[发明专利]利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构。

背景技术

机器人是自动控制机器（Robot）的通称，主要用于协助人们进行各种具高危险性、具高精密性或需长时间反复执行的工作，早在1980年代，便有汽车业者利用一种具多关节的机械手臂（robot arm），来提升生产在线的良率及制造效率。时至今日，机器人的应用领域越来越广泛，无论是半导体、金属加工、风机制造、太阳能制造业、食品加工与包装、电子、制药等产业，都可见到各种不同类型的机器人，令业者能通过生产的自动化及机械化，大幅改善生产效率、产品产能、营运成本及工安要求，并创造出更多的利润。

为了让机器人能执行更多不同类型的工作，近年来，有许多的设计者致力于开发人形机器人，以期能使机器人具有手、脚等肢体，进而模拟出人体的实际动作。一般而言，为了能使机器人忠实地呈现出人体般的各种细微动作，设计者必须在机器人上装设多个马达，以将各马达模拟人体的关节分别控制各部位间的弯曲、翻动或扭转。如图1所示是一种现有的机器人1，该机器人1包括一主体10、二上肢机构11、二下肢机构12及二足部13，其中，下肢机构12还包括一第一驱动模块121、一第二驱动模块122及一第三驱动模块123，该第一驱动模块121装设于下肢机构12的顶部对应于其主体10的位置，以使机器人1能提高整个下肢机构，呈现出如同人体抬高大腿的动作；第二驱动模块122则装设于下肢机构12的中段部，以能控制下肢机构12弯曲，呈现出如同人体般弯曲膝盖的动作。第三驱动模块装设于下肢机构12底部对应于足部13的位置，使足部13能相对于下肢机构12转动，呈现出如同人体转动踝部的动作。该机器人1虽能通过各驱动模块使下肢机构12能灵活地弯曲，但此种设计却存在有一极大的问题，即由于下肢机构12中使用了过多的驱动模块，且驱动模块通常是由伺服马达、减速机构及其间的动力传递装置组成，其组件数目过多且不易小型化，因此，前一级的驱动模块必须足以负荷后一级的驱动模块重量，才能达成高效率、刚性与荷重比的优异动态特性。

以图1所示的机器人1为例，该机器人1于行走时，第一驱动模块121及第二驱动模块122承受了较大的外部作用力，故必须使用较大的电流，才能保持其具有足够的动力带动整个下肢机构12运转，造成驱动模块121、122将会耗费过多的电力，并容易因过负载所产生的高温而损坏。

造成上述问题的主要原因是因为第三驱动模块设于邻近于足部13的位置，根据物理学原理，在第一驱动模块121欲驱动下肢机构12进行摆动时，第一驱动模块121所产生的动力需足以驱动第三驱动模块123所产生的力矩：即作用力（第三驱动模块123的重量）与力臂（下肢机构12的长度）。因此，发明人归纳出解决现有驱动模块负载过重问题的两大方法：简化驱动模块的结构及改变驱动模块的装设位置。

如图2和图3所示，是发明人过去设计的一款设有双马达的驱动模块2，该驱动模块2能在大幅缩减整体体积与重量的条件下，仍可进行一个或二个方向自由度的运动，减少机器人因驱动模块过重而产生的前述诸多问题。这里扼要说明该驱动模块2的结构如下：其中，为避免驱动模块内部结构被外部的诸多齿轮所遮蔽，在图3中省略了部份组件，以清楚地绘制出驱动模块2的整体架构。该驱动模块2包括一座体21、二伺服马达22、二传动模块23及一输出模块24，其中伺服马达22、传动模块23及输出模块24皆设于座体21上，各伺服马达22上分别设有一传动轴220；传动模块23包括复数个传动组件231（如：传动齿轮、蜗杆或蜗轮）、至少一从动组件234（如：从动齿轮）及一输出轴235，在伺服马达22动作时，传动轴220依序带动各传动组件231、从动齿轮234及输出轴235，进而驱动输出模块24。输出模块24包括一框架241、一内轴杆242、二第一伞形齿轮243、一第二伞形齿轮244及一输出件245，输出轴235贯穿框架241的两对应侧部，其伸入框架241内的一端则与第一伞形齿轮243相连接，以在输出轴235被从动齿轮234带动旋转时，输出轴235将能带动第一伞形齿轮243旋转，进而使框架241执行前后转动（在图2及图3中以左下为前方，右上为后方）；内轴杆242贯穿框架241的另两对应侧部，第二伞形齿轮244则设于内轴杆242的中段部，且能分别与各第一伞形齿轮243相啮合，各第一伞形齿轮243间的差速关系会带动第二伞形齿轮244，使得输出件245能因此执行左右转动（在图2及图3中系以左上为左方，右下为右方）。