TWI494200B - The driving device of humanoid arm - Google Patents

Description

仿人機械手臂之驅動裝置

本發明係一種仿人機械手臂之驅動裝置，尤指一種設有複數關節元件及氣壓式致動元件，同時配合回授補償之機制，俾形成可進行多個自由度之運動與控制者。

按，隨著工業機械化和自動化的發展，為了大幅減省人力成本，並降低人類於危險環境中工作，主要係透過各式機械手臂模仿人類的四肢動作，以完成如夾持、加工、分類等工作需求，同時為因應多元且複雜之產業製造方式，使得機械手臂之技術發展須不斷朝高精密度之目標進步。

近年來，更是配合氣動技術之研發，於各領域中廣泛應用氣壓式機械手臂，其係一種具有良好的柔順性能之機器人手臂，由於氣壓式機械手臂不但結構簡單、功率/自重比大，且具有柔順性佳等優點，有助於其在仿生機器人、仿生醫學及服務機器人等領域之應用。

所述氣壓式機械手臂係設置有氣壓肌肉，而所述氣壓肌肉(Pneumatic Muscle,PM)為拉伸型氣壓驅動器，是現代氣壓技術與機器人技術、仿生技術與醫療技術等相互結合下之產物，再者，與傳統氣壓缸之驅動方式相較之下，所述氣壓肌肉不僅重量輕、輸出力與缸徑比大，以及柔順性佳外，於使用上還具有安全方便之特點。

然，人類四肢的關節構造非常精細，所能達成之動作與功能極為靈巧且複雜，對於習知機械手臂之結構而言，尚無法達到多自由度 轉動之目標，造成完全自動化，以及高精準度之技術發展受到侷限；所述氣壓肌肉則具有高度的非線性與時變性，再加上氣體具可壓縮性之因素，導致氣壓肌肉於實際應用時，存有難以控制之缺失，進而造成氣壓肌肉之適用範圍與推廣受限。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究機械手臂之結構，並針對氣壓肌肉系統之關鍵技術應用進行研發，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世，藉以促進氣壓伺服控制技術之發展，以及擴展氣壓肌肉驅動器之應用領域。

緣是，本發明之目的係為解決習知機械手臂構造，存有無法達到似人類四肢運動之方式，意即不具有多自由度轉動之缺失，再者，目前應用於機械手臂之氣壓肌肉，在實際操作上產生難以控制之問題，進而影響其相關技術之應用與推廣。

為達致以上目的，吾等發明人提供一種仿人機械手臂之驅動裝置，其包含：一第一關節元件，係分別朝其相對端連結一第二關節元件及一第三關節元件，且該第一關節元件與該第二關節元件、第三關節元件之間係樞設一連結軸及至少一致動元件，該第一關節元件樞接所述連結軸及致動元件之軸向係垂直於該第二關節元件與第三關節元件樞接者；以及一氣壓供應單元，係透過一伺服閥而連接所述致動元件，該伺服閥係控制該氣壓供應單元輸予所述致動元件之氣壓值，令所述致動元件受氣壓變化而呈伸縮位移，並同步驅使該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件移動與旋轉。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，更包含有一控制單元，其一端係耦接該第一關節元件、第二關節元件、第三關節元件及氣壓 供應單元，另端則係與一壓力感測元件呈電性連結，該壓力感測元件係感應該氣壓供應單元之氣壓值。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，更包含有一控制單元，其一端係耦接該第一關節元件、第二關節元件、第三關節元件及氣壓供應單元，另端則係與一位移感測元件呈電性連結，該位移感測元件係感應該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之位移量及角度旋轉量。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該控制單元另端係更進一步與一位移感測元件呈電性連結，該位移感測元件係感應該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之角度旋轉量，又，該控制單元預設有位移目標值及角度目標值，於該控制單元接收並分析所述氣壓值、位移量及角度旋轉量，將獲知所述位移量、角度旋轉量與位移目標值、角度目標值之誤差，藉以回授補償並管控該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之運動軌跡。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，所述致動元件為複數者，該等致動元件係環設於該連結軸。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該第二關節元件係裝設於一基座，且該第三關節元件更設置一夾持元件。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，所述致動元件為氣壓肌肉，且所述致動元件係包含至少一鋼索，並分別藉由所述鋼索連接至該第一關節元件、第二關節元件與第三關節元件。

據上所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該基座之底部係更設有至少一腳架或滾輪。

藉由上述設置，與先前技術相較之下，本發明主要係利用所述致動元件驅使該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件作動， 並於該第三關節元件設置夾持元件，令本發明得以進行複數自由度運動，即令該夾持元件對應一物品而夾取，且藉由所述致動元件之伸縮範圍、反應時間及力道，其係與動物肌肉之運作特性極為相似，同時透過該壓力感測元件及位移感測元件之設置，將所述氣壓值、位移量及角度旋轉量傳送予該控制單元分析運算，以達到持續回授補償之機制，並管控該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之運動軌跡，故具有多個自由度之運動、良好的運動軌跡控制之優點及功效，進而可大幅提升夾取、加工或分類作業之精準度。

〔本發明〕

1‧‧‧第一關節元件

2‧‧‧第二關節元件

3‧‧‧第三關節元件

31‧‧‧夾持元件

4‧‧‧連結軸

5‧‧‧致動元件

51‧‧‧鋼索

52‧‧‧氣壓供應單元

53‧‧‧伺服閥

6‧‧‧基座

61‧‧‧動力單元

7‧‧‧控制單元

8‧‧‧壓力感測元件

9‧‧‧位移感測元件

第1圖係本發明之方塊圖。

第2圖係本發明之立體外觀示意圖。

第3圖係本發明之前視示意圖。

第4圖係本發明於前視之一作動狀態示意圖。

第5圖係本發明於側視之另一作動狀態示意圖。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供 鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖至第4圖所示，本發明係一種仿人機械手臂之驅動裝置，其包含：一第一關節元件1，係分別朝其相對端連結一第二關節元件2及一第三關節元件3，且該第一關節元件1與該第二關節元件2、第三關節元件3之間係樞設一連結軸4及至少一致動元件5，該等致動元件5係環設於該連結軸4，所述致動元件5為氣壓肌肉，且所述致動元件5係包含至 少一鋼索51，並分別藉由所述鋼索51連接至該第一關節元件1、第二關節元件2與第三關節元件3，該第一關節元件1樞接所述連結軸4及致動元件5之軸向係垂直於該第二關節元件2與第三關節元件3樞接者，該第二關節元件2係裝設於一基座6，該基座6於適處設置一動力單元61，該動力單元61為步進馬達，以作為本發明之動力來源，並於該基座6之底部更設有至少一腳架或滾輪，且該第三關節元件3更設置一夾持元件31，該夾持元件31為氣壓夾爪，以本實施例而言，此氣壓夾爪係採用Festo公司提供之DHDG-W-80，85mm，DHAS-GF-B15-85-9之型號者；一氣壓供應單元52，係透過一伺服閥53而連接所述致動元件5，該伺服閥53係控制該氣壓供應單元52輸予所述致動元件5之氣壓值，令所述致動元件5受氣壓變化而呈伸縮位移，並同步驅使該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3移動與旋轉；以及一控制單元7，其一端係耦接該第一關節元件1、第二關節元件2、第三關節元件3及氣壓供應單元52，另端則係電連接一壓力感測元件8及一位移感測元件9，該壓力感測元件8係感應該氣壓供應單元52之氣壓值，該位移感測元件9係感應該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3之位移量及角度旋轉量，又，該控制單元7預設有位移目標值及角度目標值，於該控制單元7接收並分析所述氣壓值、位移量及角度旋轉量，將獲知所述位移量、角度旋轉量與位移目標值、角度目標值之誤差，藉以回授補償並管控該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3之運動軌跡。

關於本發明之作動狀態，續請再次參閱第4圖所示，該等致動元件5係分別接收該氣壓供應單元52所輸予之氣壓值，而呈相異之伸縮位移，並同步驅使該第一關節元件1朝右方轉動，在此作動過程中，欲 令該夾持元件31對應抓取一物品，該控制單元7係分析並運算所述氣壓值、位移量及角度旋轉量，將獲知所述位移量、角度旋轉量與位移目標值、角度目標值之誤差，也就是透過運算得到所述誤差之變化量，藉以回授補償所述氣壓值、位移量及角度旋轉量，使該第三關節元件3驅動至精準之位置，進而完成高精密度之夾選工作，又，請參閱第5圖所示，係相異於前述之作動狀態，該等致動元件5同樣係分別接收該氣壓供應單元52所輸予之氣壓值，而呈相異之伸縮位移，概如圖所示般帶動該第二關節元件2朝前方樞轉，為達成該夾持元件31準確抓取物品之工作，復依前理由所述，該控制單元7係藉由回授補償之機制，並管控該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3之運動軌跡，綜而言之，該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3係可分別朝相異方向作動，以本實施例之第一關節元件1往右旋轉之同時，該第二關節元件2與第三關節元件3亦能往前方轉動，即具有進行多個自由度之作動狀態；該第三關節元件3係可依照相異工作需求，而裝配不同的夾選或加工元件，意即該第三關節元件3並不以設置夾持元件31為限定，特予敘明。

是由上述說明及設置，顯見本發明係藉由該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3之設置，並透過該壓力感測元件8及位移感測元件9，分別偵測該氣壓供應單元52、該第一關節元件1、第二關節元件2及第三關節元件3，於傳送所述氣壓值、位移量及角度旋轉量至該控制單元7，經分析運算其與預設位移目標值及角度目標值之誤差後，得以回授補償並精確管控本發明之運動軌跡，俾具有結構簡單、重量輕、反應快、輸出力/自重比大，以及無污染之優點，且所述致動元件5係具有柔性而無損害物品之虞，其伸縮範圍、反應時間、力道及長度，皆係與動物肌肉之運作方式極為相近，以達成類同動物關節之平滑動作，更進一步而言， 本發明係能根據工作需求而配置相異夾選或加工元件，並可進行多個自由度之運動，以及高度運動軌跡管控之功效，意即大幅提升夾取、加工或分類作業之精準度。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈 鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧第一關節元件

2‧‧‧第二關節元件

3‧‧‧第三關節元件

31‧‧‧夾持元件

4‧‧‧連結軸

5‧‧‧致動元件

6‧‧‧基座

61‧‧‧動力單元

Claims (9)

1. 一種仿人機械手臂之驅動裝置，其包含：一第一關節元件，係分別朝其相對端連結一第二關節元件及一第三關節元件，且該第一關節元件與該第二關節元件、第三關節元件之間係樞設一連結軸及至少一致動元件，該第一關節元件樞接所述連結軸及致動元件之軸向係垂直於該第二關節元件與第三關節元件樞接者；以及一氣壓供應單元，係透過一伺服閥而連接所述致動元件，該伺服閥係控制該氣壓供應單元輸予所述致動元件之氣壓值，令所述致動元件受氣壓變化而呈伸縮位移，並同步驅使該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件移動與旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，更包含有一控制單元，其一端係耦接該第一關節元件、第二關節元件、第三關節元件及氣壓供應單元，另端則係與一壓力感測元件呈電性連結，該壓力感測元件係感應該氣壓供應單元之氣壓值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，更包含有一控制單元，其一端係耦接該第一關節元件、第二關節元件、第三關節元件及氣壓供應單元，另端則係與一位移感測元件呈電性連結，該位移感測元件係感應該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之位移量及角度旋轉量。
4. 如申請專利範圍第2項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該控制單元另端係更進一步與一位移感測元件呈電性連結，該位移感測元件係感應該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之角度旋轉量，又，該控制單元預設有位移目標值及角度目標值，於該控制單元接收並分析所述氣壓值、位移量及角度旋轉量，將獲知所述位移量、角度旋轉量與位移目標值、角度目標值之誤差，藉以回授補償並管控該第一關節元件、第二關節元件及第三關節元件之運動軌跡。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，所述致動元件為複數者，該等致動元件係環設於該連結軸。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該第二關節元件係裝設於一基座，且該第三關節元件更設置一夾持元件。
7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，所述致動元件為氣壓肌肉，且所述致動元件係包含至少一鋼索，並分別藉由所述鋼索連接至該第一關節元件、第二關節元件與第三關節元件。
8. 如申請專利範圍第6項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該基座之底部係更設有至少一腳架。
9. 如申請專利範圍第6項所述之仿人機械手臂之驅動裝置，其中，該基座之底部係更設有至少一滾輪。