腱驱动全尺寸双足机器人设计及步态测试.pdf

腱驅動全尺寸雙足機器人設計及步態測試 台灣科技大學 郭重顯‧邱國維 一、前言 近幾年來，雙足機器人是一相當熱門之討論主題。觀察現有知名之雙足機器 人，其關節之致動器大多放置在各運動連桿上；例如圖一所示之 Honda 於 1991 到 1993 年所研發之雙足機器人 E6 [1]，以及 SONY 所開發之 SDR-3X [2]。而此 類結構設計具有以下現象： （1）雙足機器人足部與地面接觸時會產生反作用力和震動。 （2）由於致動器配置於各關節上需設計複雜之結構與外形，所以運動力學分析 較為複雜且不易精確建模。 （3）由於致動器配置於各關節上，故其配置馬達電源線與訊號線較為複雜。 圖一 Honda E6（左）和SONY SDR-3X（右）照片 [1] [2] 在另一方面，腱驅動 （Tendon-Driven）方式係以繞性元件作為驅動機構運 動之控制方式，其中繞性 元件泛指能承受拉力，但不能承受壓力及力矩之物體， 如：纜線（Cable）、線（Wire）、細繩（Twine）…等。圖二所示為Frisoli等學 者於 2005 年提出以腱腱驅動之方式設計之穿戴式的機械手臂 [3]，此機械手臂 主要用於病人手臂復健；另外，Veneman 等學者於 2006 發表一以腱輔助復建之 穿戴式機械腳 [4]，此一設計一可放置雙組腱纜線之捲線軸盤（如圖三所示）， 而後端致動器透過腱纜線帶動此軸盤，則可使這雙腳運動，其雙腳共有 6 自由 度，此機械之目的用以輔助復建，不具獨立行走之功能。腱驅動機構則具有以下 特點： （1） 透過非剛性之腱纜線以降低機器人足部與地面接觸時之反作用力和震動。 （2） 由於以遠端致動器拉動腱纜線驅動近端關節之運動機構，故可把遠端致動 器設計放置於同一驅動器模組，如此對於運動力學建模較為簡單且更為精 確。 Page: 1/10 圖二 文獻 [3] 之腱驅動之機械手臂實體圖 圖三 文獻 [4] 之腱驅動之機器腳實體圖 （3） 在關節機構設計方面，可不考慮致動器體積大小，可設計出與人類雙足較 為相近之外形與較為簡單之機構。 （4） 由於致動器是設計放置於同一模組內，故致動器之電源線與控制訊號線則 不需從各關節拉回控制器，因此在配線方面之問題也較為簡單。 基於以上所述之研究背景與動機，本文之目的如下： （1）開發以腱驅動為基礎之雙足機器人足部結構設計；在各關節設計方面是以 伺服馬達透過腱纜線驅動各關節運動。 （2）設計致動器裝配模組，並把此裝配模組放置在機器人身上，可節省機器人 腿部空間；且此模組（30kg）占機器人整體重量（45kg）約75%，因大部份 之重量都在同位置，因此機器人運動力學之分析將較為簡單；而電源線與 訊號控制線配線也較為單純。 （3）最後，實作雙足機器人雛形，並以訓練方式進行初步之步態控制。 Page: 2/10 二、機構設計 本文所討論之雙足機器人連桿部份，由髖部（L1 、L5 ）、左右大腿（L2 、L6 ） 桿件、左右小腿（ L3 、L7 ）桿件、左右腳掌部（Foot）桿件與身體（B