ◎ 昂貴

鞋扣 ◎ ◎ ◎ 便宜

魔鬼氈 ◎ ◎ 便宜

自動綁鞋帶裝置 ◎ ◎ ◎ ◎ 便宜

表格來源：自行歸納整理

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四、設計與製作

由於本團隊堅持以「不影響性能、舒適、好穿脫適用於每一個人」為理念，在

機構設計方面便遇到了設計上的問題與限制，譬如我們原先想以電控的方式呈現機

構，卻在過程中發現需要防水以及做出不妨礙使用者行動的大小而作罷。反覆討論

後，我們決定將本專題與槓桿原理做結合，如此不僅大幅簡化了設計上的複雜度及

難易度，在力的計算方面也可以透過支點位置的調整輕鬆控制機械利益上了分配。

（一）機構設計

表二為本團隊繪製系統圖，我們希望將裝置設計成 U 型，以外掛在鞋跟

的方式作固定。其中我們運用了兩組槓桿機構來控制力的方向：先踩壓在後腳

跟處突出的踏板，便可帶動直立的棘齒條向上，同時形成的第二組槓桿會迫使

纏有鞋帶的壓板向下緊達成束緊鞋子的目的。而棘齒條的目的即是防止槓桿逆

轉做出的措施，如需將鞋子放鬆，只要把腳後跟的桿子往裡側踢即可放鬆。

表二 3D 設計零件功能表

表格來源：自行歸納整理

（二）力矩與安全係數計算

為了確保機構在運作時，不會有施力不當或機件崩壞等問題。本研究經過

計算了解是否與實際相符。

圖片來源：自行繪製

件

號 名稱

數

量 預定材料 備註

1 外蓋 1 塑膠

本專題的外殼，內部有

與棘齒條配合的止動爪

及踏板用的支點。

2 內蓋 1 塑膠

內側用來貼合鞋跟外側

用，外部有斜面可使退

開的棘齒條回到原位。

3 踏板 2 聚乳酸

可用踩踏或左右踢擊來

控制棘齒條的上升與下

降。

4 壓板 2 聚乳酸

上面的洞穿有鞋帶，經

過前述的傳動後會前傾

使交錯纏繞的鞋帶包住

鞋子達到綁緊的功效。

5 棘齒條 2 鋁青銅

用來帶動壓版的升降，

內側部分做了圓角設

計，使退出後配合內蓋

的斜面回到原位。

6 銷 2 聚乳酸 將外蓋與內蓋接合，使

其固定不會分離。

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1、力矩計算

「一機械在作功的過程中，從動件輸出之力與主動件輸入之力的比，

稱為機械利益 (Mechancial Advantage) 。」（柯雲龍、潘建安，2012）。

又我們知道當一組槓桿的支點在中間時，我們可以透過改變中心的距離來

控制機械利益的大小。

設踏板需採力為 F1，棘齒條阻力為 F2，由力矩公式 L = FxL 可

得出：

3X39.9 = F2X2 F2 = 5.91988

F1＝5.91988x20

30≈ 4

由結論可知本機構只需使用約 4 牛頓的立即可將鞋子收緊，這意

味著即使是孩童或行動不便的老人皆可使用本裝置。

2、安全係數計算

「我們必須限制負荷之大小，使其所產生之應力低於降伏應力或是極

限應力，如此，材料在使用時就不至發生危險。」（黃達明，2014）。

我們必須限制負荷之大小，使其所產生之應力低於降伏應力或是極限應

力，如此，材料在使用時就不至發生危險。因為使用過程中本團隊認為

壓板可能會承受極大的剪應力，所以決定計算其所承受最大應力值以便

選擇最佳的材料。

已知最大應力處為支點所在截面，寬為 4.5ｍｍ，高共為 9ｍｍ

由結論我們得出使用材質應使用較堅固的鋁青銅板材為佳，並提高

高度以降低剪應力數值，以達到安全及牢固的目的

以知公式τ＝Ｖｘ

１

８ｂｈ

２

ｂｈ３

１２ｘｂ

τ =２００ｘ

１

８ｘ９ｘ８１

４．５ｘ９３

１２ｘ４．５

≈7.5

圖四：2D 草圖

圖片來源：自行繪製

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（三）材料探討

原先外殼想使用金屬當材料，然而其重量過重，導致影響裝備在腳上的舒

適度。比較各項數據後，本研究認為採用塑膠來製作外殼很適合，因為塑膠的

重量非常輕，可以避免影響到腳的運動；其他零件經探討後認為採用鋁青銅當

材料最佳，不僅可以承受機構運行時所承受的力，而且比重小還具有耐磨的特

性。

表三 材料探討表

材質 材料特性

聚碳酸酯

塑膠材料具有優秀的機械特性，良好的熱膨脹性，加工週期

短，密度低，增加產品設計的空間與選擇。當中聚碳酸酯具有強

度高以及耐高溫，適用於惡劣環境。

鋁青銅

鑄件強度大約為 40kg/mm2，耐磨、耐蝕。含鋁为 5%～7%塑性

最好。「鋁青銅可製造齒輪、軸套、蝸輪等在複雜條件下工作的

高強度零件,以及彈簧和其他高耐蝕性彈性元件。」（朱張校，

2001）。因此為本機構零件之理想材料。

PLA(聚乳酸)

「是以玉米、小麥等植物中萃取出的澱粉為原料，經發酵轉

化成乳酸再經聚合等過程，紡絲而製成的合成纖維。」（財經百

科，2017）。為近年來被廣泛使用的環保材料，並且有一定的韌

性，可適度貼合腳跟。

表格來源：自行歸納整理

（四）3D 零件建構

使用 Inventor 軟體繪製出各零件，各零件 3D 模型圖如（圖五）所示。

(1) 內蓋 (2) 外蓋 (3) 踏板

(4) 壓板 (5) 棘齒條 (6) 銷

圖五：3D 零件圖

圖片來源：自行繪製

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（五）自動綁鞋帶機構 3D 組合圖

因目前裝置只製作一個，所以 Inventor 軟體繪製 3D 示意圖，如（圖六）

所示。

圖六：自動綁鞋帶機構 3D 組合圖

圖片來源：自行繪製

（六）製作過程

由於實際製作時，考慮現實種種因素，本研究最終決定此次的零件製作採

用 3D 列印技術，製作出所需零件，材料為 PLA（聚乳酸）。

本研究使用的 3D 列印技術是 FDM(熔融沉積成型）。將使用的材料加熱

到半熔融狀態，將材料擠在平台上後迅速回復成固態。如此反覆進行堆疊，即

可印出成品。

3D 列印所使用的材料為 PLA，「生產過程中並不會產生汙染，而且原料

為生物降解材料。」（Bolfeeder 官網，2015），其製品可以分解， 降低對環

境的衝擊。

（a）外蓋列印情況 （b）內蓋列印情況

圖七：3D 列印過程圖

圖片來源：自行拍攝

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（c）壓板列印情況 （d）棘齒條列印情況

圖七：3D 列印過程圖（續）

圖片來源：自行拍攝

（七）成品測試

材料加工完成後，將所有的零件組合起來。組裝完成後將成品實際安裝在

鞋子上之後對結構強度及對鞋帶鬆緊的微調程度進行測試。實經測試之後發現

可將鞋帶確實綁緊，但踏板的結構，可以進行補強，讓強度更好。

（a）左視圖 （b）前視圖 （c）俯視圖

圖八：實際測試圖

圖片來源：自行拍攝

參、結論

經過實際測試，本團隊所設計的自動綁鞋帶裝置確實能達到方便裝卸、使用簡

單的效果。原先要在空曠無人的地方花數十秒才能綁好鞋帶，現在只需要簡單的踩

與踢的動作，即便是在擁擠的捷運內也能在十幾秒內將鞋帶重新固定。在計算力矩

及應力的過程中，也證實了理論與實務是相符的。在實際測試的過程中，發現了新

的問題以及啟發，將之整理如下，以作為日後相關研究的建議。

一、本研究之壓板部分可做伸縮式的設計，如此可因應更多種不同的鞋帶設計

及腳型。

二、由於本機構為穿戴式裝置，本研究將繼續探討使裝置更輕薄的設計以及對

材料的選用重新作調整。

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三、可以加裝彈簧於棘齒條後防止棘齒條在走路的過程中因震動而向上，而安

裝在力的另一個方向以作為固定使用。

肆、引註資料

柯雲龍、潘建安（2012）。機件原理 I。新北市：台科大圖書股份有限公司。

黃達明（2014）。機件力學 II。新北市：台科大圖書股份有限公司。

朱張校（2001）。工程材料。清華大學出版社。

財經百科（2017）。玉米纖維（PLA）。取自 https://goo.gl/RcMcbt

BolFeeder（2015）。PLA 塑膠。取自：http://www.botfeeder.com.tw/pla_material.htm