TWI605919B

TWI605919B - 機械手臂

Info

Publication number: TWI605919B
Application number: TW105127448A
Authority: TW
Inventors: 黃榮堂; 王昱中
Original assignee: 黃榮堂
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2017-11-21
Also published as: CN107775633A; TW201806716A; CN207593798U

Description

機械手臂

本發明是有關於一種機械手臂，且特別是有關於一種仿人機械手臂。

目前工業用機械人的發展已到成熟的地步，已經有幾種經典款式的機器人。而在服務型機器人方面，由於開發的理念與目標不同，因此有相當多不同樣式的服務型機器人，其各有優缺點且能完成的任務也有所區別，舉例說明如下。

豐田(TOYOTA)所開發的Human Support Robot(HSR)，其目的為幫助人們的日常生活，融入於家庭內與家庭成員共存，改善整體生活質量，並且以緊湊(Compact)、輕量機體(Lightweight Body)、安全互動(Safe Interaction)、簡易介面(Simple Interface)兼顧的機器人為其特點。該機器人具有一機械手臂配合兩指夾持器、視覺辨識功能、環境識別與自主移動、遠程遙控…等功能。

日本獨立行政法人理化學研究所(Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN)在2006年提出RI-MAN機器人，希望能藉其抬舉人類，但並未實現。RIKEN在2011年與東海橡膠工業聯合設計出全球第一款能用機械手臂抱起人類的機器人，名為Robot for Interactive Body Assistance(RIBA)，其特色為雙臂可以抱起60kg的人類或重物，手臂上設有多個觸覺感測器，外層用泡沫聚苯乙烯包覆，避免使用者碰撞時感到不舒服。

美國Willow Garage公司所開發出的個人機器人(Personal Robot 2，PR2)是硬體與軟體功能非常強大的機器人平台。其被研發出來的主要目的，是希望讓軟體開發者排除掉硬體上的問題，提供軟體給開發者一個完整功能的平台，讓使用者透過開源(Open Source)軟體開發出機器人的各種應用程式，而這軟體就是目前學術界常用的機器人作業系統ROS，使PR2能在複雜環境的辦公室裡自由的行走。除自動導航外，其主要的軟體功能多數應用於影像和手臂上，該平台有兩個具7個自由度的手臂，皆能透過手臂上的手爪來執行現實世界中的任務。

Willow Garage公司的轉投資公司Unbounded Robotics，也推出一款成本僅PR2十分之一的服務型機器人UBR-1，UBR-1有一個可上下伸縮機構，最高可升到52英寸，而配置七個自由度機械手臂，可以舉起達1.5公斤的重物品，UBR-1機器人專為研究人員與企業設計，透過ROS作為軟體架構的最先進的移動操作平台。該公司團隊現今已停產。

Pepper機器人，由日本電信商軟體銀行(Softbank)與法國公司Aldebaran Robotics共同研發，並委由台灣鴻海公司代工製造。Pepper是首款用來陪伴人類的機器人，以互動為其核心概念，不適合執行家事，主要著重於能說話，能識別使用者的情緒，能自主移動和生活。感測方面具有聽覺、觸覺以及感情系統，也能利用網路幫助使用者。硬體上主要搭載了3D攝影機、觸控螢幕與超音波感測器，來與人互動同時確保安全。移動方面採用三顆萬向輪能自由移動，全身一共具有17個防夾關節。

此外，國際專利編號WO2015131904A1揭露一種用於工業機器人的安全系統，其在機器人的馬達與輸出軸處分別配置感測器，並藉由比較所述感測器之回傳值來判斷機器人的作動狀態，若其系統依據所述回傳值判斷需停止作動時，需主動藉由煞車裝置來阻止機器人繼續作動，故在作動方式上較為複雜且無法達到自動鎖定而停止作動的效果。

上列服務型機器人，不論是由學術界或是業界所開發都有不同的目的及功能，然皆朝向與人共存、安全考量、協助人類等為開發目標。因此，開發出一款能與人安全共存、協助人類、高負重能力、甚至能判別情緒等等的多功能服務型機器人，有相當的迫切需求存在，使服務型機器人能真正地協助人類。

本發明提供一種機械手臂，為具有高扭矩、高靈活度及高工作空間之仿人居家照護型機械手臂，並具有與人協同工作的機能。

本發明的機械手臂包括一基座、一上臂、一下臂及多個關節。一關節連接於基座與上臂之間，另一關節連接於上臂與下臂之間，又一關節連接於下臂的一末端。各關節包括一等比傘齒輪機構，各等比傘齒輪機構包括兩馬達、兩第一等比傘齒輪及一第二等比傘齒輪。兩馬達分別連接兩第一等比傘齒輪，兩第一等比傘齒輪皆連接於第二等比傘齒輪。兩馬達適於藉由兩第一等比傘齒輪而驅動第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動，以提供各關節兩個轉動自由度。

在本發明的一實施例中，當兩馬達分別驅動兩第一等比傘齒輪沿一第一軸正轉時，兩第一等比傘齒輪驅動第二等比傘齒輪沿第一軸正轉，當兩馬達分別驅動兩第一等比傘齒輪沿第一軸反轉時，兩第一等比傘齒輪驅動第二等比傘齒輪沿第一軸反轉。

在本發明的一實施例中，當一馬達驅動對應的第一等比傘齒輪沿一第一軸正轉且另一馬達驅動對應的第一等比傘齒輪沿第一軸反轉時，兩第一等比傘齒輪驅動第二等比傘齒輪沿一第二軸正轉或反轉。

在本發明的一實施例中，上述的機械手臂包括至少一壓力感測器，其中壓力感測器配置於機械手臂的外部，當壓力感測器感測到機械手臂的外部受一外力時，機械手臂適於停止作動，當壓力感測器感測到機械手臂的外部持續受外力時，機械手臂適於沿外力的作用方向作動。

在本發明的一實施例中，上述的各關節包括至少一蝸桿、至少一蝸輪及至少一碰撞偵測模組，蝸桿連接於一馬達與蝸輪之間，蝸輪連接於蝸桿與對應的第一傘齒輪之間，碰撞偵測模組配置於蝸輪，當碰撞偵測模組偵測來自蝸輪的加速度值不同於一預期值時，各馬達停止作動。

在本發明的一實施例中，上述的馬達適於透過蝸桿而帶動蝸輪，且當馬達停止作動且蝸輪受力時，蝸桿不被蝸輪帶動以使機械手臂自動鎖定。

在本發明的一實施例中，上述的各關節包括一位置感測器、一運動感測器及一減速機構，減速機構連接於對應的馬達，位置感測器配置於對應的馬達，運動感測器配置於減速機構且適於監控減速機構的實際加速度及實際轉速，位置感測器適於感測馬達的輸出以推算出減速機構的預期加速度值與預期轉速值，當減速機構的實際加速度值及實際轉速值不同於減速機構的預期加速度值與預期轉速值時，依據減速機構的實際加速度值及實際轉速值調整馬達的輸出，直到減速機構的實際加速度值及實際轉速值相同於減速機構的預期加速度值與預期轉速值。

在本發明的一實施例中，上述的運動感測器包括加速度計、陀螺儀或磁力計。

基於上述，在本發明的機械手臂的各關節中，兩馬達分別驅動兩第一等比傘齒輪轉動，以利用兩第一等比傘齒輪共同驅動第二等比傘齒輪轉動。據此，可藉由控制兩第一等比傘齒輪的轉向為相同或相反來驅動第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動，使機械手臂的每一關節如同人體手臂的關節般擁有兩個自由度，而可成為具有高靈活度及高工作空間之仿人居家照護型機械手臂。此外，由於機械手臂的每一關節是藉由兩個馬達來共同驅動，故具有高扭矩以提供良好的負重能力。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例的機械手臂的立體圖。請參考圖1，本實施例的機械手臂100包括基座110、上臂120、下臂130、法蘭盤140及多個關節150、160、170。基座110內設置用以提供機械手臂100第一、第二作動自由度之機構，即連接於基座110與上臂120之間的關節150。上臂120內設置用以提供機械手臂100第三、第四作動自由度之機構，即連接於上臂120與下臂130之間的關節160。下臂130內設置用以提供機械手臂100第五、第六作動自由度之機構，即連接於下臂130之末端且連接於法蘭盤140的關節170。

圖2繪示圖1的機械手臂與人體的手臂之比對。請參考圖2，連接於基座110與上臂120之間的關節150，相當於人體之肩關節150’。連接於上臂120與下臂130之間的關節160，相當於人體之肘關節160’。連接於下臂130與法蘭盤140之間的關節170，相當於人體之腕關節170。

以下具體說明圖1的關節150的機構組成。圖3A是圖1的基座與上臂之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖3B是圖1的基座與上臂之間的關節的部分構件立體圖。請參考圖3A及圖3B，關節150包括一等比傘齒輪機構，此等比傘齒輪機構包括兩馬達152、兩第一等比傘齒輪154及一第二等比傘齒輪156。各馬達152配置於圖1所示的基座110，且依序藉由蝸桿152a、蝸輪152b、正齒輪152c、正齒輪152d、正齒輪152e、正齒輪152f而連接於對應的第一等比傘齒輪154，其中蝸桿152a、蝸輪152b、正齒輪152c、正齒輪152d、正齒輪152e、正齒輪152f及第一等比傘齒輪154構成一組減速機構，用以進行大減速比。為使圖式較為清楚，圖3B僅繪示出一馬達152及一組減速機構，關節150實際上包含對稱的兩組減速機構。

在本實施例中，正齒輪152c例如為十二齒，正齒輪152d例如為七十二齒，正齒輪152e例如為十三齒，正齒輪152f例如為五十二齒。蝸輪152b同軸連接正齒輪152c，再傳動於正齒輪152d及與之同軸的正齒輪152e，再傳動於正齒輪152f及與之同軸的第一等比傘齒輪154，以驅動連接於兩第一等比傘齒輪154的第二等比傘齒輪156，進而驅動連接於第二等比傘齒輪156的上臂120(繪示於圖1)。

以下具體說明圖1的關節160的機構組成。圖4A是圖1的上臂與下臂之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖4B是圖1的上臂與下臂之間的關節的部分構件立體圖。請參考圖4A及圖4B，關節160包括一等比傘齒輪機構，此等比傘齒輪機構包括兩馬達162、兩第一等比傘齒輪164及一第二等比傘齒輪166。各馬達162配置於圖1所示的上臂120，且依序藉由蝸桿162a、蝸輪162b、正齒輪162c、正齒輪162d而連接於對應的第一等比傘齒輪164，其中蝸桿162a、蝸輪162b、正齒輪162c、正齒輪162d及第一等比傘齒輪164構成一組減速機構，用以進行大減速比。為使圖式較為清楚，圖4B僅繪示出一馬達162及一組減速機構，關節160實際上包含對稱的兩組減速機構。

在本實施例中，正齒輪162c例如為三十五齒，正齒輪162d例如為三十五齒。蝸輪162b同軸連接正齒輪162c，再傳動於正齒輪162d及與之同軸的第一等比傘齒輪164，以驅動連接於兩第一等比傘齒輪164的第二等比傘齒輪166，進而驅動連接於第二等比傘齒輪166的下臂130(繪示於圖1)。

以下具體說明圖1的關節170的機構組成。圖5A是圖1的下臂與法蘭盤之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖5B是圖1的下臂與法蘭盤之間的關節的部分構件立體圖。請參考圖5A及圖5B，關節170包括一等比傘齒輪機構，此等比傘齒輪機構包括兩馬達172、兩第一等比傘齒輪174及一第二等比傘齒輪176。各馬達172配置於圖1所示的下臂130，且依序藉由蝸桿172a、蝸輪172b、皮帶輪172c、皮帶172d、皮帶輪172e而連接於對應的第一等比傘齒輪174，其中蝸桿172a、蝸輪172b、皮帶輪172c、皮帶172d、皮帶輪172e及第一等比傘齒輪174構成一組減速機構，用以進行大減速比。為使圖式較為清楚，圖5B僅繪示出一馬達172及一組減速機構，關節170實際上包含對稱的兩組減速機構。

在本實施例中，皮帶輪172c例如為十四齒，皮帶輪172e例如為二十八齒。蝸輪172b同軸連接皮帶輪172c，經由皮帶172d傳動給皮帶輪172e及與之同軸的第一等比傘齒輪174，以驅動連接於兩第一等比傘齒輪174的第二等比傘齒輪176，進而驅動連接於第二等比傘齒輪176的法蘭盤140。法蘭盤4可裝配機械手使用。

圖6繪示圖3A的第一等比傘齒輪及第二等比傘齒輪。在上述配置方式之下，可藉由控制兩第一等比傘齒輪154的轉向為相同或相反來驅動第二等比傘齒輪156沿圖6的第一軸A1轉動或沿圖6的第二軸A2轉動，使機械手臂100的關節150如同人體手臂的關節般擁有兩個自由度，而能夠完成機械手臂100的所述第一、第二自由度的操作。類似地，可藉由控制兩第一等比傘齒輪164的轉向為相同或相反來驅動第二等比傘齒輪166沿兩不同軸轉動，使機械手臂100的關節160如同人體手臂的關節般擁有兩個自由度，而能夠完成機械手臂100的所述第三、第四自由度的操作。類似地，可藉由控制兩第一等比傘齒輪174的轉向為相同或相反來驅動第二等比傘齒輪176沿兩不同軸轉動，使機械手臂100的關節170如同人體手臂的關節般擁有兩個自由度，而能夠完成機械手臂100的所述第五、第六自由度的操作。

詳細而言，以圖6所示第一等比傘齒輪154及第二等比傘齒輪156為例，當兩馬達152(繪示於圖3A)分別驅動圖6的右側的第一等比傘齒輪154與圖6的左側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1同時正轉，可使第二等比傘齒輪156繞第一軸A1正轉。反之，當兩馬達152(繪示於圖3A)分別驅動圖6的右側的第一等比傘齒輪154與圖6的左側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1同時反轉，可使第二等比傘齒輪156繞第一軸A1反轉。另一方面，當一馬達152(繪示於圖3A)驅動圖6的右側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1正轉，而另一馬達152(繪示於圖3A)驅動圖6的左側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1反轉，可使第二等比傘齒輪156繞第二軸A2正轉。反之，當一馬達152(繪示於圖3A)驅動圖6的右側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1反轉，而另一馬達152(繪示於圖3A)驅動圖6的左側的第一等比傘齒輪154沿第一軸A1正轉，可使第二等比傘齒輪156繞第二軸A2反轉。本實施例的關節160之第一等比傘齒輪164、第二等比傘齒輪166以及關節170之第一等比傘齒輪174、第二等比傘齒輪176亦藉此作動方式而皆具有兩軸向的轉動自由度。

為提高機械手臂100的安全係數，關節150如上述般採用等比傘齒輪機構並藉由兩個馬達152來共同驅動，關節160如上述般採用等比傘齒輪機構並藉由兩個馬達162來共同驅動，關節170如上述般採用等比傘齒輪機構並藉由兩個馬達172來共同驅動，以具有高扭矩而提供良好的負重能力。

圖7是本發明另一實施例的機械手臂的立體圖。在圖7的機械手臂200中，基座210、上臂220、下臂230、法蘭盤240、關節250、260、270的配置與作用方式類似圖1的基座110、上臂120、下臂130、法蘭盤140、關節150、160、170的配置與作用方式，於此不在贅述。機械手臂200與機械手臂100的不同處在於，機械手臂200包括多個壓力感測器280，壓力感測器280配置於機械手臂200的外部。具體而言，壓力感測器280例如是配置於機械手臂200的可活動的上臂220及下臂230的外殼上，而基座210因不活動，故可不配置壓力感測器。當壓力感測器280感測到機械手臂200的外部受外力時，機械手臂200可據以停止當前作動，以防止與外部物體撞擊。此外，當壓力感測器280感測到機械手臂200的外部持續受外力時，機械手臂200可據以沿外力的作用方向作動，讓使用者可直接施力於機械手臂200而直接調整、變換機械手臂200的姿態。

圖8是本發明另一實施例的機械手臂於關節處的部分構件立體圖。圖9繪示圖8的機械手臂碰撞障礙物。在圖8及圖9所示實施例的機械手臂300中，基座310、上臂320、下臂330、法蘭盤340、關節350、360、370、馬達352、蝸桿352a、蝸輪352b的配置與作用方式類似於圖1及圖3B的基座110、上臂120、下臂130、法蘭盤140、關節150、160、170、馬達152、蝸桿152a、蝸輪152b的配置與作用方式，於此不再贅述。圖8、9所示實施例與圖1、3B所示實施例的不同處在於，圖8、9實施例的機械手臂300包括碰撞偵測模組390，碰撞偵測模組390例如包含六軸感測器(加速度計、陀螺儀或磁力計等)且配置於蝸輪352b。當馬達352透過蝸桿352a而帶動蝸輪352b且碰撞偵測模組390偵測來自蝸輪352b的加速度值不同於一預期值時，馬達352據以停止作動。藉此，可監控關節加速度、轉速之狀況，利用軌跡規劃代入機械手臂的運動學或動力學模型，由蝸桿352a處安裝的碰撞偵測模組390輸出值，可以推算出減速機構輸出軸應有的加速度與轉速，或是推算出角加速度。當回授加速度值有不如預期之增加、減少，則系統判定為碰撞、撞擊、滑落等突發狀況(如碰撞到圖9所示的障礙物50，或是有人或動物非預期地靠近與接觸機械手臂300造成阻擋)，下命令馬達352停止運動，此時利用動力傳遞方向無法由蝸輪352b傳遞給蝸桿352a之特性，在馬達352停止動作後，蝸桿352b不會被蝸輪352a帶動，故失去動力源的機械手臂300不會因外力作用而造成旋轉、位移，如此無需加裝剎車系統，也可讓機械手臂300完成停機，使機械手臂300自動鎖定，故相較於前述國際專利編號WO2015131904A1所揭露之機器人需主動藉由煞車裝置來阻止機器人繼續作動，本實施例的機械手臂300藉由較為簡單的設計方式達到自動鎖定而停止作動的效果。此偵測模組390可用於基座310與上臂320之間的關節350、上臂320與下臂330之間的關節360及下臂330與法蘭盤340之間的關節370。

以下藉由圖式說明機械手臂之上述作動的具體流程。圖10是圖9的機械手臂的作動流程圖。首先，機械手臂的系統輸入位置、速度、加速度命令(步驟S602)。接著，判斷系統命令是否動作(步驟S604)。若機械手臂在進行步驟S604時非符合所述命令之作動狀態，則判斷為系統命令需作動並使馬達動作(步驟S606)，且六軸感測器讀取輸出軸動作(步驟S608)並回傳值(步驟S610)。反之，若機械手臂在進行步驟S604時符合所述命令之作動狀態，則判斷為系統命令不需作動並直接進行步驟S610。

然後，回傳值與馬達軸感測器和系統命令比較(步驟S612)，以判斷是否發生碰撞(步驟S614)。若在進行步驟S614時判斷為未發生碰撞，則判斷是否完成命令(步驟S616)。若在進行步驟S616時判斷為完成命令，則機械手臂完成動作(步驟S618)。若在進行步驟S616時判斷為未完成命令，則回到步驟S606。此外，若在進行步驟S614時判斷為發生碰撞，則輸入停止命令(步驟S620)且馬達停止動作(步驟S622)，從而機械手臂停止動作(步驟S624)。

在一實施例中，於機械手臂各關節部分的馬達輸出軸安裝一位置感測器、轉速感測器、或電流感測器等至少其中之一，而減速機構輸出軸加裝一運動感測器(加速度計、陀螺儀、磁力計等)，可監控各關節加速度、轉速之狀況，利用軌跡規劃代入機械臂的動力學模型，由馬達輸出軸安裝的感測器輸出值，可以推算出減速機構輸出軸應有的加速度與轉速，或是推算出角加速度。若有不如預期之增加、減少，則判定為阻擋、碰撞、撞擊、滑落等突發狀況，如碰撞到障礙物，或是有人或動物非預期地靠近與接觸機械手臂造成阻擋，馬達立即停止運動，並利用蝸桿與蝸輪組動力傳遞方向不可逆的特性，機械手臂無須外加剎車，即可完成停機的動作。

在一實施例中，於機械手臂各關節部分的馬達輸出軸安裝一位置感測器、轉速感測器、或電流感測器等至少其中之一，而減速機構輸出軸加裝一應變計、荷重計等，可監控各關節受力之狀況，利用軌跡規劃代入機械臂的動力學模型，由馬達輸出軸安裝的感測器輸出值，可以推算出減速機構輸出軸應有的受力，或是馬達應有的驅動電流。若有不如預期之增加、減少，則判定為阻擋、碰撞、撞擊、滑落等突發狀況，如碰撞到障礙物，或是有人或動物非預期地靠近與接觸機械手臂造成阻擋，馬達立即停止運動，並利用蝸桿與蝸輪組動力傳遞方向不可逆的特性，機械手臂無須外加剎車，即可完成停機的動作。

在一實施例中，於機械手臂各關節部分的馬達輸出軸安裝一位置感測器、轉速感測器、或電流感測器等至少其中之一，而減速機構輸出軸加裝一運動感測器(加速度計、陀螺儀、磁力計等)，可監控各關節的減速機構的實際加速度、實際轉速之狀況。位置感測器則可感測馬達的輸出以推算出減速機構的預期加速度值與預期轉速值，並利用軌跡規劃代入機械臂的動力學模型推算出減速機構輸出軸應有的預期加速度與預期轉速，或是推算出減速機構輸出軸應有的角加速度，或是推算出馬達應有的驅動電流。當減速機構的實際加速度值及實際轉速值不同於減速機構的預期加速度值與預期轉速值時，即有不如預期之增加、減少，則判定為阻擋、碰撞、撞擊、滑落等突發狀況，如碰撞到障礙物，或是有人或動物非預期地靠近與接觸機械手臂造成阻擋，可以藉由減速機構輸出軸加裝的各種感測器產生的量測值推斷所受到的阻力或障礙物是否解除。若未解除，可藉由代入機械臂的動力學模型推算阻力或障礙的作用處，並由作用處推算各關節的馬達控制，來降低阻力或障礙的作用，直到消除為止。亦即，依據減速機構的實際加速度值及實際轉速值調整馬達的輸出，直到減速機構的實際加速度值及實際轉速值相同於或接近於減速機構的預期加速度值與預期轉速值。

綜上所述，在本發明的機械手臂的各關節中，兩馬達分別驅動兩第一等比傘齒輪轉動，以利用兩第一等比傘齒輪共同驅動第二等比傘齒輪轉動。據此，可藉由控制兩第一等比傘齒輪的轉向為相同或相反來驅動第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動，使機械手臂的每一關節如同人體手臂的關節般擁有兩個自由度，而可成為具有高靈活度及高工作空間之仿人居家照護型機械手臂。此外，由於機械手臂的每一關節是藉由兩個馬達來共同驅動，故具有高扭矩以提供良好的負重能力。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧障礙物

100、200、300‧‧‧機械手臂

110、210、310‧‧‧基座

120、220、320‧‧‧上臂

130、230、330‧‧‧下臂

140、240、340‧‧‧法蘭盤

150、150’、160、160’、170、170’、250、260、270、350、360、370‧‧‧關節

152、162、172、352‧‧‧馬達

152a、162a、172a、352a‧‧‧蝸桿

152b、162b、172b、352b‧‧‧蝸輪

152c、152d、152e、152f、162c、162d‧‧‧正齒輪

154、164、174‧‧‧第一等比傘齒輪

156、166、176‧‧‧第二等比傘齒輪

172c、172e‧‧‧皮帶輪

172d‧‧‧皮帶

280‧‧‧壓力感測器

390‧‧‧碰撞偵測模組

A1‧‧‧第一軸

A2‧‧‧第二軸

圖1是本發明一實施例的機械手臂的立體圖。圖2繪示圖1的機械手臂與人體的手臂之比對。圖3A是圖1的基座與上臂之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖3B是圖1的基座與上臂之間的關節的部分構件立體圖。圖4A是圖1的上臂與下臂之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖4B是圖1的上臂與下臂之間的關節的部分構件立體圖。圖5A是圖1的下臂與法蘭盤之間的關節的部分構件方塊示意圖。圖5B是圖1的下臂與法蘭盤之間的關節的部分構件立體圖。圖6繪示圖3A的第一等比傘齒輪及第二等比傘齒輪。圖7是本發明另一實施例的機械手臂的立體圖。圖8是本發明另一實施例的機械手臂於關節處的部分構件立體圖。圖9繪示圖8的機械手臂碰撞障礙物。圖10是圖9的機械手臂的作動流程圖。

100‧‧‧機械手臂

110‧‧‧基座

120‧‧‧上臂

130‧‧‧下臂

140‧‧‧法蘭盤

150、160、170‧‧‧關節

Claims

一種機械手臂，包括：一基座、一上臂及一下臂；以及多個關節，一該關節連接於該基座與該上臂之間，另一該關節連接於該上臂與該下臂之間，又一該關節連接於該下臂的一末端，其中各該關節包括一等比傘齒輪機構，各該等比傘齒輪機構包括兩馬達、兩第一等比傘齒輪及一第二等比傘齒輪，該兩馬達分別連接該兩第一等比傘齒輪，該兩第一等比傘齒輪皆連接於該第二等比傘齒輪，該兩馬達適於藉由該兩第一等比傘齒輪而驅動該第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動，以提供各該關節兩個轉動自由度，其中各該關節包括一位置感測器、一轉速感測器及一電流感測器的至少其中之一，各該關節包括一運動感測器及一減速機構，該減速機構包括一該第一等比傘齒輪，該減速機構連接於對應的該馬達，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一配置於對應的該馬達，該運動感測器配置於該減速機構且適於監控該減速機構的實際加速度及實際轉速，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一適於感測該馬達的輸出以推算出該減速機構的預期加速度值與預期轉速值，當該減速機構的實際加速度值及實際轉速值不同於該減速機構的預期加速度值與預期轉速值時，依據該減速機構的實際加速度值及實際轉速值調整該馬達的輸出，直到該減速機構的實際加速度值及實際轉速值相同於該減速機構的預期加速度值與預期轉速值。
如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中當該兩馬達分別驅動該兩第一等比傘齒輪沿一第一軸正轉時，該兩第一等比傘齒輪驅動該第二等比傘齒輪沿該第一軸正轉，當該兩馬達分別驅動該兩第一等比傘齒輪沿該第一軸反轉時，該兩第一等比傘齒輪驅動該第二等比傘齒輪沿該第一軸反轉。
如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中當一該馬達驅動對應的該第一等比傘齒輪沿一第一軸正轉且另一該馬達驅動對應的該第一等比傘齒輪沿該第一軸反轉時，該兩第一等比傘齒輪驅動該第二等比傘齒輪沿一第二軸正轉或反轉。
如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，包括至少一壓力感測器，其中該壓力感測器配置於機械手臂的外部，當該壓力感測器感測到該機械手臂的外部受一外力時，該機械手臂適於停止作動，當該壓力感測器感測到該機械手臂的外部持續受該外力時，該機械手臂適於沿該外力的作用方向作動。
如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中各該關節包括至少一蝸桿、至少一蝸輪及至少一碰撞偵測模組，該蝸桿連接於一該馬達與該蝸輪之間，該蝸輪連接於該蝸桿與對應的該第一傘齒輪之間，該碰撞偵測模組配置於該蝸輪，當該碰撞偵測模組偵測來自該蝸輪的加速度值不同於一預期值時，各該馬達停止作動。
如申請專利範圍第5項所述的機械手臂，其中該馬達適於透過該蝸桿而帶動該蝸輪，且當該馬達停止作動且該蝸輪受力時，該蝸桿不被該蝸輪帶動以使該機械手臂自動鎖定。
如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中該運動感測器包括加速度計、陀螺儀或磁力計。
一種機械手臂，包括：一基座、一上臂及一下臂；以及多個關節，一該關節連接於該基座與該上臂之間，另一該關節連接於該上臂與該下臂之間，又一該關節連接於該下臂的一末端，其中各該關節包括一等比傘齒輪機構，各該等比傘齒輪機構包括兩馬達、兩第一等比傘齒輪及一第二等比傘齒輪，該兩馬達分別連接該兩第一等比傘齒輪，該兩第一等比傘齒輪皆連接於該第二等比傘齒輪，該兩馬達適於藉由該兩第一等比傘齒輪而驅動該第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動’以提供各該關節兩個轉動自由度，其中各該關節包括一位置感測器、一轉速感測器及一電流感測器的至少其中之一，各該關節包括一運動感測器及一減速機構，該減速機構包括一該第一等比傘齒輪，該減速機構連接於對應的該馬達，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一配置於對應的該馬達，該運動感測器配置於該減速機構且適於監控該減速機構的實際加速度及實際轉速，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一適於感測該馬達的輸出以推算出該減速機構的預期加速度值與預期轉速值，當該減速機構的實際加速度值及實際轉速值不同於該減速機構的預期加速度值與預期轉速值時，該馬達停止運動。
一種機械手臂，包括：一基座、一上臂及一下臂；以及多個關節，一該關節連接於該基座與該上臂之間，另一該關節連接於該上臂與該下臂之間，又一該關節連接於該下臂的一末端，其中各該關節包括一等比傘齒輪機構，各該等比傘齒輪機構包括兩馬達、兩第一等比傘齒輪及一第二等比傘齒輪，該兩馬達分別連接該兩第一等比傘齒輪，該兩第一等比傘齒輪皆連接於該第二等比傘齒輪，該兩馬達適於藉由該兩第一等比傘齒輪而驅動該第二等比傘齒輪沿一第一軸轉動或沿一第二軸轉動，以提供各該關節兩個轉動自由度，其中各該關節包括一位置感測器、一轉速感測器及一電流感測器的至少其中之一，各該關節包括一應變計及一荷重計的至少其中之一，各該關節包括一減速機構，該減速機構包括一該第一等比傘齒輪，該減速機構連接於對應的該馬達，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一配置於對應的該馬達，該應變計及該荷重計的至少其中之一配置於該減速機構且適於監控該減速機構的實際受力，該位置感測器、該轉速感測器及該電流感測器的至少其中之一適於感測該馬達的輸出以推算出該減速機構的預期受力，當該減速機構的實際受力不同於該減速機構的預期受力時，該馬達停止運動。