雙足機器人下半身機構設計與實現

  本論文中雙足機器人的下半身包含了三個主要部分，分別是髖關節、膝關節

與踝關節。 

在踝關節的設計中，包含了 2 個自由度，如圖 2.9，分別是 Pitch 方向旋轉和 Roll 方向旋轉，設計的特點是使用了減速比為 1：1 的時規皮帶輪進行運動傳遞 將 Pitch 方向的馬達旋轉軸向下方等效平移到與 Roll 方向的馬達旋轉軸處於相同 平面上，而使 2 個正交的旋轉軸等效交於同一點，而 Roll 方向的馬達則是進行直 接輸出驅動即可，不進行額外的運動傳遞，實際外觀如圖 2.10。如此的設計方式 主要是使用了皮帶輪運用上的彈性，可以自由設計旋轉軸平移的距離，與齒輪組 運動傳遞相比，重量、體積與效率皆占有優勢，而令旋轉軸正交於同一點，則是 可以更接近人類的身體運動方式，同時也可以降低運動學模型建立時的參數複雜 度。而踝關節的活動性則如圖 2.11 所示，在雙足機器人直立的情形下，單獨進 行右腳踝關節各自由度的活動性模擬，在 Roll 方向約 71~‐29 度，Pitch 方向約 92~‐97 度，左腳的設計則是與右腳呈現對稱關係。 

  (a)      (b) 

圖 2. 9(a)右腳踝關節背面設計圖(b)右腳踝關節正面設計圖 

        (a)      (b) 

圖 2. 10 踝關節實際外觀(a)背面(b)正面 

71.66°

29.44°

92.49°

97.43°

  (a)      (b) 

圖 2. 11(a)右腳踝關節 Roll 方向活動性(b)  右腳踝關節 Pitch 方向活動性    在膝關節的設計中，只包含了單 1 個自由度，如圖 2.12 所示，只有 Pitch 方 向旋轉的可活動性，可以產生使腳部彎曲的效果，使機器人動作更加靈活，實際 外觀如圖 2.13。馬達則是採取直接驅動的方式，不經過運動傳遞，直接帶動下肢 連桿轉動，膝關節的活動性則如圖 2.14 所示，這是在雙足機器人直立的情形下，

單獨進行右腳膝關節自由度的活動性模擬，如同人類身體一般將向前的自由度大

幅縮減，而將向後的自由度提高。下肢向前方運動的活動性藉由機構限制至 27 度，向後則可達到約 144 度，左腳的設計則是與右腳呈現對稱關係。 

  (a)      (b) 

圖 2. 12(a)膝關節背面設計圖    (b)膝關節正面設計圖 

  (a)      (b) 

圖 2. 13 膝關節實際外觀(a)背面(b)正面 

  圖 2. 14 膝關節 Pitch 方向活動性 

  在髖關節的設計中，總共包含了 3 個旋轉自由度，如圖 2.15 所示，分別為 Yaw 方向旋轉、Pitch 方向旋轉和 Roll 方向旋轉，在 Pitch 和 Roll 方向上設計類似 於踝關節，特點同樣在於使用了減速比為 1：1 的時規皮帶輪來將 Pitch 方向的馬 達旋轉軸向上方等效平移至 Roll 方向的馬達旋轉軸的平面。並且由於 Yaw 方向 的馬達較小，轉軸也較細，若直接進行驅動則可能因為受到非旋轉方向的外力，

而有彎曲甚至斷裂的危險，因此也加上一段減速比為 1：1 的時規皮帶輪進行運 動傳遞，將運動效果轉移到較粗的轉軸上，進而帶動整隻腳旋轉，再將其設計為 使 Yaw 方向旋轉軸也與 Pitch 和 Roll 方向旋轉軸正交於同一點，達成三旋轉軸正 交於同一點的結果，同樣也是為了使此髖關節可以更加靈活，動作更類似人類，

並且同樣可以降低運動學模型建立時的參數複雜度，實際外觀如圖 2.16。髖關節 的活動性則如圖 2.17 所示，在雙足機器人直立的情形下，單獨進行右腳髖關節 各自由度的活動性模擬，在 Roll 方向約 54~‐25 度，Pitch 方向約 102~‐110 度，Yaw 方向若不包含腳底，範圍為 180~‐180 度，若包含腳底則是 19~‐19 度之間，左腳 的設計則同樣是與右腳呈現對稱關係。 

  (a)      (b) 

圖 2. 15 (a)髖關節背面設計圖    (b)髖關節正面設計圖 

        (a)      (b) 

圖 2. 16 髖關節實際外觀(a)背面(b)正面 

  (a)      (b) 

  (c) 

圖 2. 17 (a)髖關節 Pitch 活動性(b)髖關節 Roll 活動性(c)髖關節 Yaw 活動性 

  由以上的設計，吾人可知各關節大概的活動範圍為何，但是卻不可以直接將

  圖 2. 18 下半身設計正面全圖 

  圖 2. 19 下半身設計背面全圖