人型機器人和減速機的關係

近年來因人工智慧的發展迅速，人型機器人（Humanoid Robots）也跟著AI的發展快速而被重視及研究，人型機器人相關的機構涵蓋了許多領域，包括機械設計、運動控制、人工智慧、機器視覺、人機互動等。其中人型機器人最重要的部件除了晶片以外其傳動結構也是在人型機器人中佔非常重要的一環。人型機器人在所有的運動中腳部的移動、跳動，手部的旋轉、上下位移及手腳互動的搬運物件所須要的快速反應及承載扭矩的變化，而馬達及減速機構就成為重要的部件了。一個完整的人型機器人通常包含以下關節驅動系統：

1. 頭部（2-3個）：

- 左右轉動（1個）

- 上下點頭（1個）

- 側向傾斜（可選1個）

2. 每隻手臂（6-7個）：

- 肩關節（3個）：上下、前後、旋轉

- 肘關節（1-2個）：彎曲、旋轉

- 手腕（2個）：上下、左右

3. 每隻手掌（2-5個）：

- 基本抓握（2個）

- 進階手指控制（最多可達5個）

4. 軀幹（2-3個）：

- 腰部轉動（1個）

- 前後彎曲（1個）

- 側向彎曲（可選1個）

5. 每條腿（6個）：

- 髖關節（3個）：上下、前後、旋轉

- 膝關節（1個）

- 腳踝（2個）：上下、左右

總計：

- 最基本配置：約20-25個驅動系統

- 完整配置：可達30-35個驅動系統

- 高級配置：有些可達40個以上

每個驅動系統通常包含：

1. 馬達
2. 減速機構（諧波減速器或行星齒輪）
3. 編碼器
4. 位置/力矩感測器

人型機器人的驅動與減速機構的種類

• 伺服電機 + 齒輪減速機：常見於大部分機器人。
• 直線執行器：適用於較大力量的部位（如腿部）。
• 諧波減速器（Harmonic Drive）：用於高精度、低背隙的部位（如手臂和手指）。
• 行星減速機：適合高負載和高扭矩需求。

人型機器人減速機構中諧波減速機和行星式減速機其具體分布為：

諧波減速機（約15-20個）主要用於：

1. 頭部（1-2個）：

- 左右轉動（諧波）

- 上下點頭（可選諧波）

2. 每隻手臂（4-5個）：

- 肩關節（3個諧波）：需要高精度

- 上下運動

- 前後運動

- 旋轉動作

- 肘關節（1-2個諧波）：

- 彎曲動作

- 旋轉（如有）

3. 軀幹（2個諧波）：

- 腰部旋轉

- 軀幹彎曲

4. 每條腿（4個諧波）：

- 髖關節（2-3個）

- 前後擺動 

- 左右移動

- 旋轉動作

- 膝關節（1個）：需要高扭矩

約占總體40% 至 60% 的減速機用量。

行星式減速機（約10-15個）主要用於：

1. 頭部（1個）：

- 側向傾斜（如有）

2. 每隻手臂（2個）：

- 手腕關節

- 上下彎曲

- 左右轉動

3. 手指（2-5個）：

- 基本抓握機構

- 各手指關節

4. 每條腿（2個）：

- 腳踝關節

- 上下活動

- 左右轉動

也是約占 40% 至 60% 的減速機用量。

選擇使用何種減速機構的標準：

1. 使用諧波減速機的情況：

- 需要高精度定位

- 需要大減速比

- 空間受限

- 要求低背隙

- 承受較大負載

2. 使用行星式減速機的情況：

- 成本考量

- 維護便利性

- 負載較小

- 精度要求相對較低

- 需要較高效率

3. 具體配置會根據以下因素調整：

- 機器人尺寸

- 預算限制

- 應用場景

- 性能要求

- 維護考量

這種配置可以確保：

- 關鍵關節獲得高精度控制

- 成本得到合理控制

- 維護相對便利

- 整體性能平衡

選擇考量因素：

- 機器人用途

- 預算限制

- 重量要求

- 精度需求

- 功率需求