[发明专利]利用连杆模拟人体屈膝动作的机器人膝部结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用连杆模拟人体屈膝动作的机器人膝部结构。

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、营运成本及安全要求，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，人形机器人必须能理解外界讯息，并在适应环境后，精确且灵活地执行作业，因此，高性能的传感机构即成为影响人形机器人效能的核心因素之一，目前，人形机器人最大的障碍是在“辨识指令能力”及“环境的适应性”，前者与智能化控制技术有关，后者则取决于人形机器人本身的运作结构。众所周知，人体的结构组成极为复杂，任何一个动作皆必须通过骨骼、肌肉与关节间的相互搭配始能完成。其中，又以关节的动作最为重要，因为关节的动作牵涉到重量负荷、重心稳定以及动作衔接上的灵活与否，一旦其中有某个环节出现问题，便会影响到四肢活动的灵敏度，进而对人体健康产生负面影响。同理，在设计人形机器人时，关节结构亦为一大课题，因为人形机器人的每个动作都与关节结构相关，故人形机器人的结构强度是否足够？动作时是否灵活？零件间是否容易因磨损而影响其耐用性？皆与关节结构的设计息息相关。

在整个机器人结构中，下肢机构的设计良劣无疑将主导机器人在作业上的稳定性及灵活性，如图1所示是一机器人1的下肢机构10示意图，该机器人1的大腿部11及小腿部13间通过一膝关节12相互连接，一般而言，该膝关节12多设于大腿部11及小腿部13间的中间位置，以能均匀地传递整个下肢机构10的动作力量，然而，膝关节12的作用是使小腿部13能相对于大腿部11进行向后地（即图1的右方）转动，以模拟出人体的屈膝动作，而由于大腿部11及小腿部13的构型通常较膝关节12为大，因此，在小腿部13通过膝关节12朝后方转动时，小腿部13的后侧可能会因转动角度过大，而抵触到大腿部11的后侧，造成无法顺利地弯曲。为此，虽有设计者将膝关节12的设置位置向后方调整，以避免上述问题，然而，如此一来，在小腿部13进行转动时，大腿部11及小腿部13的前端间将会形成一缝隙，造成必须额外装设一遮蔽外壳，以避免异物的侵入，因此并非一完善的解决之道。

为此，发明人考虑是否能针对机器人的膝关节进行改良，以通过一种截然不同的崭新设计，不仅能兼顾机器人下肢机构的运作流畅，且尚能保持机器人的整体稳固性及外型美观？故发明人乃着手针对各种机构设计进行研究，并在分析各种可能性之后，认为连杆机构应能应用于机器人上，以完善地解决上述的各种难题，而如何设计出一种具体且可行的机器人膝部结构，即为本发明在此欲解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种调整方便、屈膝灵活，机器人的运作能更稳定流畅，且机器人的动作亦能更趋近于真实人体的利用连杆模拟人体屈膝动作的机器人膝部结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种利用连杆模拟人体屈膝动作的机器人膝部结构，应用于机器人的第一腿部及第二腿部上，所述机器人膝部结构包括：

一驱动装置，设于第一腿部中；

一主动式连杆，其一端与驱动装置相连接，以能定位于第一腿部上邻近前缘的位置，其另一端则枢设于第二腿部上邻近后缘的位置，以在驱动装置运作的情况下，主动式连杆能以其一端为中心转动，进而主动地带动第二腿部，使第二腿部随着主动式连杆的另一端运动；

一被动式连杆，其一端枢设于第一腿部上邻近后缘的位置，其另一端则枢设于第二腿部上邻近前缘的位置，使第二连杆能与第一连杆相互间隔且彼此呈交叉状，在主动式连杆朝后方转动的情况下，第二腿部将会被主动式连杆的另一端带动，且被动式连杆能限制第二腿部的位移及转动，使第一腿部及第二腿部能模拟出人体屈膝的动作。

本发明所述主动式连杆及被动式连杆分别设于第一腿部及第二腿部的两对应侧面。

本发明所述第一腿部的底部设有一第一抵靠部，第二腿部的顶部则设有一第二抵靠部，所述第一抵靠部和第二抵靠部的构型相互匹配，以在机器人膝部结构动作的过程中，第一抵靠部和第二抵靠部将能相互抵接。