CN109070344B - 串联弹性驱动器装置、串联弹性驱动器控制方法及利用其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及串联弹性驱动器装置、串联弹性驱动器控制方法以及利用其的系统，所述串联弹性驱动器装置,其特征在于，包括：马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过驱动马达的旋转力来进行旋转；负荷侧旋转部，与马达侧旋转部相结合，用于将驱动马达的旋转力传递到负荷；以及至少一对弹性部件，设置于马达侧旋转部与负荷侧旋转部之间的空间，在马达侧旋转部和负荷侧旋转部中的一个形成有框架，所述框架具有用于固定一对弹性部件的收容空间。

Description

串联弹性驱动器装置、串联弹性驱动器控制方法及利用其的系统

技术领域

本发明涉及串联弹性驱动器(SEA，Series Elastic Actuator)的结构及其控制方法。

背景技术

近来，随着机器人技术的发展，除了工业机器人之外，还需要可代替人类执行多种操作的智能机器人，并且正在积极进行有关其的研究和开发。

为了开发智能机器人，需要机械、电子等传统技术以及新材料、半导体、人工智能、传感器软件等尖端技术，与传统工业机器人不同，智能机器人可以为具有未来市场所需功能和性能的机器人。

并且，智能机器人可在更接近人类的位置执行多种操作，为了解决与人类协作过程中可发生的问题，需要将串联弹性驱动器(SEA，Series Elastic Actuator)技术应用于机器人。

串联弹性驱动器(SEA)是一种利用弹性共同控制力和位置的技术，其不仅控制机器人关节等位置，而且还可共同控制位置和力，例如人类的肌肉，从而可使机器人在恶劣环境，例如在不平坦的地面上启动，或者可根据外压使其适应地操作。

串联弹性驱动器具有多种类型，但通常使用具有如图1所示的结构的螺栓驱动型串联弹性驱动器。

参照图1，现有的螺栓驱动型串联弹性驱动器包括：螺栓螺杆20，与驱动马达10相连接并进行旋转；螺母部30，根据螺栓螺杆20的旋转方向来向左或向右进行直线运动；直线运动部50，通过支撑螺母部30的弹簧40来向左或向右进行直线运动；以及臂60，与直线运动部50相连接。

在螺栓驱动型串联弹性驱动器中，螺栓螺杆20通过与驱动马达10直接相连接来进行旋转，根据螺栓螺杆20的旋转方向，与螺栓螺杆20相连接的螺母部30向左或向右进行直线运动。

当螺栓螺杆20进行直线运动时，直线运动部50及臂60通过螺母部30和支撑螺母部的弹簧40沿着与螺母部30相同的方向进行直线运动。

在如上所述的现有的串联弹性驱动器的情况下，需要设计为使包括弹簧的整个直线运动部进行移动，因此存在结构复杂且大型化的缺点。

并且，在进行旋转运动的情况下，难以适用如上所述的结构的串联弹性驱动器，并且需要适用于旋转运动的串联弹性驱动器的控制方法。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于解决如上所述的问题并提供一种具有可有效操作的结构的串联弹性驱动器装置。

并且，本发明的目的在于提供一种用于控制具有适合于旋转运动的结构的串联弹性驱动器的方法及利用其的串联弹性驱动器系统。

技术方案

根据本发明的一实施例的串联弹性驱动器装置，包括：马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过所述驱动马达的旋转力来进行旋转；负荷侧旋转部，与所述马达侧旋转部相结合，用于将所述驱动马达的旋转力传递到负荷；以及至少一对弹性部件，设置于所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间，在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的一个形成有框架，所述框架具有用于固定所述一对弹性部件的收容空间。

根据本发明的另一实施例的串联弹性驱动器装置，包括：马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过所述驱动马达的旋转力来进行旋转；负荷侧旋转部，与所述马达侧旋转部相结合，用于将所述驱动马达的旋转力传递到负荷；以及至少一对弹性部件，固定于所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间，用于在内侧支撑所述一对弹性部件的第一框架形成于所述马达侧旋转部，用于在外侧支撑所述一对弹性部件的第二框架形成于所述负荷侧旋转部。

根据本发明的一实施例的串联弹性驱动器控制方法，用于控制包括用于将驱动马达的旋转力传递到负荷而相结合的马达侧旋转部及负荷侧旋转部以及弹性部件的串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器控制方法包括：测定所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的相对位移的步骤；根据所测定的所述位移和所述弹性部件的刚性(K)，求得由施加到所述负荷侧的外力引起的外部扭矩(torque)的步骤；对所求得的所述外部扭矩和阈值扭矩进行比较的步骤；以及基于所述比较结果，将所述串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制和位置(position)控制中的一个的步骤。

所述弹性部件在所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间至少设置一对，并且一对弹性部件中的一个根据所述马达侧旋转部的旋转方向而被压缩。

另一方面，根据所述控制方法的步骤可由在本发明的一实施例的串联弹性驱动器系统中执行的计算机程序构成，所述计算机程序可存储于计算机可读介质中。

根据本发明的一实施例的串联弹性驱动器系统，包括：马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过所述驱动马达的旋转力来进行旋转；负荷侧旋转部，与所述马达侧旋转部相结合，用于将所述驱动马达的旋转力传递到负荷；至少一对弹性部件，设置于所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间；传感部，用于测定所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的相对位移；以及控制器，使用所测定的所述位移来求得由施加到所述负荷侧的外力引起的外部扭矩(torque)，并基于对所求得的所述外部扭矩和阈值扭矩进行比较的结果来将控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个。

有益效果

根据本发明的一实施例，在通过驱动马达的旋转力来共同旋转的马达侧旋转部和负荷侧旋转部中的一个上形成具有用于固定一对弹性部件的收容空间的框架，使得一个弹性部件根据马达侧旋转部的相对旋转方向而被压缩，从而可提供适合于旋转运动的同时具有简单结构的串联弹性驱动器装置，由此可实现小型化的串联弹性驱动器。

根据本发明的另一实施例，根据马达侧旋转部与负荷侧旋转部之间的相对位移来检测施加到负荷侧的外力，并根据外力与基准值的比较结果将串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个，从而使串联弹性驱动器可根据情况稳定地控制力和位置。

附图说明

图1为用于说明现有的串联弹性驱动器的结构的一列的图。

图2及图3为用于说明本发明的一实施例的串联弹性驱动器装置的结构的分解立体图。

图4为用于说明多个弹性部件固定于马达侧旋转部与负荷侧旋转部之间的空间的结构的一实施例的图。

图5为用于说明本发明的串联弹性驱动器装置的操作的多个实施例的图。

图6为用于说明设置于串联弹性驱动器装置的传感部的结构及操作的一实施例的图。

图7及图8为示出本发明的另一实施例的串联弹性驱动器装置的结构的立体图。

图9为本发明的串联弹性驱动器控制方法的一实施例的流程图。

图10为用于说明当外力施加到负荷时串联弹性驱动器的操作的一实施例的图。

图11为用于说明扭矩控制方法的一实施例的图。

图12为用于说明位置控制方法的一实施例的图。

图13为用于说明扭矩控制与位置控制之间的切换方法的第一实施例的曲线图。

图14为用于说明扭矩控制与位置控制之间的切换方法的第二实施例的曲线图。

具体实施方式

以下内容仅说明本发明的原理。因此，尽管本说明书中未明确地说明或示出，但是本技术领域普通技术人员可体现本发明的原理且发明本发明的概念和范围中所包含的多种装置。并且，应理解的是，本说明书中所列举的所有条件术语及实施例原则上仅用于理解本发明的概念，而不限定于特别列举的多个实施例和多个状态。

并且，应理解的是，本发明的原理、观点和实施例及列举特定实施例的所有详细说明旨在包括这种事项的结构及功能等同物。并且，还应理解的是，这种等同物不仅包括当前已知的等同物，而且还包括将来要开发的等同物，即发明与结构无关的用于执行相同功能的所有元件。

因此，例如，应该理解，本说明书的框图表示对本发明的原理进行具体化的示例性电路的概念性的观点。类似地，所有流程图、状态转换图、伪代码等表示可实质上在计算机可读介质上表示并由计算机或处理器执行的多种过程，无论是否明确地示出计算机或处理器。

在包括处理器或类似的概念的功能块的图中所示的多种元件的功能可通过使用专用硬件以及具有可执行与适当的软件相关的软件的能力的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独处理器提供，可共享其中一部分。

所述目的、特征及优点可通过与附图相关的以下详细说明来变得更加明显，由此，本发明所属技术领域普通技术人员可容易实施本发明的技术思想。并且，对于说明本发明，在判断为与本发明相关的已知技术的具体说明可使本发明的主旨变得模糊的情况下，将省略其详细说明。

下面，参照附图来详细说明本发明的优选实施例。

图2及图3为用于说明本发明的一实施例的串联弹性驱动器装置的结构的分解立体图，串联弹性驱动器装置可包括马达侧旋转部100、负荷侧旋转部200以及多个弹性部件310、320。

参照图2及图3，马达侧旋转部100与驱动马达(未示出)相连接并通过驱动马达的旋转力来进行旋转，负荷侧旋转部200起到将所述驱动马达的旋转力传递到负荷的作用。

为此，马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200相结合，负荷侧旋转部200可被配置为根据马达侧旋转部100的旋转而共同旋转。

在马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的空间设置有至少一对弹性部件300。

根据本发明的一实施例，在由驱动马达的旋转力而共同旋转的马达侧旋转部100和负荷侧旋转部200中的一个形成有具有用于固定至少一对弹性部件300的收容空间的框架。

并且，马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200中的另一个上可形成有用于在内侧支撑所述一对弹性部件的框架。

在此情况下，弹性部件中的一个根据以负荷侧旋转部200为基准的马达侧旋转部100的相对旋转方向而被压缩，可在旋转运动中体现可控制力或扭矩(torque)的串联弹性驱动器装置。

本发明的一实施例的串联弹性驱动器装置适合于旋转运动的同时具有简单的结构，并且具有由此可实现小型化的优点。

所述多个弹性部件310、320可以由硅酮或聚氨酯等弹性材料构成，然而本发明并不限定于此，可以由硅酮或聚氨酯以外的多种弹性物质或两种以上的多个弹性物质的混合物构成。

另一方面，如图2所示，所述多个弹性部件310、320可呈圆柱形状，然而本发明并不限定于此，可具有圆柱以外的多种形状。

其中，可改变所述多个弹性部件310、320的材料、形状或大小，并且弹性部件的刚性(K)可根据改变而变化。

再参照图2及图3，在马达侧旋转部100可形成有用于在内侧支撑一对弹性部件300的内侧框架150，并且在负荷侧旋转部200可形成有用于在外侧支撑一对弹性部件300的外侧框架250。

如图3所示，通过形成于负荷侧旋转部200的外侧框架250，在负荷侧旋转部200可设置有可收容并固定一对弹性部件300的收容空间S。

如上所述，由于一对弹性部件300在内侧及外侧由马达侧旋转部100的内侧框架150和负荷侧旋转部200的外侧框架250支撑，因此，多个弹性部件310、320可固定于相互结合的马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的空间。

例如，如图2所示，当多个弹性部件310、320在挂置于马达侧旋转部100的内侧框架150的状态下，马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200相结合时，多个弹性部件310、320可通过由负荷侧旋转部200的外侧框架250形成的收容空间S来被压缩固定。

如上所述，多个弹性部件310、320由马达侧旋转部100的内侧框架150和负荷侧旋转部200的外侧框架250支撑并被收容空间S压缩固定，多个弹性部件310、320可不需要通过使用单独的固定部件来被固定于马达侧旋转部100或负荷侧旋转部200。

由此，当解除马达侧旋转部100和负荷侧旋转部200的结合时，多个弹性部件310、320自动分离以便于更换多个弹性部件310、320。

另一方面，本发明的一实施例的串联弹性驱动器装置还可包括用于测定马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移的传感部。

例如，所述传感部可包括分别在马达侧旋转部100和负荷侧旋转部200的相对应的位置形成的磁性体400和霍尔传感器410(hall sensor)。

图4为用于说明多个弹性部件310、320固定于马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的空间的结构的一实施例的图，在所示的多个结构中，将省略与参照图2及图3所说明的元件相同的元件的说明。

参照图4，一对弹性部件300能够以压缩状态固定于马达侧旋转部100的内侧框架150与负荷侧旋转部200的外侧框架250之间的空间。

另一方面，在串联弹性驱动器装置的外围区域中，马达侧旋转部100的内侧框架150与负荷侧旋转部200的外侧框架250之间存在隔开的空间D，弹性部件310、320的一部分可通过所述隔开的空间暴露于外部。

当弹性部件310、320被压缩时，弹性部件310、320可沿着垂直于压缩方向的方向膨胀，所述隔开的空间D可用作弹性部件310、320的垂直方向膨胀的储备空间。

并且，如图4所示，在串联弹性驱动器装置中设置有四对弹性部件(共8个)，但本发明不限定于此，还可根据需要设置三对或五对以上的弹性部件。

若在具有如上所述的结构的串联弹性驱动器装置施加外力，则弹性部件被压缩并在马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间产生相对位移。

其中，施加到所述串联弹性驱动器装置的外力可意味着由驱动马达的旋转力产生的扭矩、由施加到负荷侧的力产生的扭矩或者由两者之间的加减引起的扭矩等。

更具体地说，根据以负荷侧旋转部200为基准的马达侧旋转部100的相对的旋转方向(或者，以马达侧旋转部100为基准的负荷侧旋转部200的相对的旋转方向)，一对弹性部件300中的一个被压缩并可产生与弹性部件相同的相对位移。

在下文中，参照图5对有关本发明的串联弹性驱动器装置的操作的实施例进行详细说明。形成于马达侧旋转部100和负荷侧旋转部200的多个框架进行旋转，然而为了方便起见，在图5中示出与直线具有类似的位移。

如图5的(a)部分所示，在扭矩未施加到串联弹性驱动器装置的状态下，多个弹性部件310、320能够以基准位置R为中心固定于内侧框架150与外侧框架250之间的空间。

如图5的(b)部分所示，当负荷侧在固定的状态下由驱动马达的旋转力逆时针方向的扭矩施加到串联弹性驱动器使得负荷侧旋转部200不进行旋转时，一对弹性部件310、320中的左侧弹性部件310被压缩，在马达侧旋转部100产生向相对于基准位置R的左侧方向(逆时针方向)的相对位移Δθ。

在这种情况下，可通过使用以下数学公式1来计算由所述驱动马达的旋转力引起的扭矩。

数学公式1：τ＝KΔθ

在数学公式1中，τ为由驱动马达的旋转力引起的扭矩，K表示弹性部件的刚性，Δθ为相对于基准位置R的相对位移。

若使用设置于串联弹性驱动器装置的传感部(例如，磁性体400和霍尔传感器410)来检测相对Δθ，则可根据所述数学公式1来计算由驱动马达的旋转力引起的扭矩τ。

另一方面，如图5的(c)部分所示，当负荷侧在固定的状态下由驱动马达的旋转力顺时针方向的扭矩施加到串联弹性驱动器时，一对弹性部件310、320中的右侧弹性部件320被压缩，在马达侧旋转部100产生向相对于基准位置R的右侧方向(顺时针方向)的相对位移Δθ。

在这种情况下，根据由传感部检测到的相对位移Δθ，还可通过使用所述数学公式1来计算由所述驱动马达的旋转力引起的扭矩。

在所述图5的(b)部分及(c)部分所示的情况下，可通过所述数学公式1计算出的扭矩τ表示由驱动马达的旋转力来传递到负荷的扭矩。

以上，参照图5对本发明的串联弹性驱动器装置的操作，即，负荷侧在固定的状态下由驱动马达的旋转力施加扭矩的情况为例进行了说明，然而本发明不限定于此，当通过施加到负荷侧的力来在串联弹性驱动器装置施加扭矩时，本发明的串联弹性驱动器装置也能够以如参照图5所描述的方式进行操作。

例如，如图5的(b)部分所示，当在负荷侧顺时针方向的扭矩施加到串联弹性驱动器时，一对弹性部件310、320中的左侧弹性部件310被压缩，在负荷侧旋转部200产生向相对于基准位置R的右侧方向(顺时针方向)的相对位移Δθ。

另一方面，如图5的(c)部分所示，当在负荷侧逆时针方向的扭矩施加到串联弹性驱动器时，一对弹性部件310、320中的右侧弹性部件320被压缩，在负荷侧旋转部200产生向相对于基准位置R的左侧方向(逆时针方向)的相对位移Δθ。

在这种情况下，根据由传感部检测到的相对位移Δθ，可通过使用所述数学公式1来计算施加到所述负荷侧的扭矩τ。

然而，当施加到负荷侧的扭矩和驱动马达的旋转力的扭矩为相互相反的方向时，使用所述数学公式1计算的扭矩τ可表示施加到所述负荷侧的扭矩值和所述驱动马达的旋转力的扭矩值的总和。

参照图6，为了测定如上所述的马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移Δθ，产生磁场的磁性体400位于马达侧旋转部100，在与磁性体400相向的负荷侧旋转部200的位置可设置有霍尔传感器410。

霍尔传感器410可使用霍尔效应来确定磁场的方向和大小，所述霍尔效应当在电流流过的导体施加磁场时，在与电流和磁场垂直的方向产生电压。

由此，使用霍尔传感器410的输出信号来测定从磁性体400产生的磁场的方向和大小，可根据检测结果检测马达侧旋转部100的相对旋转方向及位移(或者，负荷侧旋转部200的相对旋转方向及位移)。

图7及图8为示出本发明的另一实施例的串联弹性驱动器装置的结构的立体图，以下将省略与参照图2至图6描述的相同的所示串联弹性驱动器装置的结构及操作的描述。

参照图7，串联弹性驱动器的马达侧旋转部100与驱动马达700相连接，还可与减速器720和减速器固定端730相结合。

并且，尽管在图7中未示出，但是可在串联弹性驱动器装置设置用于将驱动马达700的旋转力传递到马达侧旋转部100的带(或链)和滑轮等。

并且，串联弹性驱动器的负荷侧旋转部200可与轴承710(bearing)相结合。

参照图8，如图7所结合的串联弹性驱动器装置可与轴承固定端800和轴承盖810相结合。

图7及图8用于说明有关与驱动马达相结合的串联弹性驱动器装置的结构的一实施例，本发明的串联弹性驱动器装置不限定于此，并且可省略所示的结构要素中的一部分，也可根据需要添加结构要素。

根据本发明的另一实施例，可通过使用具有参照图2至图8描述的结构的串联弹性驱动器装置来实现共同控制机器人的关节或其他工业用机械等的力(或扭矩)和位置。

例如，可根据利用马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移Δθ求得的扭矩τ来控制机器人关节的运动。

更具体地，根据马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移来检测施加到负荷侧的外力，并且可根据外力与基准值的比较结果，将串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个。

另一方面，本发明的一实施例的串联弹性驱动器系统可包括具有参照图2至图8描述的结构的串联弹性驱动器和用于控制串联弹性驱动器的控制器。

下面，参照图9至图14更详细地说明与控制串联弹性驱动器的方法有关的实施例。

图9作为示出本发明的串联弹性驱动器控制方法的一实施例的流程图，表示设置于本发明的串联弹性驱动器系统的控制器控制串联弹性驱动器的操作的方法。

参照图9，控制器测定串联弹性驱动器的马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移(S900步骤)。

如上所述，通过使用分别在马达侧旋转部100和负荷侧旋转部200的相对应的位置形成的磁性体400和霍尔传感器410，来在所述S900步骤中测定马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移。

根据在所述S900步骤中测定的位移和设置于串联弹性驱动器的弹性部件的刚性(K)，控制器求得施加到负荷侧的由外力引起的外部扭矩(torque)(S910步骤)。

参照图10，当力F_l从外部施加到与负荷侧旋转部200相连接的负荷1000时，产生通过外力F_l来使负荷1000进行旋转的扭矩τ_l。

例如，当外力F_l被施加到不进行旋转并保持当前位置的负荷1000时，可产生扭矩τ_l，或者当与旋转方向相反方向的外力F_l施加到进行旋转的负荷1000上直到达到特定位置时，可产生扭矩τ_l。

或者，与旋转方向相同的方向的外力F_l也可施加到进行旋转的负荷1000上，从而产生扭矩τ_l。

如上所述，由施加到负荷1000侧的外力F_l引起的外部扭矩τ_l压缩一对弹性部件310、320中的一个，由此可产生马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移。

因此，根据马达侧旋转部100与负荷侧旋转部200之间的相对位移Δθ和弹性部件的刚性(K)，可通过使用所述数学公式1来计算由外力F_l产生的外部扭矩τ_l。

之后，控制器将在所述S910步骤中计算出的外部扭矩与预设阈值扭矩进行比较(S920步骤)，并且根据比较结果将串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个(S930步骤)。

其中，所述扭矩控制用于控制驱动马达，使得与串联弹性驱动器的负荷侧旋转部200相连接的负荷1000产生规定扭矩(或力)，如图11所示，控制器可通过接收向负荷侧传递的扭矩τ_e的反馈并与基准扭矩τ_r进行比较来控制驱动马达。

例如，控制器可使用以下数学公式2来执行脉宽调制(PWM，Pulse WidthModulation)控制，并可执行用于控制驱动马达的扭矩控制使得扭矩τ_r继续向负荷1000侧传递。

数学公式2：

在数学公式2中，F_(s)表示比例-积分-微分(PID)控制器的扭矩控制函数，KP、KD及KF是指用于比例-积分-微分控制的参数。

以上，参照图11及数学公式2说明了控制器执行扭矩控制的方法，然而本发明不限定于此，可通过使用多种已知的扭矩控制方法来控制驱动马达。

另一方面，所述位置控制用于控制驱动马达，使得与串联弹性驱动器的负荷侧旋转部200相连接的负荷1000移动规定旋转角度(或位置)，如图12所示，控制器可通过接收马达侧输出端的旋转角度θ_m的反馈并与基准角度θ_r进行比较来控制驱动马达。

例如，控制器可使用以下数学公式3来执行脉宽调制控制，并可执行用于控制驱动马达的位置控制，使得负荷1000侧旋转基准角度θr。

数学公式3：

F(s)＝K_PK_F(τ_r-τ_e)+K_DK_Fs(τ_r-τ_e)

在数学公式3中，P(s)表示比例-积分-微分控制器的位置控制函数，KP及KD是指用于比例-积分-微分控制的参数。

以上，参照图12及数学公式3说明了控制器执行位置控制的方法，然而本发明不限定于此，可通过使用多种已知的位置控制方法来控制驱动马达。

下面的数学公式4表示根据控制器在所述S930步骤中将外部扭矩τ_l与阈值扭矩τ_th进行比较的结果，在扭矩控制与位置控制之间进行切换的方法的一实施例。

数学公式4：

P(s)＝K_P(θ_r-θ_m)+K_Ds(θ_r-θ_m)

参照数学公式4，当外部扭矩τ_l为阈值扭矩τ_th以下时，控制器可将串联弹性驱动器的控制模式切换到位置控制。

另一方面，当外部扭矩τ_l大于阈值扭矩τ_th时，控制器可将串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制。

例如，当在负荷1000不进行旋转的位置控制期间产生由外力F_l引起的扭矩τ_l时，驱动马达通过产生相反方向的扭矩直到外部扭矩τ_l达到阈值扭矩τ_th来保持位置控制，当外部扭矩τ_l大于阈值扭矩τ_th时，可放弃位置控制并切换到扭矩控制。

之后，当外力F_l被去除并且外部扭矩τ_l下降到阈值扭矩τ_th以下时，再次切换到位置控制，从而负荷1000通过驱动马达的旋转返回到原来的位置。

另一方面，当在负荷1000以规定角度进行旋转的位置控制期间产生由外力F_l引起的相反方向的扭矩τ_l时，通过驱动马达使负荷1000继续进行旋转来保持位置控制，直到外部扭矩τ_l达到阈值扭矩τ_th，当外部扭矩τ_l大于阈值扭矩τ_th时，可放弃位置控制并切换到扭矩控制。

之后，当外力F_l被去除并且外部扭矩τ_l下降到阈值扭矩τ_th以下时，再次切换到位置控制，从而负荷1000通过驱动马达以期望的角度进行旋转。

并且，当在负荷1000以规定角度进行旋转的位置控制期间产生由外力F_l引起的相同扭矩τ_l时，通过驱动马达使负荷1000继续进行旋转来保持位置控制，直到外部扭矩τ_l达到阈值扭矩τ_th，当外部扭矩τ_l大于阈值扭矩τ_th时，可放弃位置控制并切换到扭矩控制。

之后，当外力F_l被去除并且外部扭矩τ_l下降到阈值扭矩τ_th以下时，再次切换到位置控制，从而负荷1000通过驱动马达以期望的角度进行旋转。

然而，如上所述，当以阈值扭矩τ_th为基准对位置控制与扭矩控制之间进行切换时，可在阈值扭矩τ_th附近的切换区域(transition region)产生振动(oscillation)。

参照图13，在外部扭矩τ_l增加并大于阈值扭矩τ_th的时间点t₁，位置控制切换到扭矩控制，并且在切换到扭矩控制后扭矩τ_l可减小。

另一方面，在扭矩τ_l减小并达到阈值扭矩τ_th的时间点t2，扭矩控制再次切换到位置控制，并且在切换到位置控制后扭矩τ_l可增加。

如上所述，在阈值扭矩τ_th附近的切换区域(transition region)反复位置控制与扭矩控制之间的切换，从而可在负荷侧产生振动。

根据本发明的另一实施例，为了减小如上所述的切换区域(transition region)中的振动，当外部扭矩τ_l减小到从阈值扭矩τ_th减去规定扭矩τ_hys的值以下时，可操作控制器来使扭矩控制切换到位置控制。

数学公式5：

数学公式5，当外部扭矩τ_l达到阈值扭矩τ_th时，位置控制切换到扭矩控制，当外部扭矩τ_l减小到从阈值扭矩减去规定扭矩的值(τ_th-τ_hys)时，扭矩控制可切换到位置控制。

参照图14，在外部扭矩τ_l增加并大于阈值扭矩τ_th的时间点T₁，位置控制切换到扭矩控制，并且在切换到扭矩控制后扭矩τ_l可减小。

另一方面，在扭矩τ_l减小并达到阈值扭矩τ_th的时间点，控制模式不被切换并保持扭矩控制，使得传递到负荷1000侧的扭矩τ_l可保持期望的基准扭矩值。

之后，在外力F_l被去除并且外部扭矩τ_l达到从阈值扭矩减去规定扭矩的值(τ_th-τ_hys)的时间点T₂，扭矩控制可切换到位置控制。

所述本发明的一实施例的多个方法可被制造为用于在计算机中执行的程序，并且所述程序可被存储于计算机可读记录介质上。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、只读光盘(CD-ROM)、磁带、软盘、光数据存储装置等，并且还能够以载波(例如，通过互联网传输)的形式实现。

计算机可读记录介质可分散在联网计算机系统中，并以分散方式存储和执行计算机可读代码。而且，用于实现所述方法的功能(function)程序、代码及代码段可由本发明所属技术领域的程序员容易推断。

并且，以上对本发明的优选实施例进行了示出和说明，然而本发明并不限定于所述特定实施例，在不脱离发明要求保护范围所保护的本发明的主旨的范围内，本发明所属技术领域的普通技术人员可实施多种变形，这种变形不应从本发明的技术思想或观点单独理解。

Claims (14)

1.一种串联弹性驱动器装置，其特征在于，包括：

马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过所述驱动马达的旋转力来进行旋转；

负荷侧旋转部，与所述马达侧旋转部相结合，用于将所述驱动马达的旋转力传递到负荷；以及

至少一对弹性部件，设置于所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间，

在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的一个形成有外侧框架，所述外侧框架具有用于固定所述一对弹性部件的收容空间，

在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的另一个形成有内侧框架，所述内侧框架用于在内侧支撑所述一对弹性部件，

并且，所述串联弹性驱动器装置还包括用于测定所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的相对位移的传感部，

所述传感部包括分别在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部的相对应的位置形成的磁性体和霍尔传感器，

所述磁性体位于相邻的两个所述内侧框架之间，

所述霍尔传感器位于所述外侧框架。

2.根据权利要求1所述的串联弹性驱动器装置，其特征在于，所述一对弹性部件中的一个根据所述马达侧旋转部的旋转方向来被压缩。

3.根据权利要求1所述的串联弹性驱动器装置，其特征在于，所述弹性部件由包含硅酮和聚氨酯的多个弹性物质中的一种或两种以上的混合物构成。

4.根据权利要求1所述的串联弹性驱动器装置，其特征在于，所述弹性部件呈圆柱形状。

5.根据权利要求1所述的串联弹性驱动器装置，其特征在于，当解除所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部的结合时，所述弹性部件自动分离。

6.一种串联弹性驱动器控制方法，用于控制包括用于将驱动马达的旋转力传递到负荷而相结合的马达侧旋转部及负荷侧旋转部以及弹性部件的串联弹性驱动器，其特征在于，包括：

测定所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的相对位移的步骤；

根据所测定的所述位移和所述弹性部件的刚性，求得由施加到所述负荷侧的外力引起的外部扭矩的步骤；

对所求得的所述外部扭矩和阈值扭矩进行比较的步骤；以及

基于所述比较的结果，将所述串联弹性驱动器的控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个的步骤，

在所述串联弹性驱动器的马达侧旋转部和负荷侧旋转部中的一个形成有具有用于固定一对弹性部件的收容空间的外侧框架，

并且，所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的另一个形成有用于在内侧支撑所述一对弹性部件的内侧框架，

用于测定所述相对位移的传感部包括分别在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部的相对应的位置形成的磁性体和霍尔传感器，

所述磁性体位于相邻的两个所述内侧框架之间，

所述霍尔传感器位于所述外侧框架。

7.根据权利要求6所述的串联弹性驱动器控制方法，其特征在于，当所求得的所述外部扭矩大于所述阈值扭矩时，将所述控制模式切换到用于控制传递到所述负荷侧的扭矩的扭矩控制。

8.根据权利要求6所述的串联弹性驱动器控制方法，其特征在于，当所求得的所述外部扭矩小于等于所述阈值扭矩时，将所述控制模式切换到用于控制所述负荷侧的旋转角度的位置控制。

9.根据权利要求8所述的串联弹性驱动器控制方法，其特征在于，使用所反馈的所述马达侧的旋转角度来控制所述负荷侧的旋转角度。

10.根据权利要求6所述的串联弹性驱动器控制方法，其特征在于，当所述外部扭矩增加到大于所述阈值扭矩的值时，所述控制模式从位置控制切换到扭矩控制，当所述外部扭矩减小到小于等于从所述阈值扭矩减去规定扭矩的值时，所述控制模式从扭矩控制切换到位置控制。

11.根据权利要求6所述的串联弹性驱动器控制方法，其特征在于，所述一对弹性部件中的一个根据所述马达侧旋转部的旋转方向而被压缩。

12.一种串联弹性驱动器系统，其特征在于，包括：

马达侧旋转部，与驱动马达相连接，通过所述驱动马达的旋转力来进行旋转；

负荷侧旋转部，与所述马达侧旋转部相结合，用于将所述驱动马达的旋转力传递到负荷；

至少一对弹性部件，设置于所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的空间；

传感部，用于测定所述马达侧旋转部与所述负荷侧旋转部之间的相对位移；以及

控制器，使用所测定的所述位移来求得由施加到所述负荷侧的外力引起的外部扭矩，并基于对所求得的所述外部扭矩和阈值扭矩进行比较的结果来将控制模式切换到扭矩控制和位置控制中的一个，

在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的一个形成有外侧框架，所述外侧框架具有用于固定所述一对弹性部件的收容空间，

在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部中的另一个形成有内侧框架，所述内侧框架用于在内侧支撑所述一对弹性部件，

所述传感部包括分别在所述马达侧旋转部和所述负荷侧旋转部的相对应的位置形成的磁性体和霍尔传感器，

所述磁性体位于相邻的两个所述内侧框架之间，

所述霍尔传感器位于所述外侧框架。

13.根据权利要求12所述的串联弹性驱动器系统，其特征在于，当所述外部扭矩增加到大于所述阈值扭矩的值时，所述控制器将所述控制模式从位置控制切换到扭矩控制，当所述外部扭矩减小到小于等于从所述阈值扭矩减去规定扭矩的值时，所述控制器将所述控制模式从扭矩控制切换到位置控制。

14.根据权利要求12所述的串联弹性驱动器系统，其特征在于，当所述控制模式为位置控制时，所述控制器使用所反馈的所述马达侧的旋转角度来控制所述负荷侧的旋转角度。

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