本研究之足式機器人設計構想

功能：站立姿態下抗一定程度之外力干擾、行走、下蹲回站。

規格與要求：(1)以台灣男生平均身高 170 公分為依據去設定下肢長度。

(2)重量盡可能輕量化。

(3)結構緊湊，減小體積。

人類的各種運動行為對應各關節活動情形都有所謂的活動強度，在此考 量的兩個指標為關節轉速以及關節出力扭矩，關節的運動表現將反應在馬達 的規格挑選上。首先，依據上述機器人外觀規格，身高170 公分，按照理想 的黃金分割比例，以肚臍為界，上半身與下半身之比為 5：8，因此機器足 之下半身長度為104.6 公分，但本文的量測以腳底板至髖關節間之距離為主，

因此劃定下肢長度為 90 公分。假定行走速率為 2km/hr，換算 0.556m/s，跨 步時兩腿夾角45 度，則一個步行週期之單腿髖關節擺動角為 90 度，下肢末 端移動1.41 公尺，如圖 6.4(a)，也就是說髖關節 pitch 軸向之轉速為 5.92rpm。

(a) (b) 圖6.4.(a)步行運動之跨步動態。(b)下肢軸位配置(箭頭方為馬達轉動軸向)。

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各關節馬達的配置如圖6.4(b)之結構，下肢大腿和小腿之長度比也依循 理想黃金比例去分割。Roll 與 pitch 軸向的馬達配置，若仿人類真實骨骼結 構，在髖部與踝部間的對位以及髖部和腰間的對位並非如圖6.5(a)的交直型 態，雖然仿真設計在跨步時無須將支撐足的膝關節做彎曲，呈現自然的作動，

但腰間到髖部的斜向設計以及髖部和踝部roll 軸間的斜向對位在設計製作上 有不便性，因此腰間到髖部之斜向設計目前僅見德國的LOLA 機器人；而髖 部到踝部之roll 軸斜向對位也多見於小型機器人的設計上，中大型機器人的 配置還是交直為主，因為對馬達負荷較輕。總體上對於馬達位置與固定方式、

控制器與驅動器、配重等問題經構思後，最後決定之結構設計如圖6.5(b)。

(a) (b)

圖6.5.(a)人體骨骼架構下肢結構。(b)本文設計之雙足半身機器人結構尺寸。

167.3mm 541.3mm

898.8mm

1402.8mm 188.5mm

122mm

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6.3.1 馬達挑選

由第五章所作的擾動穩定模擬結果來看，踝關節與髖關節的pitch 軸向 出力扭矩預先限制在30Nm，其結果是踝關節處馬達發揮到連續操作扭矩而 髖關節處馬達尚未發揮到額定的一半，而期間髖關節策略啟動時，髖關節角 速度最高接近到10rpm，加上前面一開始對於行走的運動規劃，髖關節轉速 也落在這個範圍裡。也就是說，在包含控制器、驅動器、機構零組件、12 顆馬達組件(馬達本體+減速機+編碼器)以及感測器下共 46 公斤的情形，如 此的扭矩規劃可以達到一定的運動控制效果。因此以這樣的結果和現在世界 上已開發的機器人的規格去估算，各關節的配置如表6.1。

表6.1.各關節需求規格

關節 所需扭矩 功率 減速機 外加減速比 輸出轉速 髖 pitch 16.5 Nm 150W 230:1 22:22 gear 14.3 rpm 膝 pitch 未定 150W 230:1 23:22 gear 13.68 rpm 踝 pitch 30 Nm 150W 230:1 25:20 belt 11.4 rpm

roll 未定 150W 230:1 23:22 gear 13.68 rpm

以瑞士Maxon 公司所出產的 EC 無刷馬達為首要選擇，直徑 45mm，操作電 壓24V，額定轉速 4840rpm，額定扭矩 183mNm，搭配直徑 52mm 之行星減 速機，最大輸出扭矩30Nm，最大效率 68%，如圖 6.6。

(a) (b)

圖 6.6.(a)Maxon 之 EC 無刷馬達。(b)Maxon 之陶磁型減速機。

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此模擬前已預先針對pitch 軸向面，以及只驅動踝和髖關節，故目前的 主要馬達配置針對踝和髖關節的pitch 軸位，雖然在機構設計上有預留其他 軸位的空間，為了方便，基本上下肢全部軸關節馬達皆採用同一規格，僅會 在減速機規格和外加減速機構上做調整。

圖6.7 為機構上的配置 CAD 圖：

圖 6.7.(a)為踝關節 pitch 軸位的皮帶輪傳動機構，在此用皮帶輪是為了提高 小腿質心。皮帶長度在solidworks 內也可直接確定，但長度並非製造商所恰 能提供，故設計惰輪插槽，連續六角軸插口設計，可以小幅度調整間距。(b) 踝關節roll 軸的配置。(c)膝關節的配置，將傳動齒輪以緊湊的方式配置於空 間內。(d)髖關節的配置，因有十字交直軸的機構，故將傳動齒輪配在外側。

(e)為了將兩顆馬達直行並列的方式排放，又為了將大腿寬度縮小，故壓縮了 傳動齒輪的位置，因此犧牲了轉動角度，裕度只能容許到 45∘左右即會發 生機構干涉。

(a) (b)

(c) (d) (e)

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6.3.2 其他相關硬體

馬達部分因採用了Maxon 的產品，所以一併以同公司的商品為主，在操 作上也較不需要考慮溝通相容性問題。選擇型號EPO S2 50/5 的驅動器如圖 6.8(a)，並可透過 CANopen 和 NI 的 PXI 工業電腦(圖 6.8(a))作溝通。

除了驅動硬體，尚有作為避免馬達過衝保護機構的光遮斷器(photo interrupter)、陀螺儀(gyro sensor)、加速規(accelerator)以及六軸力規(6-axis F/T sensor)等需要選擇。

(a) (b)

圖6.8.(a)Maxon 之驅動器 EPO S2 50/5。(b)PXI 工業電腦 PXIe 1071。

6.4 小結

一個完整的機器人設計到開發，當中涉及機械設計、電子元件、自動控 制、人工智能以及系統技術，這當中的複雜與困難性可想而知。本文就機構 設計與運動控制著手展開中型人型機器人的開發，並對馬達與控制硬體以及 電子元件做初步的選擇，整個系統的整合到機器人能成功站立將會是後續更 需要多花心力的任務。

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