四足機器人腿部彈性結構評估與分析

機器人產業馬達與馬達驅動器應用與趨勢

隨著機器人技術的快速演進，仿生型四足機 器人因其優異的地形適應性與機動性，已成為現 在智慧機器人發展的重要方向之一。四足機器人 透過模擬動物的步態與骨骼結構，可有效執行災 害救援、工業巡檢與軍事巡邏等任務，特別是在 崎嶇或非結構化環境中展現高度機動性。然而， 目前市面主流設計多採用剛性致動元件，雖具備 良好控制性能，但常面臨能耗過高、衝擊負載大 與結構壽命受限等問題。

相較之下，自然生物透過肌肉與肌腱的彈性 作用，能在運動中有效儲存與釋放能量、吸收衝 擊，達到高效率且順應性強的運動模式。受此啟 發，彈性結構被視為提升機器人能效與耐用性的重要設計策略。其中，並聯彈性致動器（Parallel Elastic Actuator, PEA）能在不增加控制複雜度的情 況下降低驅動需求，因而逐漸受到仿生機器人領 域重視。基於上述動機，本文聚焦於四足機器人之雙節段腿部機構，建立考慮彈簧剛性與運動週期變化的動力學模型，並透過拉格朗日方程式推 導出輸出扭矩，進而延伸推導輸出功率與能量公式，藉以評估不同參數變化對致動器負載與能效 表現之影響。

四足機器人市場現況與分析

四足機器人為仿生機器人的重要分支，其設 計靈感來自動物的四肢運動模式，具備良好的越 野能力與高機動性，能勝任多變地形與極端環境 下的任務。隨著2010年代迎來了第三次人工智慧（AI）浪潮的興起，高性能計算技術的進步、網際 網路的發展、大數據與感測技術的普及，使得機器學習和深度學習迅速發展，並大幅降低計算成本。[1] 這一技術變革不僅促進了電腦視覺、強化 學期等技術在機器人領域的應用，也加速了四足 機器人從實驗室概念中走向實際產業應用。

為探討四足機器人的技術發展脈絡與彈性結構的應用潛力，本文利用Derwent Innovation專利 檢索平台進行關鍵字分析。「Quadruped robot」相關專利自2011年後迅速增長如圖1看出，顯示 第三次AI浪潮與計算資源普及對此技術推動效果 顯著。進一步加入「compliance」、「elastic」或 「flexible」等關鍵字交叉檢索，結果發現含彈性 結構設計之專利約佔總數的五分之一，反映業界與學界對於提升機構順應性與能效的高度關注與 投入。

此外，為進一步探討四足機器人相關技術的 地理分布情形，本文依據專利申請國進行統計與分析，並將結果整理於圖2。從結果可見，中國在四足機器人領域的專利申請數量占比已超過90%，明顯遠高於其他國家，顯示其在該領域的技 術布局與研發投入極為積極。

進一步觀察專利技術關鍵字的分布，可發現 四足機器人相關技術主要集中於機械結構設計、運動控制策略與行走機制等面向。其中，在行走與運動控制技術上，研究多聚焦於動態平衡維持、 步態生成以及自適應移動技術，特別是在面對崎 嶇或非結構化地形時，機器人能否即時調整步態 並維持穩定行走，將仰賴高度整合的感測與控制系統。另一方面，足端設計亦為不可忽視的研究 領域。優化足端結構不僅有助於提升地面接觸穩定性與抓地能力，亦能降低運動過程中的能耗， 進而強化四足機器人在多樣環境中的任務執行能 力與續航表現。

在機械結構與關節設計方面，研究重點主要 集中於腿部機構，特別關注於關節的柔性設計與運動穩定性的提升。目前大多市售產品仍採用剛性結構，如何有效導入彈性設計，實現結構順應 性與衝擊吸收能力，將是未來的重要技術課題。