robot 機器人

一、前言
一般人形機器人之機構 設計大多採用串聯式機構設計。而串聯式之機構設計具有剛性不足、累計誤差、低負載能力等問題。觀察人類之關節結構，其大致可以分為1或3自由度之運動；其 中髖關節、踝關節及腕關節為3自由度之關節，腰部和頸部關節之運動在簡化後也可視為3自由度之關節。不論是1或3自由度之關節機構，驅動馬達通常安裝於兩 連結桿件之連接處，如此一來，馬達及齒輪組之尺寸將難以縮小，此一現象在3自由度之球關節特別明顯。本文介紹一種3自由度之球關節機構，以仿生學為基礎下 之3自由度並聯桿件球關節機構；其特色在於尺寸小、結構簡單、以球關節為運動模式且高剛性。此一模組包含兩個平面板、中央固定桿件、三個線性致動器；其 中，中央固定桿件直接固定於一個平面板，另一平面板採用球接頭固定，因此這個球關節模組可以表現出，類似人類3自由度關節之運動模式。由於採用電動缸之馬 達與螺桿為不可逆運動特性，當控制器不提供馬達電源時，人形機器人仍然可維持原本姿態，此特性可以延長電池之壽命。

二、仿生球關節機構設計
仿生球關節機構應用於人形機器人之結構設計，可達到高剛性、低累計誤差以及提高負載能力。踝關節是人體重要的球關節 之一；由解剖學之觀點而言[1]，人體踝關節為三個自由度之運動模式；即背屈（Dorsi Flexion）和蹠屈（Plantar Flexion）、外翻（Eversion）、內翻（Inversion）、外展（Abduction）與內夾（Adduction）。針對上述腳踝關節 運動軌跡資料庫與運動特性，可設計出一類似於此三自由度之關節機構，並能達成空間三自由度之腳踝關節運動（包括背屈、蹠屈、外翻、內翻、外展、內夾等動 作）之目的；其示意圖如圖一所示。
類似於人類腱驅動的設計如Takuma等學者[2]於西元2008年所提出之一雙足機器人；該研究以氣壓元件做 為腱驅動動力之來源，依照解剖學每個肌肉不同的位置與功能，設計不同的仿肌肉氣壓元件，以不同步態給予每個仿肌肉氣壓元件個別的壓力，最後實現機器人直線 行走與跳耀動作，如圖二所示。
 

圖一 腳踝三個自由度示意圖[1]

加拿大Manitoba大學[3]亦研發出一氣動式機械手臂，此研究係以發展新型仿人類運動結構之機器人，其機械手臂結構；此結構為並聯式桿件設 計，並採用氣壓閥控制，能從事人類手臂可達成的姿態像揮手、拿物品等，如圖三所示。此外，Tao等學者[4]於2007年提出人工肌肉模組，此模組以並聯 機構的方式組合而成，只需利用三個氣壓元件作為致動器，就可以讓模組機構達到三個自由度，並導入氣體動力方程式演算法，達到控制機構之旋轉角度，如圖四所 示。

圖二 Takuma等學者所提出之仿肌肉氣壓元件人形機器人與步行和跳躍測試[2]

圖三 加拿大Manitoba大學所研發之並聯驅動關節機器手臂[3]

  
圖四 並聯機構與實體圖[4]