已開發機器人之設計回顧

HUBO 全人形機器人是韓國科學技術院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)於 2005 年開發出來，屬於 KHR 機器人系列的第三代 成品。其設計概念在於機械強度的考量和細部結構空間配置以減小關節聯結 的震盪、下半身的設計要使整體機器人滿足高重心並使頻繁動件耗能最小化、

熱傳導對感測器的影響等。

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圖 6.1. KHR-3 的機構外觀尺寸與軸位架構。

MARI-3

MARI-3 下 半 身 式 雙 足 機 器 人 由 日 本 橫 濱 國 立 大 學 和 村 實 驗 室 (Yokohama National University Kawamura Lab)於 2006 年建立，設計概念為具 有矯健的行動能力以期能適用於大規模災難救助。其特徵：

1. 輕量化。主體結構採用 7075 鋁合金，質輕剛性高且有良好的切銷加工性：

髖關節和踝關節部分採用空心塊結構；使用比碳鋼或不銹鋼螺絲還輕且 硬的鈦螺絲。

2. 關節配置緊密俐落。髖部關節採三軸交直一點，讓逆向運動學具有可行 的解析性；此外，當游擺腳作動時在支撐腳 yaw 軸相應產生扭轉力矩，

補償並降低此扭矩需要縮短兩腳間隙。

3. 高活動裕度。高運動強度需要高伸展空間，其有賴關節的大活動範圍，

尤其以膝關節為重。

4. 高能量-重量比以及適確減速機構配合。高運動行為的條件除了關節活動 裕度，高動力同為不可或缺之因素，機器人關節pitch 軸須採用高動力輸 出以滿足高扭力需求；髖和膝關節pitch 軸要較高轉速需低減速比但膝關

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節還要高扭力，所以膝部採用兩顆馬達。

(a) (b)

(c) (d)

圖6.2.(a) MARI-3 的機構外觀尺寸。(b)軸位配置。(c) MARI-3 的結構設計使 其有很大的活動裕度。(d)其在膝關節的部分為了維持高轉速又具有足夠大的 轉矩，使用雙馬達帶動單關節的配置。

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LOLA

全人形機器人LOLA 由德國慕尼黑工業大學應用力學研究所(Institute of Applied Mechanics of TUM)於 2009 年研製而成，為了達到結構緊湊和高動力 低重量，制動器皆客製化設計。為了達到高移動速度，設計概念採取了高質 心位置配置，將重量配置盡可能向髖關節處靠近；下半身桿件具低轉動慣量 等要求。

圖6.3. LOLA 的軸位配置，在髖關節採斜方交直架構；運用導螺桿驅動以將 重心向腰部內縮。

綜觀上述人形機器人的設計，我們可以知道主要的設計原則為：

1. 關節軸交直設計，可使結構體積緊湊並提高數學運算上的便利性。

2. 關節空間設計使伸展裕度盡可能增加。

3. 皮帶輪傳動，提高安全性並增加速比可調彈性。

4. 材質輕量化並維持結構強度。

5. 將質心盡可能從下肢提升到腰部，且各端擺動件質心盡可能向關節端靠 近以減少轉動慣性。

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6.3 本研究之足式機器人設計構想