2019科創講堂

機器人驅動技術

講者/藍兆杰(國立成功大學機械工程學系教授)

撰文/整理/科學人
2019/10/07

2019科創講堂

機器人驅動技術

講者/藍兆杰(國立成功大學機械工程學系教授)

撰文/整理/科學人
2019/10/07


驅動技術是機器人研究裡比較冷門的領域,一般人較常聽見的可能是人工智慧、機器學習、機器視覺等,原因在於驅動技術目前尚有許多未能突破的門檻,但卻是機器人發展中不可缺乏的一環。


機器人應用技術和發展趨勢


機器人指能執行任務的人造機器裝置,用以取代或協助人類工作,一般會是機電裝置,由電腦程式或是電子電路控制,依照這個定義來說,可能洗衣機、洗碗機也算是一種機器人。機器人的研發需要機械工程、電機工程、資訊工程、醫學工程四個學術領域的參與,主要的次技術領域包括能量學、驅動技術、感知技術和決策技術。


機器人應用發展趨勢,從早期工業用的機器人,到近期出現了服務型機器人或是醫療照護型機器人,甚至還有娛樂、軍事、救難、太空機器人等,從工廠開始進入人類生活當中,這些機器人都需要透過驅動技術來和人類互動。


電動馬達目前是大尺度驅動較佳選擇


驅動技術或稱為驅動器,是設計機器人運動模式的核心,像是壓電驅動器的小尺度驅動,可以應用在仿生機器人,模擬蜜蜂和老鼠的運動行為;或是利用液壓驅動器的大尺度驅動,像是仿人機器人,目前已有研究團隊讓機器人成功做到和人類一樣的後空翻動作,不過大尺度驅動的機器人在先天物理上的限制尚未突破技術瓶頸,發展上未如小尺度驅動來得成功。


機器人的基本組成要素有三個部分:驅動器、感測器和計算能力。感測器和計算能力近年來具有突破性的發展,但是驅動器依目前的技術尚無法達到與人類肌肉相同的比功率和比能量,而且差距仍然很大。目前科學家的研究成果以壓電陶瓷材料和形狀記憶合金比較有機會突破,壓電陶瓷材料可以達到較大的比功率、SMA形狀記憶合金具有輕量化結構,可以產生較大的比能量。


然而壓電陶瓷材料和形狀記憶合金最佳的成果是應用在小尺度驅動,超過了最佳應用狀態的尺寸,進入大尺度驅動應用後,效率可能就會降低,藍兆杰教授指出,目前大尺度驅動以電動馬達為主,除了考量比功率和比能量,其他像是位置控制、雙向運動、可靠度、力量控制等都是重要參考因素,考量這些因素之後,電動馬達是比較好的選擇。


力量控制為驅動器主要的挑戰


現在機器人驅動器的主要挑戰是在力量控制,驅動器的結構主要為馬達轉子、減速齒輪、力感測器和負載,機器人力量控制的困難是受到減速齒輪的影響,反應慣量及摩擦力過大,因此機器人驅動器的準確穩定力量控制並不容易。


解決力量控制的問題主要有兩種研究趨勢,第一種是避免使用減速齒輪,若無減速齒輪,則機器人驅動器的能量密度無法提高.無法承受較大負載,機器人的力量就不會那麼大;第二種是串聯彈性致動器,在減速齒輪和負載之間加彈簧,做個緩衝,這也是從人體的結構獲得靈感的仿生設計,機器人的驅動器就像是人體的肌肉、彈簧是肌腱、結構則是骨骼。


藍兆杰教授實驗室應用串聯彈性致動器技術,目前已做出前臂外骨骼機器人,未來可以在醫療上應用幫助病人復健,在滿足人類的日常互動的需求上,串聯彈性致動器是具有發展潛力的技術。