本实用新型涉及一种机械手臂，尤其涉及一种高灵活度仿人机械手臂。
背景技术：
目前工业用机械人的发展已到成熟的地步，已经有几种经典款式的机器人。而在服务型机器人方面，由于开发的理念与目标不同，因此有相当多不同样式的服务型机器人，其各有优缺点且能完成的任务也有所区别，举例说明如下。
丰田(TOYOTA)所开发的Human Support Robot(HSR)，其目的为帮助人们的日常生活，融入于家庭内与家庭成员共存，改善整体生活质量，并且以紧凑(Compact)、轻量机体(Lightweight Body)、安全互动(Safe Interaction)、简易介面(Simple Interface)兼顾的机器人为其特点。该机器人具有一机械手臂配合两指夹持器、视觉识别功能、环境识别与自主移动、远程遥控…等功能。
日本独立行政法人理化学研究所(Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN)在2006年提出RI-MAN机器人，希望能藉其抬举人类，但并未实现。RIKEN在2011年与东海橡胶工业联合设计出全球第一款能用机械手臂抱起人类的机器人，名为Robot for Interactive Body Assistance(RIBA)，其特色为双臂可以抱起60kg的人类或重物，手臂上设有多个触觉传感器，外层用泡沫聚苯乙烯包覆，避免使用者碰撞时感到不舒服。
美国Willow Garage公司所开发出的个人机器人(Personal Robot 2，PR2) 是硬体与软体功能非常强大的机器人平台。其被研发出来的主要目的，是希望让软体开发者排除掉硬体上的问题，提供软体给开发者一个完整功能的平台，让使用者通过开源(Open Source)软体开发出机器人的各种应用程序，而这软体就是目前学术界常用的机器人作业系统ROS，使PR2能在复杂环境的办公室里自由的行走。除自动导航外，其主要的软体功能多数应用于图像和手臂上，该平台有两个具7个自由度的手臂，皆能通过手臂上的手爪来执行现实世界中的任务。
Willow Garage公司的转投资公司Unbounded Robotics，也推出一款成本仅PR2十分之一的服务型机器人UBR-1，UBR-1有一个可上下伸缩机构，最高可升到52英寸，而配置七个自由度机械手臂，可以举起达1.5公斤的重物品，UBR-1机器人专为研究人员与企业设计，通过ROS作为软体架构的最先进的移动操作平台。该公司团队现今已停产。
Pepper机器人，由日本电信商软体银行(Softbank)与法国公司Aldebaran Robotics共同研发，并委由台湾鸿海公司代工制造。Pepper是首款用来陪伴人类的机器人，以互动为其核心概念，不适合执行家事，主要着重于能说话，能识别使用者的情绪，能自主移动和生活。感测方面具有听觉、触觉以及感情系统，也能利用网络帮助使用者。硬体上主要搭载了3D摄影机、触控屏幕与超音波传感器，来与人互动同时确保安全。移动方面采用三颗万向轮能自由移动，全身一共具有17个防夹关节。
此外，国际专利编号WO2015131904A1揭示一种用于工业机器人的安全系统，其在机器人的马达与输出轴处分别配置传感器，并通过比较所述传感器的回传值来判断机器人的作动状态，若其系统依据所述回传值判断需停止作动时，需主动通过刹车装置来阻止机器人继续作动，故在作动方式上较为复杂且无法达到自动锁定而停止作动的效果。
上列服务型机器人，不论是由学术界或是业界所开发都有不同的目的及功能，然皆朝向与人共存、安全考量、协助人类等为开发目标。因此，开发出一款能与人安全共存、协助人类、高负重能力、甚至能判别情绪等等的多功能服务型机器人，有相当的迫切需求存在，使服务型机器人能真正地协助人类。
技术实现要素：
本实用新型提供一种机械手臂，为具有高扭矩、高灵活度及高工作空间的仿人居家照护型机械手臂，并具有与人协同工作的机能。
本实用新型的机械手臂包括一基座、一上臂、一下臂及多个关节。一关节连接于基座与上臂之间，另一关节连接于上臂与下臂之间，又一关节连接于下臂的一末端。各关节包括一等比伞齿轮机构，各等比伞齿轮机构包括两马达、两第一等比伞齿轮及一第二等比伞齿轮。两马达分别连接两第一等比伞齿轮，两第一等比伞齿轮皆连接于第二等比伞齿轮。两马达适于通过两第一等比伞齿轮而驱动第二等比伞齿轮沿一第一轴转动或沿一第二轴转动，以提供各关节两个转动自由度。
在本实用新型的一实施例中，当两马达分别驱动两第一等比伞齿轮沿一第一轴正转时，两第一等比伞齿轮驱动第二等比伞齿轮沿第一轴正转，当两马达分别驱动两第一等比伞齿轮沿第一轴反转时，两第一等比伞齿轮驱动第二等比伞齿轮沿第一轴反转。
在本实用新型的一实施例中，当一马达驱动对应的第一等比伞齿轮沿一第一轴正转且另一马达驱动对应的第一等比伞齿轮沿第一轴反转时，两第一等比伞齿轮驱动第二等比伞齿轮沿一第二轴正转或反转。
在本实用新型的一实施例中，上述的机械手臂包括至少一压力传感器，其中压力传感器配置于机械手臂的外部，当压力传感器感测到机械手臂的外部受一外力时，机械手臂适于停止作动，当压力传感器感测到机械手臂的外部持续受外力时，机械手臂适于沿外力的作用方向作动。
在本实用新型的一实施例中，上述的各关节包括至少一蜗杆、至少一蜗轮及至少一碰撞检测模块，蜗杆连接于一马达与蜗轮之间，蜗轮连接于蜗杆与对应的第一等比伞齿轮之间，碰撞检测模块配置于蜗轮，当碰撞检测模块检测来自蜗轮的加速度值不同于一预期值时，各马达停止作动。
在本实用新型的一实施例中，上述的马达适于通过蜗杆而带动蜗轮，且当马达停止作动且蜗轮受力时，蜗杆不被蜗轮带动以使机械手臂自动锁定。
在本实用新型的一实施例中，上述的各关节包括一位置传感器、一运动传感器及一减速机构，减速机构连接于对应的马达，位置传感器配置于对应的马达，运动传感器配置于减速机构且适于监控减速机构的实际加速度及实际转速，位置传感器适于感测马达的输出以推算出减速机构的预期加速度值与预期转速值，当减速机构的实际加速度值及实际转速值不同于减速机构的预期加速度值与预期转速值时，依据减速机构的实际加速度值及实际转速值调整马达的输出，直到减速机构的实际加速度值及实际转速值相同于减速机构的预期加速度值与预期转速值。
在本实用新型的一实施例中，上述的运动传感器包括加速度计、陀螺仪或磁力计。
在本实用新型的一实施例中，两个所述第一等比伞齿轮分别与所述第二等比伞齿轮相啮合，并且两个所述第一等比伞齿轮的中心线分别与第一轴的轴心线相重合，第二等比伞齿轮的中心线与第二轴的轴心线相重合，所述第一轴的轴心线与所述第二轴的轴心线相空间垂直。
基于上述，在本实用新型的机械手臂的各关节中，两马达分别驱动两第一等比伞齿轮转动，以利用两第一等比伞齿轮共同驱动第二等比伞齿轮转动。据此，可通过控制两第一等比伞齿轮的转向为相同或相反来驱动第二等比伞齿轮沿一第一轴转动或沿一第二轴转动，使机械手臂的每一关节如同人体手臂的关节般拥有两个自由度，而可成为具有高灵活度及高工作空间的仿人居家照护型机械手臂。此外，由于机械手臂的每一关节是通过两个马达来共同驱动，故具有高扭矩以提供良好的负重能力。
为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的机械手臂的立体图。
图2示出图1的机械手臂与人体的手臂的比对。
图3A是图1的基座与上臂之间的关节的部分构件方块示意图。
图3B是图1的基座与上臂之间的关节的部分构件立体图。
图4A是图1的上臂与下臂之间的关节的部分构件方块示意图。
图4B是图1的上臂与下臂之间的关节的部分构件立体图。
图5A是图1的下臂与法兰盘之间的关节的部分构件方块示意图。
图5B是图1的下臂与法兰盘之间的关节的部分构件立体图。
图6示出图3A的第一等比伞齿轮及第二等比伞齿轮。
图7是本实用新型另一实施例的机械手臂的立体图。
图8是本实用新型另一实施例的机械手臂于关节处的部分构件立体图。
图9示出图8的机械手臂碰撞障碍物。
图10是图9的机械手臂的作动流程图。
附图标号说明
50：障碍物
100、200、300：机械手臂
110、210、310：基座
120、220、320：上臂
130、230、330：下臂
140、240、340：法兰盘
150、150’、160、160’、170、170’、250、260、270、350、360、370：关节
152、162、172、352：马达
152a、162a、172a、352a：蜗杆
152b、162b、172b、352b：蜗轮
152c、152d、152e、152f、162c、162d：正齿轮
154、164、174：第一等比伞齿轮
156、166、176：第二等比伞齿轮
172c、172e：皮带轮
172d：皮带
280：压力传感器
390：碰撞检测模块
A1：第一轴
A2：第二轴
具体实施方式
图1是本实用新型一实施例的机械手臂的立体图。请参考图1，本实施例的机械手臂100包括基座110、上臂120、下臂130、法兰盘140及多个关节150、160、170。基座110内设置用以提供机械手臂100第一、第二作动自由度的机构，即连接于基座110与上臂120之间的关节150。上臂120内设置用以提供机械手臂100第三、第四作动自由度的机构，即连接于上臂120 与下臂130之间的关节160。下臂130内设置用以提供机械手臂100第五、第六作动自由度的机构，即连接于下臂130的末端且连接于法兰盘140的关节170。
图2示出图1的机械手臂与人体的手臂的比对。请参考图2，连接于基座110与上臂120之间的关节150，相当于人体的肩关节150’。连接于上臂 120与下臂130之间的关节160，相当于人体的肘关节160’。连接于下臂130 与法兰盘140之间的关节170，相当于人体的腕关节170’。
以下具体说明图1的关节150的机构组成。图3A是图1的基座与上臂之间的关节的部分构件方块示意图。图3B是图1的基座与上臂之间的关节的部分构件立体图。请参考图3A及图3B，关节150包括一等比伞齿轮机构，此等比伞齿轮机构包括两马达152、两第一等比伞齿轮154及一第二等比伞齿轮156。各马达152配置于图1所示的基座110，且依序通过蜗杆152a、蜗轮152b、正齿轮152c、正齿轮152d、正齿轮152e、正齿轮152f而连接于对应的第一等比伞齿轮154，其中蜗杆152a、蜗轮152b、正齿轮152c、正齿轮 152d、正齿轮152e、正齿轮152f及第一等比伞齿轮154构成一组减速机构，用以进行大减速比。为使附图较为清楚，图3B仅示出出一马达152及一组减速机构，关节150实际上包含对称的两组减速机构。
在本实施例中，正齿轮152c例如为十二齿，正齿轮152d例如为七十二齿，正齿轮152e例如为十三齿，正齿轮152f例如为五十二齿。蜗轮152b同轴连接正齿轮152c，再传动于正齿轮152d及与之同轴的正齿轮152e，再传动于正齿轮152f及与之同轴的第一等比伞齿轮154，以驱动连接于两第一等比伞齿轮154的第二等比伞齿轮156，进而驱动连接于第二等比伞齿轮156 的上臂120(示出于图1)。
以下具体说明图1的关节160的机构组成。图4A是图1的上臂与下臂之间的关节的部分构件方块示意图。图4B是图1的上臂与下臂之间的关节的部分构件立体图。请参考图4A及图4B，关节160包括一等比伞齿轮机构，此等比伞齿轮机构包括两马达162、两第一等比伞齿轮164及一第二等比伞齿轮166。各马达162配置于图1所示的上臂120，且依序通过蜗杆162a、蜗轮162b、正齿轮162c、正齿轮162d而连接于对应的第一等比伞齿轮164，其中蜗杆162a、蜗轮162b、正齿轮162c、正齿轮162d及第一等比伞齿轮164 构成一组减速机构，用以进行大减速比。为使附图较为清楚，图4B仅示出出一马达162及一组减速机构，关节160实际上包含对称的两组减速机构。
在本实施例中，正齿轮162c例如为三十五齿，正齿轮162d例如为三十五齿。蜗轮162b同轴连接正齿轮162c，再传动于正齿轮162d及与之同轴的第一等比伞齿轮164，以驱动连接于两第一等比伞齿轮164的第二等比伞齿轮166，进而驱动连接于第二等比伞齿轮166的下臂130(示出于图1)。
以下具体说明图1的关节170的机构组成。图5A是图1的下臂与法兰盘之间的关节的部分构件方块示意图。图5B是图1的下臂与法兰盘之间的关节的部分构件立体图。请参考图5A及图5B，关节170包括一等比伞齿轮机构，此等比伞齿轮机构包括两马达172、两第一等比伞齿轮174及一第二等比伞齿轮176。各马达172配置于图1所示的下臂130，且依序通过蜗杆172a、蜗轮172b、皮带轮172c、皮带172d、皮带轮172e而连接于对应的第一等比伞齿轮174，其中蜗杆172a、蜗轮172b、皮带轮172c、皮带172d、皮带轮 172e及第一等比伞齿轮174构成一组减速机构，用以进行大减速比。为使附图较为清楚，图5B仅示出出一马达172及一组减速机构，关节170实际上包含对称的两组减速机构。
在本实施例中，皮带轮172c例如为十四齿，皮带轮172e例如为二十八齿。蜗轮172b同轴连接皮带轮172c，经由皮带172d传动给皮带轮172e及与之同轴的第一等比伞齿轮174，以驱动连接于两第一等比伞齿轮174的第二等比伞齿轮176，进而驱动连接于第二等比伞齿轮176的法兰盘140。法兰盘 4可装配机械手使用。
图6示出图3A的第一等比伞齿轮及第二等比伞齿轮。两个所述第一等比伞齿轮154分别与所述第二等比伞齿轮156相啮合，并且两个所述第一等比伞齿轮154的中心线分别与第一轴A1的轴心线相重合，第二等比伞齿轮 156的中心线与第二轴A2的轴心线相重合，所述第一轴A1的轴心线与所述第二轴A2的轴心线相空间垂直。在上述配置方式之下，可通过控制两第一等比伞齿轮154的转向为相同或相反来驱动第二等比伞齿轮156沿图6的第一轴A1转动或沿图6的第二轴A2转动，使机械手臂100的关节150如同人体手臂的关节般拥有两个自由度，而能够完成机械手臂100的所述第一、第二自由度的操作。类似地，可通过控制两第一等比伞齿轮164的转向为相同或相反来驱动第二等比伞齿轮166沿两不同轴转动，使机械手臂100的关节 160如同人体手臂的关节般拥有两个自由度，而能够完成机械手臂100的所述第三、第四自由度的操作。类似地，可通过控制两第一等比伞齿轮174的转向为相同或相反来驱动第二等比伞齿轮176沿两不同轴转动，使机械手臂 100的关节170如同人体手臂的关节般拥有两个自由度，而能够完成机械手臂100的所述第五、第六自由度的操作。
详细而言，以图6所示第一等比伞齿轮154及第二等比伞齿轮156为例，当两马达152(示出于图3A)分别驱动图6的右侧的第一等比伞齿轮154与图6 的左侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1同时正转，可使第二等比伞齿轮 156绕第一轴A1正转。反之，当两马达152(示出于图3A)分别驱动图6的右侧的第一等比伞齿轮154与图6的左侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1 同时反转，可使第二等比伞齿轮156绕第一轴A1反转。另一方面，当一马达152(示出于图3A)驱动图6的右侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1正转，而另一马达152(示出于图3A)驱动图6的左侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1反转，可使第二等比伞齿轮156绕第二轴A2正转。反之，当一马达152(示出于图3A)驱动图6的右侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1反转，而另一马达152(示出于图3A)驱动图6的左侧的第一等比伞齿轮154沿第一轴A1 正转，可使第二等比伞齿轮156绕第二轴A2反转。本实施例的关节160的第一等比伞齿轮164、第二等比伞齿轮166以及关节170的第一等比伞齿轮 174、第二等比伞齿轮176也藉此作动方式而皆具有两轴向的转动自由度。
为提高机械手臂100的安全系数，关节150如上述般采用等比伞齿轮机构并通过两个马达152来共同驱动，关节160如上述般采用等比伞齿轮机构并通过两个马达162来共同驱动，关节170如上述般采用等比伞齿轮机构并通过两个马达172来共同驱动，以具有高扭矩而提供良好的负重能力。
图7是本实用新型另一实施例的机械手臂的立体图。在图7的机械手臂 200中，基座210、上臂220、下臂230、法兰盘240、关节250、260、270 的配置与作用方式类似图1的基座110、上臂120、下臂130、法兰盘140、关节150、160、170的配置与作用方式，于此不在赘述。机械手臂200与机械手臂100的不同处在于，机械手臂200包括多个压力传感器280，压力传感器280配置于机械手臂200的外部。具体而言，压力传感器280例如是配置于机械手臂200的可活动的上臂220及下臂230的外壳上，而基座210因不活动，故可不配置压力传感器。当压力传感器280感测到机械手臂200的外部受外力时，机械手臂200可据以停止当前作动，以防止与外部物体撞击。此外，当压力传感器280感测到机械手臂200的外部持续受外力时，机械手臂200可据以沿外力的作用方向作动，让使用者可直接施力于机械手臂200 而直接调整、变换机械手臂200的姿态。
图8是本实用新型另一实施例的机械手臂于关节处的部分构件立体图。图9示出图8的机械手臂碰撞障碍物。在图8及图9所示实施例的机械手臂 300中，基座310、上臂320、下臂330、法兰盘340、关节350、360、370、马达352、蜗杆352a、蜗轮352b的配置与作用方式类似于图1及图3B的基座110、上臂120、下臂130、法兰盘140、关节150、160、170、马达152、蜗杆152a、蜗轮152b的配置与作用方式，于此不再赘述。图8、9所示实施例与图1、3B所示实施例的不同处在于，图8、9实施例的机械手臂300包括碰撞检测模块390，碰撞检测模块390例如包含六轴传感器(加速度计、陀螺仪或磁力计等)且配置于蜗轮352b。当马达352通过蜗杆352a而带动蜗轮352b 且碰撞检测模块390检测来自蜗轮352b的加速度值不同于一预期值时，马达 352据以停止作动。藉此，可监控关节加速度、转速的状况，利用轨迹规划代入机械手臂的运动学或动力学模型，由蜗杆352a处安装的碰撞检测模块 390输出值，可以推算出减速机构输出轴应有的加速度与转速，或是推算出角加速度。当回授加速度值有不如预期的增加、减少，则系统判定为碰撞、撞击、滑落等突发状况(如碰撞到图9所示的障碍物50，或是有人或动物非预期地靠近与接触机械手臂300造成阻挡)，下命令马达352停止运动，此时利用动力传递方向无法由蜗轮352b传递给蜗杆352a的特性，在马达352停止动作后，蜗杆352a不会被蜗轮352b带动，故失去动力源的机械手臂300不会因外力作用而造成旋转、位移，如此无需加装刹车系统，也可让机械手臂 300完成停机，使机械手臂300自动锁定，故相较于前述国际专利编号 WO2015131904A1所揭示的机器人需主动通过刹车装置来阻止机器人继续作动，本实施例的机械手臂300通过较为简单的设计方式达到自动锁定而停止作动的效果。此检测模块390可用于基座310与上臂320之间的关节350、上臂320与下臂330之间的关节360及下臂330与法兰盘340之间的关节370。
以下通过附图说明机械手臂的上述作动的具体流程。图10是图9的机械手臂的作动流程图。首先，机械手臂的系统输入位置、速度、加速度命令(步骤S602)。接着，判断系统命令是否动作(步骤S604)。若机械手臂在进行步骤 S604时非符合所述命令的作动状态，则判断为系统命令需作动并使马达动作 (步骤S606)，且六轴传感器读取输出轴动作(步骤S608)并回传值(步骤S610)。反之，若机械手臂在进行步骤S604时符合所述命令的作动状态，则判断为系统命令不需作动并直接进行步骤S610。
然后，回传值与马达轴传感器和系统命令比较(步骤S612)，以判断是否发生碰撞(步骤S614)。若在进行步骤S614时判断为未发生碰撞，则判断是否完成命令(步骤S616)。若在进行步骤S616时判断为完成命令，则机械手臂完成动作(步骤S618)。若在进行步骤S616时判断为未完成命令，则回到步骤 S606。此外，若在进行步骤S614时判断为发生碰撞，则输入停止命令(步骤 S620)且马达停止动作(步骤S622)，从而机械手臂停止动作(步骤S624)。
在一实施例中，在机械手臂各关节部分的马达输出轴安装一位置传感器、转速传感器、或电流传感器等至少其中之一，而减速机构输出轴加装一运动传感器(加速度计、陀螺仪、磁力计等)，可监控各关节加速度、转速的状况，利用轨迹规划代入机械臂的动力学模型，由马达输出轴安装的传感器输出值，可以推算出减速机构输出轴应有的加速度与转速，或是推算出角加速度。若有不如预期的增加、减少，则判定为阻挡、碰撞、撞击、滑落等突发状况，如碰撞到障碍物，或是有人或动物非预期地靠近与接触机械手臂造成阻挡，马达立即停止运动，并利用蜗杆与蜗轮组动力传递方向不可逆的特性，机械手臂无须外加刹车，即可完成停机的动作。
在一实施例中，在机械手臂各关节部分的马达输出轴安装一位置传感器、转速传感器、或电流传感器等至少其中之一，而减速机构输出轴加装一应变计、荷重计等，可监控各关节受力的状况，利用轨迹规划代入机械臂的动力学模型，由马达输出轴安装的传感器输出值，可以推算出减速机构输出轴应有的受力，或是马达应有的驱动电流。若有不如预期的增加、减少，则判定为阻挡、碰撞、撞击、滑落等突发状况，如碰撞到障碍物，或是有人或动物非预期地靠近与接触机械手臂造成阻挡，马达立即停止运动，并利用蜗杆与蜗轮组动力传递方向不可逆的特性，机械手臂无须外加刹车，即可完成停机的动作。
在一实施例中，在机械手臂各关节部分的马达输出轴安装一位置传感器、转速传感器、或电流传感器等至少其中之一，而减速机构输出轴加装一运动传感器(加速度计、陀螺仪、磁力计等)，可监控各关节的减速机构的实际加速度、实际转速的状况。位置传感器则可感测马达的输出以推算出减速机构的预期加速度值与预期转速值，并利用轨迹规划代入机械臂的动力学模型推算出减速机构输出轴应有的预期加速度与预期转速，或是推算出减速机构输出轴应有的角加速度，或是推算出马达应有的驱动电流。当减速机构的实际加速度值及实际转速值不同于减速机构的预期加速度值与预期转速值时，即有不如预期的增加、减少，则判定为阻挡、碰撞、撞击、滑落等突发状况，如碰撞到障碍物，或是有人或动物非预期地靠近与接触机械手臂造成阻挡，可以通过减速机构输出轴加装的各种传感器产生的量测值推断所受到的阻力或障碍物是否解除。若未解除，可通过代入机械臂的动力学模型推算阻力或障碍的作用处，并由作用处推算各关节的马达控制，来降低阻力或障碍的作用，直到消除为止。也即，依据减速机构的实际加速度值及实际转速值调整马达的输出，直到减速机构的实际加速度值及实际转速值相同于或接近于减速机构的预期加速度值与预期转速值。
综上所述，在本实用新型的机械手臂的各关节中，两马达分别驱动两第一等比伞齿轮转动，以利用两第一等比伞齿轮共同驱动第二等比伞齿轮转动。据此，可通过控制两第一等比伞齿轮的转向为相同或相反来驱动第二等比伞齿轮沿一第一轴转动或沿一第二轴转动，使机械手臂的每一关节如同人体手臂的关节般拥有两个自由度，而可成为具有高灵活度及高工作空间的仿人居家照护型机械手臂。此外，由于机械手臂的每一关节是通过两个马达来共同驱动，故具有高扭矩以提供良好的负重能力。
虽然本实用新型已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本实用新型的保护范围当视权利要求围所界定者为准。