CN103213131B - 利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构，包括一支撑架、一脚板、一框架、一内轴杆及二后拉杆，该支撑架设于机器人膝部下方邻近二驱动模块的位置，且其顶部设有二第一枢接部；脚板枢设于支撑架的底部；框架定位于第一枢接部之间，且其两对应侧分别设有一外轴杆，各外轴杆能与各第一枢接部相枢接，并穿过各第一枢接部，以连接各驱动模块；内轴杆贯穿框架的另两对应侧，其一端设有一连接杆；各后拉杆的两端则分别连接连接杆及脚板，在外轴杆及内轴杆分别被带动时，框架及连接杆将能分别前后摆动及左右摆动，以使拉杆能如同人体的小腿肌肉一样控制脚板产生各种踝部动作。

Description

利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构

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）。

在设计出上述的驱动模块2后，发明人进一步考虑如何将驱动模块2实际应用于一机器人上，同时，对机器人的腿部机构进行改良，以改变控制机器人踝部动作驱动模块的位置。发明人希望通过一崭新的机械结构，令具备双足结构的机器人于行走时，不会因为驱动模块的重量而增加不必要的负载，进而提升机器人的效率及稳定度。因此，如何设计出一种机器人小腿结构，以达成发明人的上述目的，即成为本发明在此亟欲解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种运作更有效率，行走更加稳定，且结构能更趋近于真实人体的利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构，在邻近机器人膝部关节的位置设有二个驱动模块，所述机器人小腿结构包括：

一装设于机器人邻近膝部关节下方的支撑架，该支撑架的顶部定位于各驱动模块之间，且其上两对应位置分别设有一第一枢接部，各第一枢接部上分别开设有一第一枢接孔；

一枢接于支撑架底部的脚板，使机器人能通过支撑架和脚板稳固地站立于一平面上；

一定位于第一枢接部之间的框架，且其两对应侧面分别设有一外轴杆，各外轴杆分别枢接于各第一枢接孔上，且其一端穿过对应的第一枢接孔，分别连接至各驱动模块，在驱动模块朝同一方向动作时，该框架能以外轴杆为中心，进行前后摆动；

一贯穿框架另两对应侧面的内轴杆，且其两端延伸至框架外，该内轴杆的后端固设有一连接杆，在内轴杆被带动旋转时，该连接杆能随之左右摆动；

二后拉杆，其上端分别枢接于连接杆的两端，其下端则分别枢接至脚板上邻近后端的两对应位置，在框架以外轴杆为中心，进行前后摆动时，后拉杆能同时带动脚板，使脚板产生相同的前后摆动，或在连接杆产生左右摆动的情况下，后拉杆能分别拉动脚板，使脚板产生相同的左右摆动。

本发明所述机器人小腿结构还包括一前拉杆，该前拉杆的上端与内轴杆的前端相枢接，其下端则枢接至脚板邻近前端的位置，在框架产生前后摆动时，该前拉杆能拉动脚板，使脚板产生相同的前后摆动。

本发明所述机器人小腿结构还包括二第一伞形齿轮及一第二伞形齿轮，各第一伞形齿轮分别固设于各外轴杆上对应于框架内的另一端；该第二伞形齿轮则设于内轴杆的中段部上，且分别与各第一伞形齿轮相啮合，在第一伞形齿轮分别被驱动模块带动，且具有相对差速运动的情况下，第二伞形齿轮能被第一伞形齿轮带动。

本发明所述脚板的顶部设有一枢接座，该枢接座的左右两侧分别延伸设有一第二枢接部，各第二枢接部分别与各后拉杆的下端相枢接，在连接杆产生左右摆动时，后拉杆能分别拉动脚板，使脚板产生相同的左右摆动。

本发明所述枢接座上还枢设有一下轴杆，该下轴杆的一端朝脚板的前端延伸，并与前拉杆的下端相枢接，在框架前后摆动时，该前拉杆能拉动下轴杆的一端，使脚板产生相同的前后摆动。

本发明所述支撑架的底部设有二第二枢接孔，且下轴杆的中段部分别朝其左右方向延伸，形成二第三枢接部，各第三枢接部的位置与各第二枢接孔相对应，以使各第三枢接部能与对应的第二枢接孔相枢接。

本发明所述前拉杆或后拉杆由挠性材料制成。

本发明与现有技术相比，在支撑架顶部枢设框架，并通过框架上的内轴杆带动拉杆，由拉杆调整框架底部脚板的角度，进而模拟出人体脚掌内弯或外踢的动作和人体脚部提高脚掌或提高脚跟的动作，进一步强化机器人小腿结构在动作上的稳定性和仿真性。

附图说明

图1是现有机器人的示意图。

图2是现有机器人驱动模块的立体示意图。

图3是现有机器人驱动模块的局部示意图。

图4是本发明的立体结构示意图。

图5是本发明脚板的示意图。

图6是本发明的动作示意图。

图7是本发明的另一动作示意图。

图中主要零件符号说明：

机器人小腿结构	………	4
			支撑架	………	41
第一枢接部	………	411
			第一枢接孔	………	412
第二枢接孔	………	413
			脚板	………	42
枢接座	………	420
			第二枢接部	………	421
下轴杆	………	422
			第三枢接部	………	423
框架	………	43
			外轴杆	………	430
第一伞形齿轮	………	431
			第二伞形齿轮	………	432
内轴杆	………	44
			连接杆	………	440
前拉杆	………	45
			后拉杆	………	46
第一倾斜角度	………	θ1
			第二倾斜角度	………	θ2

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图4所示，本发明利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构系应用于一机器人（图中未示）上，该机器人的膝部下方设有至少二驱动模块，且各驱动模块上一输出轴的位置相互对应，该机器人小腿结构4包括一支撑架41、一脚板42、一框架43、一内轴杆44、一前拉杆45及二后拉杆46，其中，支撑架41装设于机器人的膝部下方，且其顶部设有二第一枢接部411，各第一枢接部411上分别开设有一第一枢接孔412，且各第一枢接孔412的位置对应于各驱动模块，在本实施例中，该驱动模块的结构如图2、图3所示，当然其所示的驱动模块结构并非实现本发明的唯一方式。

如图4及图5所示，为便于说明本发明的动作关系，以下所述的“前方”是指图4的右上方，“后方”是指图4的左下方，“右方”是指图4的右下方，“左方”是指图4的左上方。其中，脚板42枢设于支撑架41的底部，其顶部则设有一枢接座420，该枢接座420的两侧分别朝左右方向延伸，以形成二第二枢接部421，各第二枢接部421的位置邻近于脚板42的两对应侧；枢接座420上枢设有一下轴杆422，该下轴杆422能相对于枢接座420转动，其中段部则朝左右方向延伸设有二第三枢接部423，使下轴杆422的构型呈现一“十”字型，在本实施例中，支撑架41的底部设有二第二枢接孔413，各第二枢接孔413分别与第三枢接部423相枢接，以使脚板42及枢接座420能相对于支撑架41进行转动。框架43的构型与支撑架41的顶部相匹配，以能定位于第一枢接部411之间，且框架43的两对应侧面分别向外延伸形成一外轴杆430，各外轴杆430与各第一枢接孔412相枢接，且其一端还能由第一枢接孔412延伸而出，以连接至驱动模块上，使驱动模块动作时，框架43能以外轴杆430为中心产生前后摆动。

内轴杆44贯穿框架43的另两对应侧面，且其两端延伸至框架43外，该内轴杆44的后端固设有一连接杆440，以在内轴杆44被驱动模块差动带动的情况下，连接杆440能随之左右摆动（图4右下方为右方，左上方为左方）；如图4～6所示，前拉杆45的上端与内轴杆44的前端相枢接，前拉杆45的下端则枢接至脚板42邻近前端的位置（在本实施例中，前拉杆45的下端连接至下轴杆422的一端），以在框架43产生前后摆动的情况下，前拉杆45能拉动脚板42，使脚板42产生相同的前后摆动，进而模拟出人体脚部提高脚掌或提高脚跟的动作（如图6所示的状态），此时脚板42的第一倾斜角度θ1，其大小能随着框架43前后摆动的幅度大小而改变。

各后拉杆46的上端分别枢接于连接杆440的两端，各后拉杆46的下端则分别枢接至各第二枢接部421，以在连接杆440产生左右摆动的情况下，后拉杆46能分别拉动脚板42的两侧，使脚板42产生相同的左右摆动，进而模拟出人体脚掌内弯或外踢的动作（如图7所示的状态），此时，脚板42的第二倾斜角度θ2，其大小能随着连接杆440左右摆动的幅度大小而改变。

如此，由于本发明的机器人小腿结构4以前拉杆45、后拉杆46模拟人体的小腿肌肉，故设计者能将驱动模块设置于机器人邻近膝部关节下方的位置，即能通过前拉杆45、后拉杆46控制脚板42产生各种角度的动作变化，而无须如同过去的设计需将驱动模块设于邻近脚板42的位置，才能仿真出人体踝部关节的各种控制动作，造成脚板42部位的机构过于复杂且重量过重，进而使驱动模块发生负荷过重的问题。

如图4所示，在本发明的第一较佳实施例中，前拉杆45、后拉杆46由刚性材料构成，如：金属杆体或塑料杆体，因此，在实际使用时，机器人小腿结构4其实仅需使用二支后拉杆46即能模拟出踝部的控制动作，如图4及图7所示，由于连接杆440除了能产生转动外，还会随着框架43的前后摆动而改变其水平高度，故在后拉杆46为刚性材料的实施例中，机器人小腿结构4将能通过后拉杆46，根据框架43产生的前后摆动，随之改变脚板42的后端高度。

此外，前拉杆45、后拉杆46的材质亦能为挠性材料（如：线、合成纤维或钢索）或弹簧，由于挠性材料或弹簧并非刚性材料，无法随着框架43的运动来推动脚板42运动，故在以挠性材料制作拉杆的实施例中，需通过至少三支拉杆（如：一支前拉杆45及二支后拉杆46）来模拟出踝部动作，使用挠性材料的优势在于：除了能模拟出相同的踝部关节动作外，还能提升机器人小腿结构4的抗震性及减轻重量。同理，该机器人小腿结构4上亦能同时使用刚性材料与挠性材料，来分别制作拉杆，例如：前拉杆45使用刚性材料，后拉杆46则使用挠性材料。

在本发明的第一较佳实施例中，前述的“驱动模块”的结构即如图2～3所示，在本实施例中，图4中的外轴杆430等同于图3中的输出轴235，故驱动模块2将能通过从动齿轮234，转动输出轴235（等同于图4中的外轴杆430），进而使框架241（等同于图4中的框架43）进行前后摆动。此外，在本实施例中，框架43内亦设有二第一伞形齿轮431及一第二伞形齿轮432，各第一伞形齿轮431设于各外轴杆430伸入框架43内的另一端上，以能被各外轴杆430带动旋转；第二伞形齿轮432则设于内轴杆44的中段部上，且能分别与各第一伞形齿轮431相啮合。

如图4、图6及图7所示，在只有一个外轴杆430被驱动模块驱动旋转的情况下，外轴杆430将能分别带动框架43及对应的第一伞形齿轮431旋转（在本实施例中，第一伞形齿轮431固设于外轴杆430上，外轴杆430带动框架43相对于枢接孔412前后摆动），同时，第一伞形齿轮431将能进一步带动内轴杆44及连接杆440，使连接杆440产生左右摆动。另外，在外轴杆430分别被各驱动模块驱动，且各第一伞形齿轮431无相对差速运动时，此时，第二伞形齿轮432将不会带动内轴杆44转动，意即框架43会被各第一轴杆431带动而转动，但连接杆440并不会产生左右方向的摆动，如同图6所示的状态。

反之，如图4所示，在各外轴杆430分别被各驱动模块驱动，且各第一伞形齿轮431间具有相对差速运动时，各第一伞形齿轮431间的差速将能带动第二伞形齿轮432转动，进而带动内轴杆44及连接杆440转动，如图7所示的状态；此时，框架43将会依各驱动模块的驱动而呈转动或静止状态。

在此要特别指出，虽然上述实施例中，通过图2～4所示的驱动模块及伞形齿轮来驱动机器人小腿结构，但在本发明的其它较佳实施例中，驱动方式并不以此为限，如图4所示，设计者亦能将各外轴杆430分别连接至一驱动马达的输出轴上，且将内轴杆44的一端连接至另一驱动马达的输出轴上，如此即能分别驱动内轴杆44及外轴杆430进行转动，而无须使用第一伞形齿轮431及第二伞形齿轮432。

本发明在驱动模块朝同一方向动作的情况下，框架能以外轴杆为中心进行前后摆动；在内轴杆被驱动模块带动旋转的情况下，连接杆能随之左右摆动；在框架产生前后摆动的情况下，后拉杆能同时带动脚板，使脚板产生相同的前后摆动；或在连接杆产生左右摆动的情况下，后拉杆能分别拉动脚板，使脚板产生相同的左右摆动，进而模拟出人体脚掌内弯或外踢的动作。如此，由于本发明的机器人小腿结构以拉杆模拟人体的小腿肌肉，故设计者能将驱动模块设置于机器人邻近膝部关节下方的位置，即能通过拉杆控制脚板产生各种角度的动作变化。同时，在框架产生前后摆动的情况下，前拉杆能拉动脚板，使脚板产生相同的前后摆动，进而模拟出人体脚部提高脚掌或提高脚跟的动作。如此，通过前拉杆的设计，即能进一步强化机器人小腿结构在动作上的稳定性。此外，在第一伞形齿轮具有差速转动的情况下，第二伞形齿轮能被第一伞形齿轮带动，进而使内轴杆转动。这样，本发明利用拉杆模拟人体踝部动作，运作更有效率，从而使其结构能更趋近于真实人体的机器人。

Claims (1)

1.一种利用拉杆模拟人体踝部动作的机器人小腿结构，在邻近机器人膝部关节的位置设有二个驱动模块，其特征在于：所述机器人小腿结构包括：

一装设于机器人邻近膝部关节下方的支撑架，该支撑架的顶部定位于各驱动模块之间，且其上两对应位置分别设有一第一枢接部，各第一枢接部上分别开设有一第一枢接孔；

一枢接于支撑架底部的脚板，使机器人能通过支撑架和脚板稳固地站立于一平面上；

一定位于第一枢接部之间的框架，且其两对应侧面分别设有一外轴杆，各外轴杆分别枢接于各第一枢接孔上，且其一端穿过对应的第一枢接孔，分别连接至各驱动模块，在驱动模块朝同一方向动作时，该框架能以外轴杆为中心，进行前后摆动；

一贯穿框架另两对应侧面的内轴杆，且其两端延伸至框架外，该内轴杆的后端固设有一连接杆，在内轴杆被带动旋转时，该连接杆能随之左右摆动；

二后拉杆，其上端分别枢接于连接杆的两端，其下端则分别枢接至脚板上邻近后端的两对应位置，在框架以外轴杆为中心，进行前后摆动时，后拉杆能同时带动脚板，使脚板产生相同的前后摆动，或在连接杆产生左右摆动的情况下，后拉杆能分别拉动脚板，使脚板产生相同的左右摆动；

所述机器人小腿结构还包括一前拉杆，该前拉杆的上端与内轴杆的前端相枢接，其下端则枢接至脚板邻近前端的位置，在框架产生前后摆动时，该前拉杆能拉动脚板，使脚板产生相同的前后摆动；

所述机器人小腿结构还包括二第一伞形齿轮及一第二伞形齿轮，各第一伞形齿轮分别固设于各外轴杆上对应于框架内的另一端；该第二伞形齿轮则设于内轴杆的中段部上，且分别与各第一伞形齿轮相啮合，在第一伞形齿轮分别被驱动模块带动，且具有相对差速运动的情况下，第二伞形齿轮能被第一伞形齿轮带动；

所述脚板的顶部设有一枢接座，该枢接座的左右两侧分别延伸设有一第二枢接部，各第二枢接部分别与各后拉杆的下端相枢接，在连接杆产生左右摆动时，后拉杆能分别拉动脚板，使脚板产生相同的左右摆动；

所述枢接座上还枢设有一下轴杆，该下轴杆的一端朝脚板的前端延伸，并与前拉杆的下端相枢接，在框架前后摆动时，该前拉杆能拉动下轴杆的一端，使脚板产生相同的前后摆动；

所述支撑架的底部设有二第二枢接孔，且下轴杆的中段部分别朝其左右方向延伸，形成二第三枢接部，各第三枢接部的位置与各第二枢接孔相对应，以使各第三枢接部能与对应的第二枢接孔相枢接；

所述前拉杆或后拉杆由挠性材料制成。