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四足機器人腿部彈性結構評估與分析
作者
張甯喬、黃礪德
刊登日期:2025/07/01
摘要
本文旨在評估並聯彈簧致動器於四足機器人腿部機構中的應用效果,並探討不同運動週期與彈簧剛性變化對關節扭矩、功率與能量輸出需求的影響。基於拉格朗日方程式建立機構動力學模型,並以MATLAB進行模擬與分析。結果顯示,設計適當的彈簧剛性可有效降低膝關節輸出扭矩高達55 %,並於不同運動週期條件下,亦可達成20 %至50 %不等的功率降低,並使蹲下階段的能量輸出需求減少超過50 %。多目標優化結果指出,當運動週期為2秒時,最佳彈簧剛性為12241 N/m,展現出動態性能的優化效果。整體而言,並聯彈簧致動器具備分擔致動器負載與提升系統效能之潛力,適合做為未來四足機器人高效設計的重要策略。
Abstract
This article aims to evaluate the effectiveness of parallel elastic actuators (PEA) applied to a leg structure of a quadruped robot, and to investigate the effects of varying joint motion periods and spring stiffness on knee joint torque, power, and energy output demands. A dynamic model is established based on the Lagrangian equation, and the model is analyzed using MATLAB simulations. The results indicate that with appropriately designed spring stiffness, the knee joint output torque can be reduced by up to 55 %, and power can be decreased by 20 % to 50 % across different motion cycles. Additionally, energy output during the crouching phase can be reduced by more than 50 %. Multi-objective optimization further revealed that when the motion cycle is 2 seconds, the optimal spring stiffness is 12241 N/m, demonstrating an effective balance of dynamic performance. Overall, PEAs show great potential in reducing actuator load and enhancing system efficiency, making them a promising strategy for high-performance quadruped robot design.
前言
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。
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2025年07月號
(單篇費用:參考材化所定價)