CN108556951B - 自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的电驱动的单腿机器人，涉及机器人控制领域，通过设置机身连接板、大腿机构以及小腿机构，在获取机器人的小腿杆期望位置以及机器人的小腿杆实际位置后，将期望位置与实际位置通过运算得出小腿杆由实际位置移动到期望位置所需足端力，由足端力计算出髋关节电机以及膝关节电机各自所需力矩，最后将髋关节电机所需力矩以及膝关节所需力矩分别输入髋关节电机以及膝关节电机，控制机器人的大腿机构以及小腿机构运动。本发明还公开了一种自适应的电驱动的单腿机器人控制方法，由于采用的是电机配合减速器驱动机器人的运动方式，可以实现机器人的高负载能力，同时机器人的运动缓冲能力均由算法实现，可以提高机器人的缓冲能力。

Description

自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及移动机器人控制领域，尤其涉及一种自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法。

背景技术

近年来，随着移动机器人技术的成熟与发展，由于电驱动系统的移动机器人具有动态响应快、运行过程不产生噪声、不排放气体的特点，同时相比于液压系统的移动机器人具有体积小、质量轻的优势，所以电驱动系统的移动机器人具备较好的商业发展前景。

目前，现有的电驱动系统的移动机器人大多采用电机直驱以及采用减速比小于10的减速器的驱动系统来控制力，这种电驱动移动机器人具有动态响应快的特点，并且在机器人跳跃、奔跑时能有效缓冲冲击。但是电机直驱的电驱动系统无法提供机器人理想的负载能力，为了获得高负载能力必须采用减速比大于50的减速器，现有的电驱动系统的运动控制算法无法在高减速比的情况下提供好的动态性能，也无法在机器人高速奔跑、跳跃时缓冲足端对地面的冲击。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法，旨在解决现有技术中当机器人进行高速运动、跳跃以及重负载时，机器人足端与地面交互产生的冲击力急剧增大，会导致机器人零件受损的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种自适应的电驱动单腿机器人，该机器人包括：

机身连接板、大腿机构以及小腿机构；

所述大腿机构包括：髋关节电机、髋关节减速器、髋关节法兰以及大腿板；

所述小腿机构包括：膝关节电机、膝关节减速器、凸轮、小腿驱动杆以及小腿杆；

所述髋关节电机固定所述机身连接板上，输出端与所述髋关节减速器连接，所述髋关节减速器还与所述髋关节法兰连接，所述髋关节法兰与所述大腿板的一端连接；

所述膝关节电机固定在所述髋关节法兰上，输出端与所述膝关节减速器连接，所述膝关节减速器与所述凸轮连接，所述凸轮还与所述小腿驱动杆的一端连接，所述小腿驱动杆的另一端与所述小腿杆的一端连接，所述小腿杆的一端还与所述大腿板的另一端连接。

本发明第二方面提供一种自适应的电驱动的单腿机器人控制方法，该方法包括：

获取机器人的小腿杆期望位置，并根据所述机器人的髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，按照预设第一算法计算出机器人的小腿杆实际位置；

根据所述机器人的小腿杆期望位置与所述机器人的小腿杆实际位置，按照预设第二算法，计算出所述小腿杆从所述期望位置移动到所述实际位置这个过程中，所述髋关节电机所需力矩，以及所述膝关节电机所需力矩；

根据所述髋关节电机所需力矩，控制所述髋关节电机转动，以控制所述髋关节减速器转动，并根据所述膝关节电机所需力矩，控制所述膝关节电机转动，以控制所述膝关节减速器转动；

通过所述髋关节减速器和所述膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，以控制所述小腿杆移动到所述期望位置。

本发明提供一种自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法，通过设置机身连接板、大腿机构以及小腿机构，其中大腿机构内设置有髋关节电机和髋关节减速器等装置，小腿机构内设置有膝关节电机、膝关节减速器以及小腿杆等装置，在获取机器人小腿杆期望位置以及机器人小腿杆实际位置后，将所述期望位置与所述实际位置通过运算得出小腿杆由实际位置移动到期望位置所需足端力，由足端力计算出髋关节电机以及膝关节电机各自所需力矩，最后将髋关节电机所需力矩以及膝关节所需力矩分别输入髋关节电机以及膝关节电机，控制机器人的大腿以及小腿运动，由于采用的是电机配合减速器的驱动机器人运动方式，可以实现机器人的高负载能力，同时机器人的运动缓冲能力均由算法实现，可以提高机器人的缓冲能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人的一剖面图；

图2为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人的左视图的局部结构示意图；

图3A～图3H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人受干扰后自平衡过程示意图；

图4A～图4H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人从空中掉落接触地面后缓冲过程示意图；

图5A～图5H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人跳跃前进过程示意图；

图6为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人控制方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人控制方法中简化后的机器人映射模型示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1与图2，图1为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人的一剖面图，图2为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人的左视图的局部结构示意图。

由图1以及图2可知：

本发明实例中的机器人包括：机身连接板1、大腿机构以及小腿机构。

其中，大腿机构包括：髋关节电机2、髋关节减速器(图中未示出)、髋关节法兰3以及大腿板4。

小腿机构包括：膝关节电机5、膝关节减速器(图中未示出)、凸轮6、小腿驱动杆7以及小腿杆8。

髋关节电机2固定机身连接板1上，髋关节电机2的输出端与髋关节减速器连接，髋关节减速器还与髋关节法兰3连接，髋关节法兰3与大腿板4的一端连接。

具体地，髋关节减速器包括内转子以及外转子，髋关节电机2的输出端与髋关节减速器的内转子通过键连接，髋关节减速器的外转子与髋关节法兰3通过螺栓固定连接。

进一步的，当髋关节电机2运行时，带动其输出端连接的髋关节减速器的内转子转动，髋关节减速器的内转子再带动髋关节减速器的外转子转动，髋关节减速器的外转子带动髋关节法兰运动。

进一步的，大腿板4的数量为两个，髋关节法兰3与两个大腿板4的一端通过螺栓固定连接，以保证两个大腿板4随着髋关节法兰3一起运动。

具体的，每个大腿板4的一端设有弧形连接板，与髋关节法兰3的弧形外表面贴合，其中一个大腿板4通过若干个螺栓与髋关节法兰3的弧形表面连接，另一个大腿板4相隔预设距离通过相同数量的螺栓与髋关节法兰3的弧形表面连接，其中，两个大腿板4的另一端位置处于同一水平位置，便于与后续的其他部件连接。

进一步的，膝关节电机5固定在髋关节法兰3上，输出端与膝关节减速器连接，膝关节减速器与凸轮6连接，凸轮6还与小腿驱动杆7的一端连接，小腿驱动杆7的另一端与小腿杆8的一端连接，小腿杆8的一端还与大腿板4的另一端连接。

其中，膝关节减速器包括内转子以及外转子，膝关节电机5的输出端与膝关节减速器的内转子通过键连接，膝关节减速器的外转子与凸轮6通过螺栓固定连接。

进一步的，当膝关节电机5运行时，带动其输出端连接的膝关节减速器的内转子转动，膝关节减速器的内转子再带动膝关节减速器的外转子转动，膝关节减速器的外转子带动凸轮6运动。

进一步的，凸轮6与小腿驱动杆7的一端铰接，小腿驱动杆7的另一端与小腿杆8的一端铰接，小腿杆8的一端还与大腿板4的另一端铰接。

具体的，在小腿杆8的一端与小腿驱动杆7的另一端铰接的接触点预设距离的位置处，小腿杆8与两个大腿板4铰接，其中，两个大腿板4的另一端由于处于同一位置，所以两个大腿板4与小腿杆8铰接的位置相同，其目的是，便于小腿杆8与大腿板4的连接运动。

请参阅图3A～图3H，图3A～图3H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人受干扰后自平衡过程示意图。

如图3A～图3H所示，机器人被悬挂于空中，小腿杆8的足端被吊起，且不与地面接触，处于平衡位置，当足端被施加图中箭头的干扰时，比如：箭头方向的拉力，机器人会脱离平衡位置，当干扰消失后，机器人可以自动恢复平衡状态。

其中，图3-A～图3-D为机器人脱离平衡位置的姿态示意图，具体的，图3-A为机器人处于平衡姿态示意图，此时机器人不受任何干扰；图3-B为机器人的足端被施加图中黑色箭头方向的干扰时，机器人的初始姿态示意图；图3-C为机器人的足端被施加图中黑色箭头方向的干扰时，机器人的姿态持续变化示意图；图3-D为机器人的足端被施加图中黑色箭头方向的干扰时，机器人的姿态变化临界示意图。

进一步的，图3-E～图3-H为机器人自动恢复平衡状态示意图，具体的，图3-E为机器人的足端脱离图中黑色箭头方向施加的干扰后，机器人的初始姿态示意图；图3-F为机器人的足端脱离图中黑色箭头方向施加的干扰后，机器人的一姿态持续变化示意图；图3-G为机器人的足端脱离图中黑色箭头方向施加的干扰后，机器人的另一姿态持续变化示意图；图3-H为机器人的足端脱离图中黑色箭头方向施加的干扰后，机器人的最终平衡状态示意图。

具体的，机器人小腿杆8的足端在受到外界干扰时，其自适应恢复过程为：

第一、当机器人脱离干扰后，机器人首先获取机器人的小腿杆8期望位置，并根据髋关节电机2当前转角以及膝关节电机5当前转角，按照预设第一算法，计算出机器人的小腿杆8当前实际位置；

第二、根据机器人的小腿杆8期望位置与机器人的小腿杆8实际位置，按照预设第二算法，计算出机器人小腿杆从期望位置移动到实际位置髋关节电机2所需力矩，以及膝关节电机5所需力矩；

第三、根据髋关节电机2所需力矩，控制髋关节电机2转动，以控制髋关节减速器转动，并根据膝关节电机5所需力矩，以控制膝关节电机5转动，以控制膝关节减速器转动；

第四、通过髋关节减速器和膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，以控制小腿杆移动到实际位置。

重复上面步骤，直到小腿杆8的实际位置与期望位置重合，此时机器人恢复到平衡状态。

请参阅图4A～图4H，图4A～图4H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人从空中掉落接触地面后缓冲过程示意图。

如图4A～图4H所示，机器人被悬挂于空中，小腿杆8与地面接触的足端被吊起，处于平衡位置，当从空中松开机器人时，机器人会脱离平衡位置，当机器人掉落接触地面后，机器人可以自动恢复平衡状态。

其中，图4-A～图4-D为机器人脱离平衡位置的姿态示意图，具体的，图4-A为机器人处于平衡姿态示意图，此时机器人不受任何干扰；图4-B为从空中松开机器人时，机器人的初始姿态示意图；图4-C为从空中松开机器人时，机器人的姿态持续变化示意图；图4-D为从空中松开机器人时，机器人的姿态变化临界示意图，此时机器人的足端接触地面。

进一步的，图4-E～图4-H为机器人自动恢复平衡状态示意图，具体的，图4-E为机器人接触地面后，机器人缓冲的初始姿态图；图4-F为机器人接触地面后，机器人缓冲的一姿态持续变化示意图；图4-G为机器人机器人接触地面后，机器人缓冲的另一姿态持续变化示意图；图4-H为机器人机器人接触地面后，机器人的最终平衡状态示意图。

具体的，机器人从空中掉落接触地面后，其缓冲自适应恢复过程为：

第一、当从空中松开机器人后，机器人接触地面时，首先获取机器人的小腿杆8期望位置，并根据髋关节电机2当前转角以及膝关节电机5当前转角，按照预设第一算法，计算出机器人的小腿杆8当前实际位置；

第二、根据机器人的小腿杆8期望位置与机器人的小腿杆8实际位置，按照预设第二算法，计算出机器人小腿杆从期望位置移动到实际位置髋关节电机2所需力矩，以及膝关节电机5所需力矩；

第三、根据髋关节电机2所需力矩，控制髋关节电机2转动，以控制髋关节减速器转动，并根据膝关节电机5所需力矩，以控制膝关节电机5转动，以控制膝关节减速器转动；

第四、通过髋关节减速器和膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，以控制小腿杆移动到实际位置。

重复上面步骤，直到机器人小腿杆8的实际位置与小腿杆8的期望位置重合，机器人再次恢复平衡状态。

请参阅图5A～图5H，图5A～图5H为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人跳跃前进过程示意图。

如图5A～图5H所示，机器人小腿杆8与地面接触的足端，处于平衡位置，当机器人向跳跃前进时，机器人会脱离平衡位置，跳跃到空中，机器人可以自动恢复平衡状态，当机器人再次接触地面后，机器人处于平衡位置。

其中，图5-A～图5-D为机器人脱离平衡位置的姿态示意图，具体的，图5-A为机器人处于平衡姿态示意图，此时机器人不受任何干扰；图5-B为机器人向前跳跃时，机器人的初始姿态示意图；图5-C为机器人向前跳跃时，机器人的姿态持续变化示意图；图5-D为机器人向前跳跃时，机器人的姿态变化临界示意图，此时机器人的足端脱离地面。

进一步的，图5-E～图5-H为机器人自动恢复平衡状态示意图，具体的，图5-E为机器人的足端脱离地面后，机器人下降的初始姿态图；图5-F为机器人再次接触地面后，机器人缓冲的一姿态持续变化示意图；图5-G为机器人机器人再次接触地面后，机器人缓冲的另一姿态持续变化示意图；图5-H为机器人机器人向前跳跃后，再次接触地面时，机器人的最终平衡状态示意图。

具体的，机器人从空中掉落接触地面后，其缓冲自适应恢复过程为：

第一、当机器人向前跳跃时，机器人首先获取机器人的小腿杆8期望位置，并根据髋关节电机2当前转角以及膝关节电机5当前转角，按照预设第一算法，计算出机器人的小腿杆8当前实际位置；

第二、根据机器人的小腿杆8期望位置与机器人的小腿杆8实际位置，按照预设第二算法，计算出机器人小腿杆从期望位置移动到实际位置髋关节电机2所需力矩，以及膝关节电机5所需力矩；

第三、根据髋关节电机2所需力矩，控制髋关节电机2转动，以控制髋关节减速器转动，并根据膝关节电机5所需力矩，以控制膝关节电机5转动，以控制膝关节减速器转动；

第四、通过髋关节减速器和膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，使得足端产生向上以及向前的力，即可使得机器人向前跳跃。

当机器人处于空中，需要落到地面时，重复上面步骤，直到机器人小腿杆8的实际位置与小腿杆8的期望位置重合，机器人再次恢复平衡状态。

在本发明实施例中，通过设置机身连接板、大腿机构以及小腿机构，其中大腿机构内设置有髋关节电机和髋关节减速器等装置，小腿机构内设置有膝关节电机、膝关节减速器以及小腿杆等装置，通过髋关节电机配合髋关节减速器驱动大腿机构以及部分小腿机构运动，膝关节电机配合膝关节减速器驱动其余小腿机构运动，最终达到控制整个单腿机器人运动的目的。由于采用的是电机配合减速器的驱动机器人运动方式，可以实现机器人的高负载能力，同时机器人的运动缓冲能力均由算法实现，可以提高机器人的缓冲能力。

请参阅图6，图6为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人控制方法的流程示意图。该方法包括：

S101、获取机器人的小腿杆期望位置，并根据机器人的髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，按照预设第一算法计算出机器人的小腿杆实际位置。

具体地，请参阅图7，图7为本发明实施例提供的自适应的电驱动的单腿机器人控制方法中简化后的机器人映射模型示意图。机器人由内置编码器获取髋关节电机当前转角A₀，以及膝关节电机当前转角A₁，其中，A₀为大腿板与X轴正方向的夹角，A₁为从小腿驱动杆与凸轮的连接点指向到原点所构成的连接线，和X轴正方向形成的夹角。机器人根据髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，按照预设第一算法，得到小腿杆的实际位置。

具体的，第一算法包括：

计算小腿驱动杆与凸轮连接点位置公式以及计算大腿板与小腿杆的连接点：

小腿杆驱动杆与凸轮连接点的位置坐标为：(x₀，y₀)，其中，小腿驱动杆与凸轮的连接点，和原点之间的距离为r；大腿板与小腿杆的连接点的位置坐标为：(x₃，y₃)，其中，大腿板的长度为l₁，则有：

进一步的，计算第一中间变量k₁，其中，小腿杆与大腿板连接点的位置坐标为(x₃，y₃)，小腿驱动杆与小腿杆的连接点的位置坐标为(x₁，y₁)，坐标点(x₃，y₃)与坐标点(x₁，y₁)之间的距离为l₅，具体的：

进一步，计算第二中间变量A1，具体的：

进一步的，小腿驱动杆与小腿杆的连接点的位置坐标(x₁，y₁)，计算公式为：

进一步的，坐标点(x₃，y₃)与坐标点(x₁，y₁)之间的距离l₅的斜率为k^l ₅，则k_l5具体计算公式为：

进一步的，计算第三中间变量A2，具体的A2的计算公式为：

进一步的，计算小腿杆的实际位置坐标(x₄，y₄)，其中，小腿杆与大腿板连接点的位置坐标为(x₃，y₃)，坐标点(x₄，y₄)具体的计算公式为：

进一步的，获取机器人小腿杆的期望位置为(Px，Py)，其中，期望位置为用户或者机器人预设的目标位置。

S102、根据机器人的小腿杆期望位置与机器人的小腿杆实际位置，按照预设第二算法，计算出小腿杆从期望位置移动到实际位置这个过程中，髋关节电机所需力矩，以及膝关节电机所需力矩。

进一步的，根据期望位置与所述实际位置，模拟弹簧运动算法，得到所述小腿杆由所述实际位置移动到所述期望位置所需足端力的矢量值F_D。

进一步的，计算机器人小腿杆足端实际位置与机器人小腿杆足端期望位置之差以及机器人小腿杆的足端速度，具体计算过程为：

机器人小腿杆足端实际位置与机器人小腿杆足端期望位置之差：

进一步的，机器人小腿杆的足端速度由髋关节电机以及膝关节电机反馈回来的电机转角信息，通过力学知识计算出机器人小腿杆足端速度，此方法可以减小足端速度的计算误差，得出机器人速度为

进一步的，在模拟弹簧运动算法中，通过预设K_px为X轴方向虚拟弹性系数，预设K_dx为X轴方向虚拟阻尼系数，预设K_py为Y轴方向虚拟弹性系数，预设K_dy为Y轴方向虚拟阻尼系数，则，计算小腿杆所需足端力F_D的具体计算公式为：

进一步的，先按照第二预设算法，先通过小腿杆所需足端力的矢量值，分别得到髋关节力矩以及膝关节力矩，具体的计算公式为：

其中，τ_{j_hip}为髋关节力矩，τ_{j_knee}为膝关节力矩。

进一步的，将髋关节处力矩映射到髋关节电机上，得到髋关节电机所需力矩，以及将膝关节处力矩映射到膝关节电机上，得到膝关节电机所需力矩，具体的计算公式为：

τ_{m_hip}＝τ_{j_hip}

其中，τ_{m_hip}为髋关节电机力矩，τ_{m_knee}为髋关节电机力矩，θ₄为小腿驱动杆与小腿杆之间小于180°的夹角，θ₃为小腿驱动杆与凸轮的连接点与原点所构成的连线，与小腿驱动杆所成的小于180°的夹角。

S103、根据髋关节电机所需力矩，控制髋关节电机转动，以控制髋关节减速器转动，并根据膝关节电机所需力矩，控制膝关节电机转动，以控制膝关节减速器转动。

其中，髋关节电机固定机身连接板上，输出端与髋关节减速器连接，髋关节减速器还与髋关节法兰连接，髋关节法兰与大腿板的一端连接。

其中，髋关节减速器包括内转子以及外转子，髋关节电机的输出端与髋关节减速器的内转子通过键连接，髋关节减速器的外转子与髋关节法兰通过螺栓固定连接。

进一步的，当髋关节电机运行时，带动其输出端连接的髋关节减速器的内转子转动，髋关节减速器的内转子再带动髋关节减速器的外转子转动，髋关节减速器的外转子带动髋关节法兰运动。

进一步的，大腿板的数量为两个，髋关节法兰与两个大腿板的一端通过螺栓固定连接，以保证两个大腿板随着髋关节法兰一起运动。

具体的，每个大腿板的一端设有弧形连接板，与髋关节法兰的弧形外表面贴合，其中一个大腿板通过若干个螺栓与髋关节法兰的弧形表面连接，另一个大腿板相隔预设距离通过相同数量的螺栓与髋关节法兰的弧形表面连接，其中，两个大腿板的另一端位置处于同一水平位置，便于与后续的其他部件连接。

进一步的，膝关节电机固定在髋关节法兰上，输出端与膝关节减速器连接，膝关节减速器与凸轮连接，凸轮还与小腿驱动杆的一端连接，小腿驱动杆的另一端与小腿杆的一端连接，小腿杆的一端还与大腿板的另一端连接。

其中，膝关节减速器包括内转子以及外转子，膝关节电机的输出端与膝关节减速器的内转子通过键连接，膝关节减速器的外转子与凸轮通过螺栓固定连接。

进一步的，当膝关节电机运行时，带动其输出端连接的膝关节减速器的内转子转动，膝关节减速器的内转子再带动膝关节减速器的外转子转动，膝关节减速器的外转子带动凸轮运动。

进一步的，凸轮与小腿驱动杆的一端铰接，小腿驱动杆的另一端与小腿杆的一端铰接，小腿杆的一端还与大腿板的另一端铰接。

具体的，在小腿杆的一端与小腿驱动杆的另一端铰接的接触点预设距离的位置处，小腿杆与两个大腿板铰接，其中，两个大腿板的另一端由于处于同一位置，所以两个大腿板与小腿杆铰接的位置相同，其目的是，便于小腿杆与大腿板的连接运动。

S104、通过髋关节减速器和膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，以控制小腿杆移动到期望位置。

进一步的，通过大腿机构以及小腿机构的配合运动，可以实现机器人的受干扰后自平衡、落地缓冲以及跳跃前进等动作。

在本发明实施例中，通过设置机身连接板、大腿机构以及小腿机构，其中大腿机构内设置有髋关节电机和髋关节减速器等装置，小腿机构内设置有膝关节电机、膝关节减速器以及小腿杆等装置，在获取机器人小腿杆期望位置以及机器人小腿杆实际位置后，将期望位置与实际位置通过运算得出小腿杆由实际位置移动到期望位置所需足端力，由足端力计算出髋关节电机以及膝关节电机各自所需力矩，最后将髋关节电机所需力矩以及膝关节所需力矩分别输入髋关节电机以及膝关节电机，控制机器人的大腿以及小腿运动，由于采用的是电机配合减速器的驱动机器人运动方式，可以实现机器人的高负载能力，同时机器人的运动缓冲能力均由算法实现，可以提高机器人的缓冲能力。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，机构的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，或一些特征可以忽略，或不执行。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种自适应的电驱动的单腿机器人，其特征在于，所述机器人包括：

机身连接板、大腿机构以及小腿机构；

所述大腿机构包括：髋关节电机、髋关节减速器、髋关节法兰以及大腿板；

所述小腿机构包括：膝关节电机、膝关节减速器、凸轮、小腿驱动杆以及小腿杆；

所述髋关节电机固定所述机身连接板上，输出端与所述髋关节减速器连接，所述髋关节减速器还与所述髋关节法兰连接，所述髋关节法兰与所述大腿板的一端连接；

所述膝关节电机固定在所述髋关节法兰上，输出端与所述膝关节减速器连接，所述膝关节减速器与所述凸轮连接，所述凸轮还与所述小腿驱动杆的一端连接，所述小腿驱动杆的另一端与所述小腿杆的一端连接，所述小腿杆的一端还与所述大腿板的另一端连接；

其中，所述髋关节电机的输出端与所述髋关节减速器的内转子通过键连接，所述髋关节减速器的外转子与所述髋关节法兰通过螺栓固定连接。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述大腿板的数量为两个，所述髋关节法兰与两个所述大腿板的一端通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述膝关节电机的输出端与所述膝关节减速器的内转子通过键连接，所述膝关节减速器的外转子与凸轮通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求3所述机器人，其特征在于，所述凸轮与所述小腿驱动杆的一端铰接，所述小腿驱动杆的另一端与所述小腿杆的一端铰接，所述小腿杆的一端还与所述大腿板的另一端铰接。

5.一种自适应的电驱动的单腿机器人控制方法，用于控制如权利要求1～4任一项所述的自适应的电驱动的单腿机器人，其特征在于，所述方法包括：

获取机器人的小腿杆期望位置，并根据所述机器人的髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，按照预设第一算法计算出机器人的小腿杆实际位置；

根据所述机器人的小腿杆期望位置与所述机器人的小腿杆实际位置，按照预设第二算法，计算出所述小腿杆从所述期望位置移动到所述实际位置这个过程中，所述髋关节电机所需力矩，以及所述膝关节电机所需力矩；

根据所述髋关节电机所需力矩，控制所述髋关节电机转动，以控制所述髋关节减速器转动，并根据所述膝关节电机所需力矩，控制所述膝关节电机转动，以控制所述膝关节减速器转动；

通过所述髋关节减速器和所述膝关节减速器，驱动大腿机构和小腿机构运动，以控制所述小腿杆移动到所述期望位置；

其中，所述第一算法包括：

计算小腿驱动杆与凸轮连接点位置公式以及计算大腿板与所述小腿杆的连接点：

所述小腿杆驱动杆与凸轮连接点的位置坐标为：(x₀，y₀)，其中，所述小腿驱动杆与所述凸轮的连接点，和原点之间的距离为r；所述大腿板与所述小腿杆的连接点的位置坐标为：(x₃，y₃)，其中，所述大腿板的长度为l₁，则有：

计算第一中间变量k₁，其中，所述小腿杆与所述大腿板连接点的位置坐标为(x₃，y₃)，所述小腿驱动杆与所述小腿杆的连接点的位置坐标为(x₁，y₁)，坐标点(x₃，y₃)与坐标点(x₁，y₁)之间的距离为l₅，具体的：

计算第二中间变量A1，具体的：

所述小腿驱动杆与所述小腿杆的连接点的位置坐标(x₁，y₁)，计算公式为：

坐标点(x₃，y₃)与坐标点(x₁，y₁)之间的距离l₅的斜率为

则

具体计算公式为：

计算第三中间变量A2，具体的A2的计算公式为：

计算所述小腿杆的实际位置坐标(x₄，y₄)，其中，所述小腿杆与所述大腿板连接点的位置坐标为(x₃，y₃)，坐标点(x₄，y₄)具体的计算公式为：

获取所述小腿杆的期望位置为(Px，Py)，其中，所述期望位置为用户或者机器人预设的目标位置；

其中，所述就第二算法包括：

根据所述期望位置与所述实际位置，模拟弹簧运动算法，得到所述小腿杆由所述实际位置移动到所述期望位置所需足端力的矢量值F_D。

计算所述机器人小腿杆足端实际位置与所述机器人小腿杆足端期望位置之差以及所述机器人小腿杆的足端速度，具体计算过程为：

所述机器人小腿杆足端实际位置与所述机器人小腿杆足端期望位置之差：

所述机器人小腿杆的足端速度由所述髋关节电机以及所述膝关节电机反馈回来的电机转角信息，通过力学知识计算出所述机器人小腿杆足端速度，此方法可以减小足端速度的计算误差，得出机器人速度为

在模拟弹簧运动算法中，通过预设K_px为X轴方向虚拟弹性系数，预设K_dx为X轴方向虚拟阻尼系数，预设K_py为Y轴方向虚拟弹性系数，预设K_dy为Y轴方向虚拟阻尼系数，则，计算所述小腿杆所需足端力F_D的具体计算公式为：

先按照第二预设算法，先通过所述小腿杆所需足端力的矢量值，分别得到所述髋关节力矩以及所述膝关节力矩，具体的计算公式为：

其中，τ_{j_hip}为所述髋关节力矩，τ_{j_knee}为所述膝关节力矩。

将所述髋关节处力矩映射到所述髋关节电机上，得到所述髋关节电机所需力矩，以及将所述膝关节处力矩映射到所述膝关节电机上，得到所述膝关节电机所需力矩，具体的计算公式为：

τ_{m_hip}＝τ_{j_hip}

其中，τ_{m_hip}为所述髋关节电机力矩，τ_{m_knee}为所述髋关节电机力矩，θ₄为所述小腿驱动杆与所述小腿杆之间小于180°的夹角，θ₃为所述小腿驱动杆与凸轮的连接点与原点所构成的连线，与所述小腿驱动杆所成的小于180°的夹角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，按照预设第一算法，计算出机器人小腿杆实际位置包括：

通过所述机器人中内置的编码器获取髋关节电机当前转角以及膝关节电机当前转角，根据所述髋关节电机当前转角以及所述膝关节电机当前转角，按照预设第一算法，得到所述小腿杆的实际位置。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述机器人小腿杆期望位置与所述机器人小腿杆实际位置，按照预设第二算法，计算出机器人从所述期望位置移动到所述实际位置，所述髋关节电机所需力矩以及所述膝关节电机所需力矩包括：

根据所述期望位置与所述实际位置，模拟弹簧运动算法，得到所述小腿杆由所述实际位置移动到所述期望位置所需足端力的矢量值；

按照第二预设算法，根据所述小腿杆所需足端力的矢量值，分别得到髋关节处力矩以及膝关节处力矩；

将所述髋关节处力矩映射到所述髋关节电机上，得到所述髋关节电机所需力矩，以及将所述膝关节处力矩映射到所述膝关节电机上，得到所述膝关节电机所需力矩。

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