TWI550428B - 多足爬梯機構及其設計方法 - Google Patents

Description

多足爬梯機構及其設計方法

本發明係有關於一種多足爬梯機構及其設計方法，特別是指透過模擬人體爬梯之軌跡，而改變Jansen機構之八連桿的尺寸比例配置，用以設計多足爬梯機構之方法及該機構。

傳統的爬梯機構多是輪型或是履帶型設計。輪型爬梯機構例如中華民國發明專利第I462717號「家用樓梯除塵機器人」、中華民國發明專利第I462718號「爬梯機器人」等；履帶型爬梯機構例如中華民國發明專利第I468155號「電動輪椅」、中華民國發明專利第I417212號「電動爬梯車裝置」等。

但不論是輪型爬梯機構或是履帶型爬梯機構皆無法模擬人體爬梯之軌跡而進行爬梯動作。

參閱“T. Jansen, The Great Pretender, 010 Publishers, 2007.”，Jansen曾設計出一種多足運動機構。如第八圖所示，該機構的每一足部是由一八連桿(I)所構成，其中該八連桿(I)包括有多個樞接點及一接觸點(II)，其中一樞接點為傳動點(III)、其中一樞接點為不產生位移之固定點(IV)。該多足運動機構一般藉由曲柄機構來帶動該傳動點(III)，並藉此帶動該八連桿(I)機構。

惟，Jansen之該多足運動機構僅能在平面作運動，而無法進行登高之爬梯動作。

以Jansen之多足運動機構的八連桿為基礎，本發明提出一種多足爬梯機構設計方法，包括下列步驟：

A.量測人體爬梯時，足部的運動軌跡；B.採用最佳化運算方法，使Jansen八連桿中，用以接觸地面的一接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部腳踝處的運動軌跡，據此來調整該Jansen八連桿中各連桿的尺寸比例。

進一步，預先採用閉迴路方程式計算該Jansen八連桿中，該接觸點的運動軌跡；步驟A中，計算該足部對應人體上半身的位置向量，即可獲得該足部的運動軌跡；步驟B中，利用該接觸點的運動軌跡減該人體足部的運動軌跡，並使其最小化，使該接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部的運動軌跡。

進一步，包括步驟C，將複數支調整比例後之該Jansen八連桿，以兩兩成對排列，成對之Jansen八連桿前後排列且運動方向相同，但相位差180度。

本發明再提出一種使用前述多足爬梯機構設計方法所製作之多足爬梯機構，包括：

一基座；複數曲柄驅動機構，設置在該基座上；複數支調整比例後之該Jansen八連桿，分別對應其中一曲柄驅動機構，每一支Jansen八連桿的樞接點中，有一傳動點及不產生位移之一固定點，該傳動點連接該曲柄驅動機構，該固定點樞接在該基座上；該複數支Jansen八連桿兩兩成對排列，且成對排列之Jansen八連桿運動方向相同，但相位差180度。

進一步，以一連動機構連接該成對排列之Jansen八連桿的曲柄驅動機構。更進一步，前述曲柄驅動機構係偏心傳動齒輪，該連動機構係多顆相連接之齒輪。

進一步，有四組成對排列之Jansen八連桿並排設置在該基座上，相鄰之成對的Jansen八連桿中，其中一側前方之Jansen八連桿與另一側後方之Jansen八連桿的相位相同。

進一步，有一動力單元連接前述曲柄驅動機構。其中，該動力單元包括二顆馬達分別連接其中二組成對排列之Jansen八連桿的曲柄驅動機構。

透過上述技術特徵可產生下列功效：

1.藉由最佳化設計方法，改變Jansen八連桿的尺寸比例，使Jansen八連桿機構的運動軌跡符合人體足部腳踝處爬梯時之運動軌跡，因此本發明之多足爬梯機構可穩定的上、下階梯。

2.本發明之爬梯機構的爬梯動作係模仿人體足部腳踝處之爬梯軌跡，未來可應用於行動輔具或仿生機器人之用途。

綜合上述技術特徵，本發明多足爬梯機構及其設計方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

本發明多足爬梯機構設計方法包括下列步驟：

參閱第一圖及第二圖所示，預先採用閉迴路方程式計算一Jansen八連桿中，用以接觸地面的接觸點的運動軌跡。該接觸點、各樞接點、一驅動點及各連桿之長度、角度關係如圖中所示。

藉由閉迴路方程式可獲得：

(1)

(2)

其中， R _j 為連桿的向量，r _j為連桿長度，θ _j為連桿角度。

將式(2)帶入式(1)中：

(3)

(4)

其中，θ ₁=0，因此式(3)與式(4)成為：

(5)

(6)

合併式(5)及式(6)：

(7)

將式(7)簡化：

(8)

其中，

； (9)

進一步將式(8)簡化：

(10)

其中，

b=-2 (11) e=

因此，θ ₄表示如下：

(12)

將式(12)帶入式(3)、式(4)，θ ₃可表示如下：

(13)

其中，

(14) c

以及，

； (15)

相同的，θ ₅、θ ₆可表示如下：

(16)

(17)

其中，

(18)

以及，

； ； (19)

如第一圖所示，C點和D點可表示為：

(20)

(21)

其中， O ₄ =[0,0] ^T，θ ₇=θ ₄-α

令r _DC= ||C-D||，φ ₁及φ ₂可表示為：

(22)

(23)

第一圖中顯示：

(24)

(25)

其中，

(26)

因此，該Jansen八連桿的接觸點的位置向量可表示為：

(27)

參閱第三A圖、第三B圖、第四圖及第五圖所示，在獲得該Jansen八連桿的接觸點的位置向量後，執行下述步驟：

A.量測人體爬梯時，足部的運動軌跡，其中，計算該足部對應人體上半身的位置向量，即可獲得該足部的運動軌跡。實驗時，在人體腰部及腳踝上設置光點，利用該光點追蹤人體爬梯的軌跡，在第三B圖中，N點為腰部光點位置，M點為腳踝光點位置，因此人體足部的運動軌跡可表示為：

(28)

式(28)可改寫為：

(29)

其中，i為所量測到的軌跡點，本實驗以24點為例。

B.採用最佳化運算方法，使Jansen八連桿的接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部的運動軌跡，並據此調整該Jansen八連桿中各連桿的尺寸比例，該最佳化的方式係利用該接觸點的運動軌跡扣除該人體足部的運動軌跡，並使其最小化，使該接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部的運動軌跡，最佳化公式如下：

(30)   =

根據加權總合分析法(weighted sum method)，上述最佳化公式的變數在於r ₄、r ₅、r ₇、r ₉及r ₁₀：

(31)

其中，

(32)

C.最佳化後，Jansen八連桿的接觸點的運動軌跡驅近於人體爬梯的運動軌跡，將複數支調整比例後之該Jansen八連桿，以兩兩成對排列，且成對排列之Jansen八連桿運動方向相同，相位差180度，即可模擬人體爬梯軌跡。

參閱第六圖所示，本實施例進一步舉出透過上述方法所製作之其中一種多足爬梯機構，包括：

一基座(1)；複數曲柄驅動機構(2)，設置在該基座(1)上；複數支調整比例後之該Jansen八連桿(3)，分別對應其中一曲柄驅動機構(2)，每一支Jansen八連桿(3)的樞接點中，有一傳動點(31)及不產生位移之一固定點(32)，該傳動點(31)連接該曲柄驅動機構(2)，該固定點(32)樞接在該基座(1)上；該複數支Jansen八連桿(3)兩兩成對排列，且成對排列之Jansen八連桿(3) 運動方向相同，相位差180度。本實施例中，成對Jansen八連桿(3)以前後方式排列，並且以一連動機構(4)連接該成對排列之Jansen八連桿(3)的曲柄驅動機構(2)，例如前述曲柄驅動機構(2)係偏心驅動齒輪，該連動機構(4)係多顆相連接之齒輪，再以一動力單元連接前述曲柄驅動機構(2)，其中，該動力單元包括二顆馬達(5)分別連接其中二組成對排列之Jansen八連桿(3)的曲柄驅動機構(2)，在該基座(1)上並設置一控制器(6)用以控制前述馬達(5)作動。本實施例再以四組成對排列之Jansen八連桿(3)並排設置在該基座(1)上，相鄰之成對的Jansen八連桿(3)中，其中一側前方之Jansen八連桿(3)與另一側後方之Jansen八連桿(3)的相位相同。

參閱第七A圖至第七D圖所示，實際測試時，上述機構可穩定用於上、下階梯。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

(1)‧‧‧基座
(2)‧‧‧曲柄驅動機構
(3)‧‧‧Jansen八連桿
(31)‧‧‧傳動點
(32)‧‧‧固定點
(4)‧‧‧連動機構
(5)‧‧‧馬達
(6)‧‧‧控制器

[第一圖]係為Jansen八連桿之示意圖。 [第二圖]係為採用閉迴路分析Jansen八連桿之閉迴路示意圖。 [第三A圖]係為在人體腰部及腳踝裝設光點，以量測人體足部運動軌跡的示意圖(一)。 [第三B圖]係為在人體腰部及腳踝裝設光點，以量測人體足部運動軌跡的示意圖(二)。 [第四圖]係為人體足部的運動軌跡示意圖。 [第五圖]係為最佳化後，Jansen八連桿的接觸點的運動軌跡示意圖。 [第六圖]係為本發明多足爬梯機構的外觀結構圖。 [第七A圖]係為本發明實施例中，多足爬梯機構用於爬梯的示意圖(一)。 [第七B圖]係為本發明實施例中，多足爬梯機構用於爬梯的示意圖(二)。 [第七C圖]係為本發明實施例中，多足爬梯機構用於爬梯的示意圖(三)。 [第七D圖]係為本發明實施例中，多足爬梯機構用於爬梯的示意圖(四)。 [第八圖] 係為習知Jansen八連桿中，各作用點的示意圖。

(1)‧‧‧基座

(2)‧‧‧曲柄驅動機構

(3)‧‧‧Jansen八連桿

(31)‧‧‧傳動點

(32)‧‧‧固定點

(4)‧‧‧連動機構

(5)‧‧‧馬達

(6)‧‧‧控制器

Claims (10)

1. 一種多足爬梯機構設計方法，包括下列步驟： A.量測人體爬梯時，足部的運動軌跡； B.採用最佳化運算方法，使Jansen八連桿中，用以接觸地面的一接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部的運動軌跡，並據此調整該Jansen八連桿中各連桿的尺寸比例。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多足爬梯機構設計方法，預先採用閉迴路方程式計算該Jansen八連桿中，該接觸點對應該Jansen八連桿之其它樞接點及曲柄驅動機構之一驅動點的位置向量，即可獲得該接觸點的運動軌跡；步驟A中，計算該足部對應人體上半身的位置向量，即可獲得該足部的運動軌跡；步驟B中，利用該接觸點的運動軌跡扣除該人體足部的運動軌跡，並使其最小化，使該接觸點的運動軌跡趨近於該人體足部的運動軌跡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多足爬梯機構設計方法，進一步包括步驟C，將複數支調整比例後之該Jansen八連桿，以兩兩成對排列，且成對排列之Jansen八連桿運動方向相同，但相位差180度。
4. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之多足爬梯機構設計方法所製作之多足爬梯機構，包括： 一基座； 複數曲柄驅動機構，設置在該基座上； 複數支調整比例後之該Jansen八連桿，分別對應其中一曲柄驅動機構，每一支Jansen八連桿的樞接點中，有一傳動點及不產生位移之一固定點，該傳動點連接該曲柄驅動機構，該固定點樞接在該基座上；該複數支Jansen八連桿兩兩成對排列，且成對排列之Jansen八連桿運動方向相同，但相位差180度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之多足爬梯機構，其中，成對之Jansen八連桿以前後方式排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多足爬梯機構，進一步，以一連動機構連接該成對排列之Jansen八連桿的偏心驅動機構。
7. 如申請專利範圍第6項所述之多足爬梯機構，其中，前述曲柄驅動機構係偏心傳動齒輪，該連動機構係多顆相連接之齒輪。
8. 如申請專利範圍第6項所述之多足爬梯機構，進一步，有四組成對排列之Jansen八連桿並排設置在該基座上，相鄰之成對的Jansen八連桿中，其中一側前方之Jansen八連桿與另一側後方之Jansen八連桿的相位相同。
9. 如申請專利範圍第8項所述之多足爬梯機構，進一步，有一動力單元連接前述曲柄驅動機構。
10. 如申請專利範圍第9項所述之多足爬梯機構，其中，該動力單元包括二顆馬達分別連接其中二組成對排列之Jansen八連桿的曲柄驅動機構。