TWI401144B - 高反應力關節裝置的控制方法 - Google Patents

Description

高反應力關節裝置的控制方法

本提案係關於一種關節裝置及其控制方法，特別是一種具雙驅動元件之關節裝置及其控制方法。

由於高齡化、少子化社會的來臨，造成勞動人口大幅減少，進而影響整體國家及社會之進步。為了解決此問題，機器人也漸漸地從工廠走入人類的日常生活中，協助人類處理危險工作或生活瑣事。在機器人與人類接觸越來越頻繁之際，開發高反應力、高負載、高安全性的機械手臂技術是相當重要的一環。機械手臂主要是藉由一機械關節連結兩支臂，以使兩支臂間可互相樞轉，以達到機械手臂移動之功效。

一般而言，同時具備高反應力及高負載的機械關節必須使用強度較高的結構搭配高功率的馬達來達成。相對的，高反應力及高負載的機械關節於運動時的慣性亦相對較大，在安全機制啟動時則必須使用較強的能量吸收裝置來停止高速運作的機械關節。目前工業型機械手臂可達成這些目標，但其重量較重且成本較高，使機械手臂不易在服務型的機器人上實現。

市面上之機械手臂為了提高反應力、負載能力及安全性，於其機械關節上幾乎都使用高功率馬達、搭配昂貴的諧和式減速機(Harmonic Drive)或是形式不一的安全裝置來增加其性能，所以機械手臂的造價都相當昂貴，進而造成機器人進入日常生活的障礙。若因成本的考量而使用傳統的機械關節，其反應力會較遲鈍，且難於高轉速下提供高負載。並且，傳統的機械關節因受到齒輪間的間隙所造成之背隙(backlash)影響，而使機械手臂之運作精確度降低。並且，由於使用傳統的機械關節之機械手臂的反應力會較遲鈍，因此存在著安全性的考量，若增配額外的保護裝置將使得傳統的機械關節之成本提升，而更不利於將服務型的機器人推廣至日常生活當中。

鑒於以上的問題，本提案在於提供一種高反應力關節裝置及其控制方法，藉以解決先前技術所存在機械手臂反應力較遲鈍且負載能力較差的問題。

本提案所揭露一實施例之高反應力關節裝置，其包含一轉軸、二固定元件、二驅動元件、二傳動齒輪及一連結齒輪。其中，二固定元件藉由轉軸而互相樞設，二驅動元件則分別固設於二固定元件。二傳動齒輪係分別連接於二驅動元件，二驅動元件分別驅動二傳動齒輪旋轉。另外，連結齒輪樞設於二固定元件的其一，連結齒輪的一樞轉軸心與轉 軸之軸心共軸線，連結齒輪分別嚙合於二傳動齒輪。

本提案所揭露一實施例之高反應力關節裝置的控制方法，其步驟包含，提供一高反應力關節裝置，其中高反應力關節裝置的二傳動齒輪與連結齒輪均為一傘齒輪，且二傳動齒輪具有相同齒輪徑與輪齒數。接著，令二傳動齒輪相對轉軸間的樞轉方向相同，並且令二傳動齒輪之間的相對轉速差為零，以使二固定元件間的相對角位移速率為零。

本提案所揭露一實施例之高反應力關節裝置的控制方法，其步驟包含，提供一高反應力關節裝置，其中高反應力關節裝置的二傳動齒輪與連結齒輪均為一傘齒輪，且二傳動齒輪具有相同齒輪徑與輪齒數。接著，令二傳動齒輪相對轉軸間的樞轉方向相同，並且令二傳動齒輪之間的相對轉速差大於零，以使二固定元件間的相對角位移速率大於零。

本提案所揭露一實施例之高反應力關節裝置的控制方法，其步驟包含，提供一高反應力關節裝置，其中高反應力關節裝置的二傳動齒輪與連結齒輪均為一傘齒輪，且二傳動齒輪具有相同齒輪徑與輪齒數。接著，令二傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令二傳動齒輪之間的相對轉速差為零。接著令編碼器偵測二固定元件在一單位時間內，一固定元件相對於另一固定元件的一角度位移變化率。當角度位移變化率不等於零時，維持二傳動齒輪之間的相對轉速差為零的狀態，並且降低二傳動齒輪之轉速。

根據上述之高反應力關節裝置，由於具有雙馬達的設置，可提供關節裝置具有高轉速及高剛性的功能。並且，本提案之高反應力關節裝置藉由雙馬達的轉速差，即可達成關節的變速以及反轉之功能，因此相較於傳統關節裝置，本實施例之高反應力關節裝置有更好的反應力，也可以消除背隙(backlash)影響運轉時的精確度。此外，本實施例之高反應力關節裝置於安全防護措施的考量下，只需增設距離感測元件。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

10‧‧‧第一驅動馬達

12‧‧‧第一固定元件

14‧‧‧第一傳動齒輪

20‧‧‧第二驅動馬達

22‧‧‧第二固定元件

24‧‧‧第二傳動齒輪

30‧‧‧轉軸

34‧‧‧連結齒輪

60‧‧‧距離感測元件

70‧‧‧編碼器

80‧‧‧環境物體

90‧‧‧控制單元

W1‧‧‧第一轉速

W2‧‧‧第二轉速

W‧‧‧關節轉速

第1圖係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。

第2A圖係為根據第1圖之第一驅動馬達與第二驅動馬達的連結示意圖。

第2B圖係為根據本提案另一實施例之第一驅動馬達與第二驅動馬達連結的局部放大立體示意圖。

第2C圖係為根據第1圖之第一驅動馬達與第二驅動馬達連結的局部放大立體示意圖。

第2D圖係為根據第1圖之第一驅動馬達與第二驅動馬達連結的局部放大立體示意圖。

第2E圖係為本提案另一實施例之第二傳動齒輪與轉軸的結構示意圖。

第3A圖係為根據習知單驅動關節之反轉能力示意圖。

第3B圖係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置之反轉能力示意圖。

第4A圖係為根據本提案另一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。

第4B圖係為根據習知單驅動關節之扭力與轉速關係圖。

第4C圖係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置之扭力與轉速關係圖。

第5圖係為根據本提案又一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。

第6圖係為根據本提案再一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。

第7A圖係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置的控制方法流程圖。

第7B圖係為根據本提案另一實施例之高反應力關節裝置的控制方法流程圖。

第7C圖係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置的控制方法流程圖。

請參照「第1圖」、「第2A圖」、「第2B圖」、「第 2C圖」及「第2D圖」，「第1圖」係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖，「第2A圖」係為根據「第1圖」之第一驅動馬達與第二驅動馬達的連結示意圖，「第2B圖」係為根據本提案另一實施例之第一驅動馬達與第二驅動馬達的連結示意圖，「第2C圖」與「第2D圖」係為根據「第1圖」之第一驅動馬達與第二驅動馬達連結的局部放大立體示意圖。

本提案一實施例之高反應力關節裝置包含一轉軸30、一第一固定元件12、一第二固定元件22、一第一驅動馬達10、一第二驅動馬達20、一第一傳動齒輪14、一第二傳動齒輪24以及一連結齒輪34。其中，轉軸30穿設第一固定元件12與第二固定元件22。第一固定元件12與第二固定元件22藉由轉軸30而互相樞設，即第二固定元件22可相對第一固定元件12旋轉而改變角位移量，且第二固定元件22與第一固定元件12間的相對樞轉軸心為轉軸30的軸心。第一驅動馬達10固設於第一固定元件12，第二驅動馬達20固設於第二固定元件22。

第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24的齒輪中心分固設於第一驅動馬達10及第二驅動馬達20的旋轉軸上，使第一驅動馬達10及第二驅動馬達20於運轉時，可直接驅動第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24旋轉。在本實施例中，第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24均為一傘齒輪，且彼此 間具有相同齒輪徑與輪齒數。並且，第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24面向轉軸30。需注意的是，第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24的齒輪型態非以用以限定本提案。此外，本實施例之第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24係以直接固設的方式與第一驅動馬達10及第二驅動馬達20連接，但傳動齒輪與驅動馬達的連接方式非用以限定本提案。舉例而言，本提案另一實施例之第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24也可以分別透過一齒輪組而與第一驅動馬達10及第二驅動馬達20連接，使第一驅動馬達10及第二驅動馬達20可分別藉由齒輪組驅動第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24旋轉。

連結齒輪34樞設於轉軸30上，並分別嚙合於第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24，且第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24位於連結齒輪34的同一面。需注意的是，上述之轉軸30貫穿第一固定元件12、第二固定元件22以及連結齒輪34的樞設方式並非用以限定本提案，在依據本提案的實施例中，連結齒輪34的樞轉軸心只需與轉軸30的軸心共軸線即可，連結齒輪34並不一定要樞設於轉軸30上。此外，本實施例之第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24位於連結齒輪34的同一面非用以限定本提案。舉例而言，第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24也可以分別位於連結齒輪34的相對兩面，如「第2B圖」所示。若採用「第2B圖」所示之結構，第一固定元件12可相對第二固定元件22做360度的旋轉運 動。

此外，在本實施例中，連結齒輪34更可為一傘齒輪，且匹配第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24。並且，連結齒輪34的齒數與第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24的輪齒數可以皆相同。意即，當第一傳動齒輪14或第二傳動齒輪24旋轉一圈時，也連帶使連結齒輪34旋轉一圈。

需注意的是，第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的齒輪類型非用以限定本提案。本提案係以設計上的方便，而舉傘齒輪為例，但也可以是一般的正齒輪。另外，第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的齒輪徑及輪齒數也非用以限定本提案。本提案係考量後續作動原理之說明上的方便，而使第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24的齒輪徑相同，並且使第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的輪齒數相同。若第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的輪齒數與齒輪徑並非以上的關係，只須合理的搭配，依舊可以將本提案具體實施。

接下來將針對本實施例之高反應力關節裝置其運轉方式加以說明，請繼續參照「第1圖」、「第2A圖」、「第2C圖」及「第2D圖」。其中，第一驅動馬達10的旋轉軸可以具有一第一轉速W1，使得固設於其上的第一傳動齒輪14以第一轉速W1相對轉軸30旋轉，且第一傳動齒輪14可以相對轉軸30以逆時針方向旋轉。意即，觀察者由轉軸30為基 礎點面向第一傳動齒輪14時，觀察者會觀察到第一傳動齒輪14以逆時針方向旋轉，並且不論第一固定元件12與第二固定元件22間的相對位置為何(成一直線或是夾一角度)，觀察者以轉軸30為基礎點觀察第一傳動齒輪14的旋轉方向皆不受影響，如「第2C圖」或「第2D圖」所示。另外，第二驅動馬達20的旋轉軸可以具有一第二轉速W2，使得固設於其上的第二傳動齒輪24以第二轉速W2相對轉軸30旋轉，且第二傳動齒輪24可以相對轉軸30以逆時針方向旋轉。意即，觀察者由轉軸30為基礎點面向第二傳動齒輪24時，觀察者會觀察到第二傳動齒輪24以逆時針方向旋轉，並且不論第一固定元件12與第二固定元件22間的相對位置為何(成一直線或是夾一角度)，觀察者以轉軸30為基礎點觀察第二傳動齒輪24的旋轉方向皆不受影響，如「第2C圖」或「第2D圖」所示。

此外，本實施例之第二傳動齒輪24的旋轉軸係與轉軸30的軸心垂直(如「第2C圖」所示)，但非用以限定本提案，譬如也可以是以下實施例的型態。請參閱「第2E圖」，係為本提案另一實施例之第二傳動齒輪與轉軸的結構示意圖。本實施例中，第二傳動齒輪24的旋轉軸係與轉軸30的軸心夾一銳角。

需注意的是，第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24相對轉軸30的旋轉方向非用以限定本提案，第一傳動齒輪 14與第二傳動齒輪24兩者至少其一也可以相對轉軸30以順時針方向旋轉。由於第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的輪齒數相同，第一傳動齒輪14以第一轉速W1帶動連結齒輪34旋轉時，連結齒輪34也具有第一轉速W1。並且，第二傳動齒輪24又以第二轉速W2於連結齒輪34上旋轉，使得第二固定件22受第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的傳動關係而相對第一固定元件12有一關節轉速W。且由於第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24相對轉軸30的旋轉方向皆相同(第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24皆為相對轉軸30以逆時針方向旋轉)，使得關節轉速W與第一轉速W1及第二轉速W2間有以下關係式：關節轉速W=第二轉速W2-第一轉速W1

此時，本提案提供一種高反應力關節裝置的控制方法，請參照「第7A圖」，首先提供一高反應力關節裝置(S100)，並令第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24相對轉軸30的樞轉方向相同，且令第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24之間的相對轉速差等於零，以使第二固定元件22與第一固定元件12間的相對角位移速率等於零(S110)。本提案另提供一種高反應力關節裝置的控制方法，請參照「第7B圖」，首先提供一高反應力關節裝置(S200)，並令第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24相對轉軸30的樞轉方向相同，且令第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24之間的相對轉速差大於零，以使 第二固定元件22與第一固定元件12間的相對角位移速率大於零(S210)。關於以上的控制方法的來由可對照上述關係式，當第二轉速W2與第一轉速W1相同時，關節轉速W會為零，即第二固定元件22與第一固定元件12間保持靜止不動。當第二轉速W2大於第一轉速W1相同時，關節轉速W會大於零，即第二固定元件22相對第一固定元件12做一角位移動作。所以，改變第一轉速W1與第二轉速W2間的差值即可改變關節轉速W。若關節轉速W需要反轉時，只需使第二轉速W2小於第一轉速W1即可執行。

請參照「第3A圖」及「第3B圖」，「第3A圖」係為根據習知單驅動關節之反轉能力示意圖，「第3B圖」係為根據本提案一實施例之高反應力關節裝置之反轉能力示意圖。

習知單驅動關節由於僅具一馬達，所以於運轉當下若需執行反轉時，馬達會歷經減速、停止至反轉，如「第3A圖」所示，使得習知單驅動關節會有一段時間處於停頓狀態(如「第3A圖」時間段T1至T2)。本提案一實施例之高反應力關節裝置由於具有第一驅動馬達10與第二驅動馬達20的搭配，故關節轉速W需執行反轉時，只需將原本大於第一轉速W1的第二轉速W2減速，第一轉速W1則加速，當第一轉速W1大於第二轉速W2時，關節轉速W即達成反轉，使高反應力關節裝置具有快速反向運動的功效，如「第3B圖」 所示。故本實施例之高反應力關節裝置不需歷經第一驅動馬達10與第二驅動馬達20的反轉，即可使關節轉速W達成反轉之功效，使高反應力關節裝置於反轉時只有一瞬間之停頓(如「第3B圖」時間段T1點)。相較於習知單驅動關節於反轉時會有一段時間處於停頓狀態，本實施例之高反應力關節裝置具有高速反轉的特性，進而提升運轉之反應力。並且，由於本實施例之高反應力關節裝置之關節轉速W於反轉時，只需調整第一轉速W1與第二轉速W2的轉速差，因此第一驅動馬達10與第二驅動馬達20於常態下可不需執行反轉動作，如此一來也可避免高反應力關節裝置受齒輪間的背隙(backlash)影響，並進而提升高反應力關節裝置的運作之精確度。

綜合上述，本提案之高反應力關節裝置可藉由第一驅動馬達10之第一轉速W1與第二驅動馬達20之第二轉速W2間的搭配，即可組合出不同的關節轉速W。因此本提案之高反應力關節裝置可具有無段變速的功效，而無須使用額外的變速裝置來達成。

請參照「第4A圖」，「第4A圖」係為根據本提案另一實施例之高反應力關節裝置。本提案之高反應力關節裝置具有第一驅動馬達10及第二驅動馬達20。且第一驅動馬達10及第二驅動馬達20係分別固設於第一固定元件12及第二固定元件22上。第一驅動馬達10及第二驅動馬達20藉由 第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34而有互相傳動的關係。換句話說，高反應力關節裝置可同時由第一驅動馬達10及第二驅動馬達20提供其運轉的動力源。

其中，第一驅動馬達10的旋轉軸可以具有一第一轉速W1，使得固設於其上的第一傳動齒輪14以第一轉速W1相對轉軸30旋轉，且第一傳動齒輪14可以相對轉軸30以逆時針方向旋轉。另外，第二驅動馬達20的旋轉軸可以具有一第二轉速W2，使得固設於其上的第二傳動齒輪24以第二轉速W2相對轉軸30旋轉，且第二傳動齒輪24可以相對轉軸30以順時針方向旋轉。由於第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的輪齒數相同，第一傳動齒輪14以第一轉速W1帶動連結齒輪34旋轉時，連結齒輪34也具有第一轉速W1。並且，第二傳動齒輪24又以第二轉速W2於連結齒輪34上旋轉，使得第二固定元件22受第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24及連結齒輪34的傳動關係而相對第一固定元件12有一關節轉速W。且由於第一傳動齒輪14及第二傳動齒輪24相對轉軸30的旋轉方向相反，使得關節轉速W與第一轉速W1及第二轉速W2間有以下關係式：關節轉速W=第二轉速W2+第一轉速W1

因此，相較於習知的單驅動關節指使用一馬達來提供其運轉的動力源，本實施例之高反應力關節裝置具有高轉速及高剛性的特點，至於如何達成以上特點，將由以下例 子來說明。

請參照「第4B圖」及「第4C圖」，「第4B圖」係為根據習知單驅動關節之扭力與轉速關係圖，「第4C圖」係為根據本提案另一實施例之高反應力關節裝置之扭力與轉速關係圖。

以理論而言，相同一馬達的扭力與轉速之乘積會是一定值。若本實施例之高反應力關節裝置與習知的單驅動關節皆使用相同之馬達，且馬達的扭力與轉速之乘積為4000rpm-N-m(轉每分鐘-牛頓-公尺)時，習知的單驅動關節其輸出能力會有如「第4B圖」所示的關係。即當扭力為1 N-m時，其轉速為4000 rpm，當扭力為2 N-m時，其轉速為2000 rpm，如「第4B圖」所示。而本實施例之高反應力關節裝置其輸出能力會有如「第4C圖」所示的關係。由於本實施例之高反應力關節裝置具兩馬達，因此速度與扭力會是兩倍，意即當單一馬達扭力為1 N-m時，而轉速為4000 rpm時，兩馬達疊加所得的輸出能力為扭力2 N-m，而轉速為8000 rpm，如「第4C圖」所示。當單一馬達扭力為2 N-m時，而轉速為2000 rpm時，兩馬達疊加所所得的輸出能力為扭力4N-m，而轉速為4000 rpm，如「第4C圖」所示。比較「第4B圖」與「第4C圖」，當習知的單驅動關節與本實施例之高反應力關節裝置其轉速皆為4000rpm之條件下時，扭力大小則分別為1 N-m與4 N-m。意即，在相同轉速輸出下，本實施例之高反應力關節裝置的 扭力大小會是習知的單驅動關節之四倍，故有較大的剛性，以實現高負載輸出之需求。當習知的單驅動關節與本實施例之高反應力關節裝置其扭力大小皆為2 N-m之條件下時，轉速則分別為2000rpm與8000rpm。意即，在相同扭力輸出下，本實施例之高反應力關節裝置的轉速大小會是習知的單驅動關節之四倍，以實現高反應力輸出之需求。

回到「第1圖」並同時參照「第3A圖」及「第4C圖」，值得一提的，當關節轉速W滿足以下關係式：關節轉速W=第二轉速W2-第一轉速W1

且第二轉速W2與第一轉速W1相同時，關節轉速W會為零，即第二固定元件22與第一固定元件12間保持靜止不動。此時，可藉由同時降低第二轉速W2與第一轉速W1，使第一驅動馬達10與第二驅動馬達20的扭力相對提升，且關節轉速W依舊為零。在第二固定元件22與第一固定元件12間保持靜止不動的狀態下，藉由上述方式，可使本實施例之高反應力關節裝置的剛性提高，以增加負載力。

請參照「第5圖」，「第5圖」係為根據本提案又一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。由於本實施例與「第1圖」之實施例的差異點只在於增設周邊元件，因此只針對相異之處加以說明。

本實施例之高反應力關節裝置更包含有一控制單元90、距離感測元件60及一編碼器70。編碼器70設置於 轉軸30末端，並與控制單元90訊號連結。編碼器70用以量測第一固定元件12與第二固定元件22間的相對角位移量，並將角位移量之資料傳送給控制單元90。控制單元90並分別與第一驅動馬達10及第二驅動馬達20電性連接，並根據編碼器70所提供的資料來控制單元90控制第一轉速W1與第二轉速W2，以執行關節轉速W來驅動第二固定元件22相對第一固定元件12的角位移量與速度。

距離感測元件60設置於第二固定元件22上，並與控制單元90訊號連結。距離感測元件60用以感測第一固定元件12或第二固定元件22相對一環境物體80的距離，並將資料傳送給控制單元90以調整第一轉速W1與第二轉速W2，避免第一固定元件12或第二固定元件22與環境物體80互相碰撞，作為本實施例之高反應力關節裝置的安全防護措施。

另外，綜合前述實施例可知，當第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24相對轉軸30的樞轉方向相同，且第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24相對轉速差為零時，第一固定元件12與第二固定元件22之間會保持一靜止狀態。使用者可藉由調降第一傳動齒輪14、第二傳動齒輪24的轉速，而提高關節裝置的剛性，以增加負載力。是以，當上述的關節裝置被運用於一機械手臂並且此機械手臂正在撐持一物件時，若該機械手臂欲將此物件保持靜止不動狀態，則此關節裝置可 以進行以下的作動方式。若物件重量過重而超過機械手臂可負荷之剛性時，機械手臂便會受物件重量而強制彎曲，而使第一固定元件12自一第一位置相對第二固定元件22產生一相對角位移量而移動至一第二位置。此時本實施例係在第一固定元件12自第一位置移動至第二位置的過程中，將第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24的轉速同時調降，以增加機械手臂可負荷之剛性，使機械手臂的剛性克服被撐持的物件的重量，以將第一固定件維持在第二位置並且撐持住此物件。以下將對此方法進行更詳細地描述。

本提案另提供一種高反應力關節裝置的控制方法，請參照「第7C圖」，其繪示為依據本提案之一實施例之高反應力關節裝置的控制方法的流程示意圖。首先提供本實施例之高反應力關節裝置(S300)，並令第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24相對轉軸30的樞轉方向相同，且令第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24之間的相對轉速差為零(S310)。接著，令編碼器70偵測在一單位時間內第二固定件相對於第一固定元件12的一角度位移變化率(S320)，當角度位移變化率不等於零時，在維持第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24之間的相對轉速差為零的狀態下，同時降低第一傳動齒輪14與第二傳動齒輪24之轉速，直到角度位移量等於零(S330)。

請參照「第6圖」，「第6圖」係為根據本提案再一實施例之高反應力關節裝置的結構示意圖。由於本實施例 與「第5圖」之實施例結構大致相同，因此只針對相異加以說明。其中，距離感測元件60設置於外在環境，並與控制單元90訊號連結。距離感測元件60用以感測第一固定元件12或第二固定元件22相對一環境物體80的距離，並將資料傳送給控制單元90以調整第一轉速W1與第二轉速W2，避免第一固定元件12或第二固定元件22與環境物體80互相碰撞，提供本實施例之高反應力關節的安全防護措施。

由於習用的關節裝置不具有高反應力的特性，因此在安全防護措施上除了設置距離感測元件60，更需額外設置一能量吸收裝置，來停止高速運轉的關節裝置。本實施例之高反應力關節裝置具有高速反轉的特性，故只需設置距離感測元件60及可達成安全防護的要求。因此，運用本實施例之高反應力關節裝置的機械臂在成本上也可低於習用的機械臂之成本，故有利於將機械臂推廣至日常生活當中。

根據上述本實施例所揭露之高反應力關節裝置，由於具有雙馬達的設置，因此可提供關節裝置具有高轉速及高剛性的功能。相較於傳統單一馬達之關節裝置，本實施例之高反應力關節裝置在與傳統關節裝置於相同轉速下，具有較傳統關節裝置高出四倍的扭力，若本實施例之高反應力關節裝置在與傳統關節裝置於相同扭力下，則具有較傳統關節裝置高出四倍的轉速。

另外，本實施例之高反應力關節裝置可藉由控制 雙馬達間不同轉速的搭配，以及雙馬達間的轉速差，即可達成關節的無段變速以及快速反轉之功能，因此相較於傳統關節裝置，本實施例之高反應力關節裝置有更好的反應力。並且，本實施例之雙馬達於變速時，由於不需要反轉，因此可以消除背隙(backlash)影響關節裝置於運轉時的精確度。

此外，本實施例之高反應力關節裝置具有高反應力的特性，所以在安全防護措施的考量下，只需增設距離感測元件。相較於傳統關節裝置需搭配昂貴的諧和式減速機，本實施例之高反應力關節裝置之成本則更為低廉，使得價格更為平民化，並有利於將服務型機器人推廣至日常生活當中。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧第一驅動馬達

12‧‧‧第一固定元件

14‧‧‧第一傳動齒輪

20‧‧‧第二驅動馬達

22‧‧‧第二固定元件

24‧‧‧第二傳動齒輪

30‧‧‧轉軸

34‧‧‧連結齒輪

W1‧‧‧第一轉速

W2‧‧‧第二轉速

W‧‧‧關節轉速

Claims (12)

1. 一種高反應力關節裝置的控制方法，包含：提供一高反應力關節裝置，該高反應力關節裝置包含：一轉軸；二固定元件，該些固定元件藉由該轉軸而互相樞設；二驅動元件，分別固設於該些固定元件；二傳動齒輪，係分別連接於該些驅動元件，該些驅動元件分別驅動該些傳動齒輪旋轉；以及一連結齒輪，樞設於該些固定元件的其一，該連結齒輪的一樞轉軸心與該轉軸之軸心共軸線，該連結齒輪分別嚙合於該些傳動齒輪，該樞轉軸心與任一該些固定元件間的相對位置恆固定，該些傳動齒輪與該連結齒輪均為一傘齒輪，且該些傳動齒輪具有相同齒輪徑與輪齒數；以及令該些傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令該些傳動齒輪之間的相對轉速差為零，以使該些固定元件間的相對角位移速率為零。
2. 如請求項第1項所述之高反應力關節裝置的控制方法，其中該連結齒輪樞設於該轉軸上，且分別嚙合於該些傳動齒輪。
3. 如請求項第1項所述之高反應力關節裝置的控制方法，更包含至少一齒輪組，該齒輪組連接其中一該傳動齒輪與對應該傳動齒輪之該驅動元件。
4. 如請求項第1項所述之高反應力關節裝置的控制方法，其中該些傳動齒輪位於該連結齒輪之同一面。
5. 如請求項第1項所述之高反應力關節裝置的控制方法，其中該些傳動齒輪分別位於該連結齒輪之相對兩面。
6. 如請求項第1項所述之高反應力關節裝置的控制方法，更包含：一控制單元，連接該些驅動元件，該控制單元控制該些驅動元件之轉速；以及一距離感測元件，連接該控制單元，該距離感測元件偵測該些固定元件與一環境物體間的一距離，並傳送對應於該距離的一偵測值於該控制單元，該控制單元以該偵測值為依據而控制該些驅動元件之轉速。
7. 如請求項第6項所述之高反應力關節裝置的控制方法，其中該距離感測元件設置於該些固定元件，該距離感測元件偵測該些固定元件與該環境物體間的該距離。
8. 如請求項第6項所述之高反應力關節裝置的控制方法，其中該距離感測元件設置於該高反應力關節裝置周遭的環境，該距離感測元件偵測該些固定元件與該環境物體間的該距離。
9. 如請求項第6項所述之高反應力關節裝置的控制方法，更包含一編碼器，設置於該些固定元件間的樞轉處，該編碼器連接該控制單元，該編碼器量測該些固定元件間之相對 角度位移量，並將角度位移量的資訊傳送於該控制單元。
10. 一種高反應力關節裝置的控制方法，包含：提供一高反應力關節裝置，該高反應力關節裝置包含：一轉軸；二固定元件，該些固定元件藉由該轉軸而互相樞設；二驅動元件，分別固設於該些固定元件；二傳動齒輪，係分別連接於該些驅動元件，該些驅動元件分別驅動該些傳動齒輪旋轉；以及一連結齒輪，樞設於該些固定元件的其一，該連結齒輪的一樞轉軸心與該轉軸之軸心共軸線，該連結齒輪分別嚙合於該些傳動齒輪，該樞轉軸心與任一該些固定元件間的相對位置恆固定，該些傳動齒輪與該連結齒輪均為一傘齒輪，且該些傳動齒輪具有相同齒輪徑與輪齒數，該二傳動齒輪分別可相對連結齒輪而具有一第一轉速及一第二轉速；以及令該些傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令該第二轉速大於該第一轉速，以使該些固定元件間的相對角位移速率大於零。
11. 如請求項第10項所述之高反應力關節裝置的控制方法，在令該些傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令該第二轉速大於該第一轉速，以使該些固定元件間的相對角位移速率大於零的步驟後，更包含步驟：令該些傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令該第二轉速小於該第一轉速，以使該些固定元件間的相對角位移速率大於零。
12. 一種高反應力關節裝置的控制方法，包含：提供一高反應力關節裝置，該高反應力關節裝置包含：一轉軸；二固定元件，該些固定元件藉由該轉軸而互相樞設；二驅動元件，分別固設於該些固定元件；二傳動齒輪，係分別連接於該些驅動元件，該些驅動元件分別驅動該些傳動齒輪旋轉；一連結齒輪，樞設於該些固定元件的其一，該連結齒輪的一樞轉軸心與該轉軸之軸心共軸線，該連結齒輪分別嚙合於該些傳動齒輪，該樞轉軸心與任一該些固定元件間的相對位置恆固定；一控制單元，連接該些驅動元件，該控制單元控制該些驅動元件之轉速；一距離感測元件，連接該控制單元，該距離感測元件偵測該些固定元件與一環境物體間的一距離，並傳送對應於該距離的一偵測值於該控制單元，該控制單元以該偵測值為依據而控制該些驅動元件之轉速；一編碼器，設置於該些固定元件間的樞轉處，該編碼器連接該控制單元，該編碼器量測該些固定元件間之相對角度位移量，並將角度位移量的資訊傳送於該控制單元；令該些傳動齒輪相對該轉軸的樞轉方向相同，並且令該些傳動齒輪之間的相對轉速差為零；令該編碼器偵測該些固定元件在一單位時間內，其中一該固定元 件相對於另一該固定元件的一角度位移變化率；以及當該角度位移變化率不等於零時，維持該些傳動齒輪之間的相對轉速差為零的狀態並且降低該些傳動齒輪之轉速。