CN110072677A - 用于有腿机器人的螺旋致动器 - Google Patents

Abstract

一种示例性机器人(300)，包括：腿(304、306)，具有上腿构件(410)和在膝关节(404)处联接到上腿构件的下腿构件(412)；螺旋致动器(400)，设置在上腿构件中，其中螺旋致动器具有螺纹轴(406)和与螺纹轴同轴安装的螺母(408)，使得螺纹轴可在螺母中旋转；马达(402)，安装在上腿构件的上部部分处且联接到螺纹轴；托架(414)，与螺母同轴联接并安装，使得螺母设置在托架的近端端部处；和联动装置(418、422)，联接到托架，其中联动装置在膝关节处联接到下腿构件。

Description

用于有腿机器人的螺旋致动器

背景技术

示例性机器人可以具有形成机器人腿和臂的多个构件。这些构件的动作可以被例如液压缸和马达这样的致动器控制。这些致动器的设计决定了机器人的运行特性，例如机器人可对命令和外部干扰多快做出响应。影响机器人性能的设计因素可以包括致动器的转动惯量和与之联接的传动装置的传动比，还有其他因素。

发明内容

本发明描述了涉及用于有腿机器人的螺旋致动器的实施方式。在第一示例性实施方式中，本发明描述了机器人。机器人包括：(i)腿，具有上腿构件和在膝关节处联接到上腿构件的下腿构件；(ii)螺旋致动器，设置在上腿构件中，其中螺旋致动器具有螺纹轴和与螺纹轴同轴安装的螺母，使得螺纹轴可在螺母中旋转；(iii)马达，安装在上腿构件的上部部分处且联接到螺纹轴；(iv)托架，与螺母同轴联接并安装，使得螺母设置在托架的近端端部处；和(v)联动装置，联接到托架，其中联动装置在膝关节处联接到下腿构件。马达的旋转使得螺纹轴旋转，其进一步使得(a)螺母和托架沿螺纹轴的轴线行进，和使得(b)联动装置让下腿构件在膝关节处相对于上腿构件旋转。

在第二示例性实施方式中，本发明描述了一组件。组件包括：(i)机器人的第一构件和机器人的第二构件，其中第二构件在关节处联接到第一构件；(ii)螺旋致动器，设置在第一构件中，其中螺旋致动器具有螺纹轴和与螺纹轴同轴安装的螺母，使得螺纹轴可在螺母中旋转；(iii)马达，安装在第一构件的上部部分处且联接到螺纹轴；(iv)托架，与螺母同轴联接并安装，使得螺母设置在托架的近端端部处；和(v)联动装置，联接到托架，其中联动装置在关节处联接到第二构件。马达的旋转使得螺纹轴旋转，其进一步使得(a)螺母和托架沿螺纹轴的轴线行进，和使得(b)联动装置让第二构件在关节处相对于第一构件旋转。

前述内容仅是示例性的且目的不是以任何方式进行限制。除了如上所述的示例性的方面、实施方式、和特征，通过参考附图和以下详细描述能理解进一步的方面、实施方式、和特征。

附图说明

图1根据示例性实施方式示出了机器人系统的构造。

图2根据示例性实施方式示出了四足机器人。

图3根据示例性实施方式示出了两足机器人。

图4A根据示例性实施方式示出了具有螺旋致动器的机器人腿的截面。

图4B根据示例性实施方式示出了上腿构件的截面。

图5A根据示例性实施方式示出了托架，其具有在托架的外表面上设置的至少一个纵向通道。

图5B根据示例性实施方式示出了抗旋转元件。

图5C根据示例性实施方式示出了上腿构件和与之联接的抗旋转元件的透视图。

图6A根据示例性实施方式示出了托架，具有与之联接的滚子。

图6B根据示例性实施方式示出了上腿构件，其配置为在其中接收托架和轨道。

图6C根据示例性实施方式示出了上腿构件和设置在其中的部件的俯视截面图。

图7根据示例性实施方式示出了具有受到挤压的螺纹轴的构造。

图8根据示例性实施方式示出了具有受到拉伸的螺纹轴的构造。

图9根据示例性实施方式示出了上腿构件相对于髋关节偏开。

图10根据示例性实施方式示出了马达从上腿构件偏开。

图11根据示例性实施方式示出了机器人腿。

图12A根据示例性实施方式示出了谐波驱动部的图。

图12B根据示例性实施方式示出了图12A中的谐波驱动部的分解视图。

图13A根据示例性实施方式示出了具有整合过载保护系统的示例性驱动系统。

图13B根据示例性实施方式示出了图13A中的驱动系统的放大视图。

图13C根据示例性实施方式示出了图13A中的驱动系统的分解视图。

图14根据示例性实施方式示出了用于机器人构件的驱动系统的替换构造。

图15A根据示例性实施方式示出了整合的马达控制器组件。

图15B根据示例性实施方式示出了将转矩传感器和输出编码器连接到控制器。

图15C根据示例性实施方式示出了图15A中所示的组件的热管理。

图15D根据示例性实施方式示出了功率级印刷电路板的仰视图

图15E根据示例性实施方式示出了从马达的定子引出的12根导线。

图15F根据示例性实施方式示出了配置为与定子接合的相电路板。

图15G根据示例性实施方式示出了图15A所示组件的分解视图。

具体实施方式

以下详细描述参考附图描述了所公开系统的各种特征和操作。本文所述的示例性实施方式不是限制性的。所公开系统的某些方面可以按各种不同配置布置和组合，其全部属于本文所构思的。

进一步地，除非上下文另有描述，每一个图中示出的特征可以用于彼此组合。由此，附图通常应该被视为一个或多个总体实施方式的组成方面，应理解，不是所有的所示特征对每一个实施例来说都是必要的。

另外，本说明书或权利要求中的元件、图块或步骤任何列举是为了清楚。由此，这种列举不应认为是要求或暗示这些元件、图块、或步骤必须严格依照具体结构或以特定顺序执行。

术语“基本”是指所述特征、参数或值不需要确切实现，而是会发生例如包括公差、测量误差、测量准确性限制和本领域已知的其他因素在内的一定量的偏差或差异，但并不影响特征所要提供的效果。

I.示例性机器人系统

图1示出了可以根据本文所述的实施方式使用的机器人系统的示例性构造。机器人系统100可以配置为自主、半自主和/或使用通过用户(一个或多个)提供的指导来操作。机器人系统100可以以各种形式实施，例如两足机器人、四足机器人或一些其他结构。进而，机器人系统100也可以被称为机器人、机器人装置、或可动机器人等等其他名称，也存在其他命名，且可以是外骨骼装置或人类辅助装置。

如图1所示，机器人系统100可以包括处理器(一个或多个)102、数据存储器104、和控制器(一个或多个)108，其一起可以是控制系统118的一部分。机器人系统100也可以包括传感器(一个或多个)112、电源(一个或多个)114、机械部件110、和电部件116。但是，机器人系统100是出于展示的目的显示的，且可以包括更多或更少的部件。机器人系统100的各种部件可以以任何方式连接，包括有线或无线连接。进一步地，在一些例子中，机器人系统100的部件可以分布在多个物理实体中而不是在单个物理实体中。也可以存在机器人系统100的其他示例性展示。

处理器(一个或多个)102可以操作为一个或多个通常目的硬件处理器或特殊目的硬件处理器(例如数字信号处理器、专用集成电路等)。处理器(一个或多个)102可以配置为执行计算机可读程序指令106，并操作数据107，指令和数据存储在数据存储器104中。处理器(一个或多个)102也可以直接或间接地与机器人系统100的其他部件互动，例如传感器(一个或多个)112、电源(一个或多个)114、机械部件110、和/或电部件116。

数据存储器104可以是一个或多个类型的硬件存储器。例如，数据存储器104可以包括或采取可被处理器(一个或多个)102读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质的形式。一个或多个计算机可读存储介质可包括易失和/或非易失存储部件，例如光学、磁性、有机或另一类型的存储器或存储物，其可全部或部分地与处理器(一个或多个)102整合。在一些实施方式中，数据存储器104可以是单个物理装置。在其他实施方式中，数据存储器104可使用两个或更多物理装置实施，其可以经由有线或无线通信彼此通信。如前所述，数据存储器104可以包括计算机可读程序指令106和数据107。数据107可以是任何类型的数据，例如配置数据、传感器数据、和/或诊断数据，还存在其他可能。

控制器108可以包括一个或多个电路、数字逻辑单元、计算机芯片、和/或微处理器，其配置为(除了其他任务外)在机械部件110、传感器(一个或多个)112、电源(一个或多个)114、电部件116、控制系统118、和/或机器人系统100的用户的任何组合之间进行接口连接。在一些实施方式中，控制器108可以是特定用途的嵌入装置，用于通过机器人系统100的一个或多个子系统执行具体操作。

控制系统118可以监测和实体地改变机器人系统100的运行状态。如此做，控制系统118可以用作机器人系统100的一些部分之间(例如机械部件110和/或电部件116之间)的纽带。在一些情况下，控制系统118可以用作机器人系统100和另一计算装置之间的接口。进一步地，控制系统118可以用作机器人系统100和用户之间的接口。例如，控制系统118可以包括与机器人系统100通信的各种部件，包括摇杆、按钮、和/或端口等。如上所述的示例性接口和通信可以经由有线或无线连接或两者实施。控制系统118也可以针对机器人系统100执行其他操作。

在操作期间，控制系统118可以经由有线或无线连接与机器人系统100的其他系统通信，且可以进一步被配置为与机器人的一个或多个用户通信。作为一个可行例子，控制系统118可以接收输入(例如来自用户或来自另一机器人)，表明沿特定方向和以特定速度执行特定步态的指示。步态是动物、机器人或其他机械结构的肢体运动的样式。

基于该输入，控制系统118可以执行操作，以使得机器人系统100根据所请求的步态运动。作为另一例子，控制系统可以接收输入，表明运动到特定地理位置的指示。作为响应，控制系统118(也许通过其他部件或系统的辅助)可以基于机器人系统100向地理位置运动的途中所经过的环境来确定方向、速度、和/或步态。

控制系统118的操作可以通过处理器(一个或多个)102执行。替换地，这些操作可以通过控制器108或处理器(一个或多个)102和控制器108的组合执行。在一些实施方式中，控制系统118可以部分或完全位于并非机器人系统100的装置上，且因此可以至少部分地远程控制机器人系统100。

机械部件110代表机器人系统100的硬件，其可以使得机器人系统100执行物理操作。作为较少的例子，机器人系统100可以包括物理构件，例如腿(一个或多个)、臂(一个或多个)和/或轮(一个或多个)。机器人系统100的物理构件或其他部分可以进一步包括布置为让物理构件相对于彼此运动的促动器。机器人系统100也可以包括一个或多个结构本体，用于容纳控制系统118和/或其他部件，且可以进一步包括其他类型的机械部件。用在给定机器人中的特定机械部件110可以基于机器人的设计而改变，且也可以是基于机器人可以配置执行的操作和/或任务。

在一些例子中，机械部件110可以包括一个或多个可去除部件。机器人系统100可以配置为增加和/或去除这种可去除部件，其可以涉及从用户和/或另一机器人而来的辅助。例如，机器人系统100可以配置为具有可去除的臂、手、脚和/或腿，使得这些附肢可按照需要或期望更换或改变。在一些实施方式中，机器人系统100可以包括一个或多个可去除和/或可更换电池单元或传感器。其他类型的可去除部件也可以被包括在一些实施方式中。

机器人系统100可以包括布置为感测机器人系统100的一些方面的传感器(一个或多个)112。传感器(一个或多个)112可以包括一个或多个力传感器、扭矩传感器、速度传感器、加速度传感器、位置传感器、接近传感器、动作传感器、位置传感器、负荷传感器、温度传感器、触摸传感器、深度传感器、超声范围传感器、红外传感器、物体传感器、和/或摄像头，还存在其他可能。在一些例子中，机器人系统100可以配置为从传感器接收传感器数据，该传感器与机器人实体分离(例如定位在其他机器人上或位于机器人运行环境中的传感器)。

传感器(一个或多个)112可以向处理器(一个或多个)102提供传感器数据(也许通过数据107的方式)，以允许机器人系统100与其环境互动，以及监测机器人系统100的操作。传感器数据可以通过控制系统118用于针对电部件116和机械部件110的启动、运动和停用的各种因素的评估。例如，传感器(一个或多个)112可以捕捉对应于环境地形或附近物体位置的数据，这可以有助于环境识别和导航。在一示例性构造中，传感器(一个或多个)112可以包括雷达(例如用于远程物体检测、距离确定和/或速度确定)、LIDAR(例如用于短程物体检测、距离确定、和/或速度确定)、声纳(例如用于水下物体检测、距离确定、和/或速度确定)、(例如用于动作捕捉)、一个或多个摄像头(例如用于3D视觉的立体摄像头)、全球定位系统(GPS)收发器、和/或用于捕捉机器人系统100运行环境中的信息的其他传感器。传感器(一个或多个)112可以实时地监测环境，并检测障碍物、地形要素、天气情况、温度和/或环境的其他方面。

进一步地，机器人系统100可以包括传感器(一个或多个)，其配置为接收表明机器人系统100状态的信息，包括可以监测机器人系统100的各种部件状态的传感器(一个或多个)112。传感器(一个或多个)112可以测量机器人系统100的系统活动并基于机器人系统100的各种特征的操作(如机器人系统100的可延伸腿、臂或其他机械和/或电特征的操作)接收信息。通过传感器(一个或多个)112提供的数据可以使得控制系统118确定操作中的错误以及监测机器人系统100的部件的总体操作。

作为例子，机器人系统100可以使用力传感器测量机器人系统100的各种部件上的负荷。在一些实施方式中，机器人系统100可以包括在臂或腿上的一个或多个力传感器，以测量让臂或腿的一个或多个构件运动的致动器上的负荷。作为另一例子，机器人系统100可以使用一个或多个位置传感器，以感测机器人系统的促动器的位置。例如，这种位置传感器可以感测臂或腿上的促动器的延伸、收回或旋转的状态。

作为另一例子，传感器(一个或多个)112可以包括一个或多个速度和/或加速度传感器。例如，传感器(一个或多个)112可以包括惯性测量单元(IMU)。IMU可以在世界坐标系中相对于重力向量感测速度和加速度。通过IMU感测的速度和加速度可以随后基于机器人系统100中IMU的位置和机器人系统100的运动特性转换为机器人系统100的速度和加速度。

机器人系统100可以包括本文未具体描述的其他类型的传感器。另外或替换地，机器人系统可以使用用于本文未枚举的目的的特定传感器。

机器人系统100也可以包括配置为向机器人系统100的各种部件供应电力的一个或多个电源(一个或多个)114。在其他可能的功率系统中，机器人系统100可以包括液压系统、电系统、电池和/或其他类型的功率系统。作为示例性展示，机器人系统100可以包括配置为向机器人系统100的部件提供电荷的一个或多个电池。机械部件110和/或电部件116中的一些可以每一个连接到不同电源，可以被同一电源供电、或被多个电源供电。

任何类型的动力源可以用于为机器人系统100提供动力，例如电动力或汽油发动机。另外或替换地，机器人系统100可以包括配置为使用流体动力为机械部件110提供动力的液压系统。可以使用各种类型的填充方式来为电源(一个或多个)114充电，例如连接到外部电源的有线连接、无线充电、燃烧或其他例子。

电部件116可以包括能处理、传递、和/或提供电荷或电信号的各种机构。在可行的例子中，电部件116可以包括电线、电路、和/或无线通信发射器和接收器，以实现机器人系统100的操作。电部件116可以与机械部件110互相配合，使得机器人系统100执行各种操作。例如，电部件116可以配置为从电源(一个或多个)114向各种机械部件110提供电力。进一步地，机器人系统100可以包括电动机。也可以存在电部件116的其他例子。

虽然在图1中未示出，但是机器人系统100可以包括本体，其可以连接或承装机器人系统的附肢和部件。如此，本体的结构可以在一些例子中改变且可以进一步取决于给定机器人已经被设计执行的特定操作。例如，被开发为承载重负荷的机器人可以具有宽的本体，其实现负荷的放置。类似地，被设计为到达高速度的机器人可以具有窄小的本体，其不具有很大的重量。进一步地，可以使用各种类型的材料(例如金属或塑料)开发本体和/或其他部件。在其他例子中，机器人可以具有本体，该本体具有不同结构或用各种类型材料制造。

本体和/或其他部件可以包括或承载传感器(一个或多个)112。这些传感器可以定位在机器人系统100上的各种位置，例如除了其他例子之外，可以在本体上和/或在一个或多个附肢上。

在其本体上，机器人系统100可以承载负荷，例如要被运输的一类货物。负荷也可以代表机器人装置100可以利用的外部电池或其他类型的功率源(例如太阳能板)。携带负荷代表一种示例性用途，机器人系统100可以针对该用途进行配置，但是机器人系统100也可以配置为执行其他操作。

如上所述，机器人系统100可以包括各种类型的腿、臂、轮等。如上所述，机器人系统100可以包括各种类型的腿、臂、轮等。通常，机器人系统100可以配置为具有零条或更多的腿。具有零条腿的机器人系统的实施方式可以包括轮、履带或一些其他形成的运动形式。具有两条腿的机器人系统的实施方式可以称为两足方式，且具有四条腿的实施方式可以称为四足方式。具有六条或八条腿的实施方式也是可以的。出于展示的目的，机器人系统100的两足和四足实施方式如下文所述。

图2根据示例性实施方式示出了四足机器人200。在其他可行的特征中，机器人200可以配置为执行本文所述的一些操作。机器人200包括控制系统，且腿204A、204B、204C、204D连接到本体208。每一条腿可以包括可接触表面(例如地面表面)的各自的脚206A、206B、206C、206D。。进一步地，机器人200显示为具有传感器(一个或多个)210，且可以在本体208上携带负荷。在其他例子中，机器人200可以包括更多或更少的部件，且由此可以包括图2未示出的部件。

机器人200可以是如图1所示的机器人系统100的实体展示，或可以基于其他构造。由此，机器人200可以包括机械部件110、传感器(一个或多个)112、电源(一个或多个)114、电部件116和/或控制系统118中的一个或多个，可以存在其他可能的部件或系统。

腿204A-204D的构造、位置和/或结构可以在示例性实施方式中改变。腿204A-204D使得机器人200相对于其环境运动，且可以配置为以多个自由度操作，实现不同的行进技术。具体说，腿204A-204D可以使得机器人200根据不同步态中描述的力学特点以各种速度行进。机器人200可以使用一个或多个步态以在环境中行进，这可以涉及基于速度、地形、操作需要和/或能量效率来进行选择。

进一步地，不同类型的机器人可以由于设计变化而使用不同的步态。虽然一些不同可以具有特定的名称(例如步行、快步、跑步、跳跃、疾驰等)，但是步态之间的区别可以重叠。步态可以基于踏步范式(footfall pattern)-在表面上的用于放置脚206A-206D的位置--来分类。类似地，步态也可以基于行走力学特点来分类。

机器人200的本体208连接腿204A-204D且可以承装机器人200的各种部件。例如，本体208可以包括或承载传感器(一个或多个)210。这些传感器可以是传感器(一个或多个)112的含义所涵盖的任何传感器，例如摄像头、LIDAR或红外传感器。进一步地，传感器(一个或多个)210的位置不限制为图2所述的位置。由此，传感器(一个或多个)210可以定位在机器人200上的各种位置，例如在本体208上和/或在腿204A-204D中的一个或多个上，也存在其他例子。

图3示出了根据另一示例性实施方式的两足机器人300。类似于机器人200，机器人300可以对应于如图1所示的机器人系统100，且可以配置为执行本文所述的一些实施方式。由此，类似机器人200，机器人300可以包括机械部件110、传感器(一个或多个)112、电源(一个或多个)114、电部件116、和/或控制系统118中的一个或多个。

例如，机器人300可以包括连接到本体308的腿304和306。每一条腿可以包括一个或多个构件，其通过关节连接且配置为相对于彼此以各种自由度操作。每一条腿也可以包括各自的脚310和312，其可以接触表面(例如地面表面)。类似机器人200，腿304和306可以使得机器人300根据步态中描述的力学特点以各种速度行进。但是，机器人300可以利用与机器人200不同的步态，这至少部分地是由于两足和四足能力之间的差异造成的。

机器人300也可以包括臂318和320。这些臂可以有助于物体操作、负荷携带、和/或对机器人300的平衡。类似腿304和306，每一个臂可以包括一个或多个构件，其通过关节连接且配置为相对于彼此以各种自由度操作。每一个臂也可以包括各自的手322和324。机器人300可以使用手322和324来抓持、旋转、拉动和/或推动物体。手322和324可以包括各种类型的附肢或附件，例如指状物、抓持器、焊接工具、切割工具等。

机器人300也可以包括传感器(一个或多个)314，对应于(一个或多个)112，且配置为提供向其控制系统提供传感器数据。在一些情况下，这些传感器的位置可以被选择为显示出机器人300的拟人化结构。由此，如图3所示，机器人300可以在其头部316中包含视觉传感器(例如摄像头、红外传感器、物体传感器、距离传感器等)。

II.用于机器人的示例性机电致动器

在一些例子中，液压致动器可用于致动机器人的构件。液压系统可以包括在机器人上的中央位置处的泵和蓄积器且配置为通过管和/或软管向联接到机器人的构件的致动器提供增压液压流体。在该构造中，泵和蓄积器的致动惯量(actuation inertia)与在机器人运动时提供到地面表面的惯量没有关联。由于惯量间没有关联，所以液压机器人系统特征在于用于定位和力控制响应性的高带宽。然而，液压系统具有的缺点例如是，潜在的液压流体泄露，管路连接复杂性，和现有的液压动力单元不适于更小的机器人。

机电致动器能缓解液压致动器的至少一些缺点，因为在操作机电致动器方面不涉及泄露或复杂的管路连接。进一步地，机电系统可以比液压系统更高效。然而，机电致动器相比液压系统也会具有缺点。例如，尽管对于给定强度来说，被液压致动器驱动的机器人构件的转动惯量可能与致动器的直径具有线性关系，但是针对给定强度，被机电致动器驱动的机器人构件的转动惯量与致动器的旋转组件的直径的平方成比例且受到传动装置传动比(gear ratio of the transmission)的影响。进一步地，液压致动器的反射惯量(reflected inertia)相比于机器人的构件(例如腿)的惯量可以忽略，而机电的反射惯量取决于马达和传动装置的惯量乘以传动装置传动比的平方。由此，对于大机器人，机电致动器可以具有高惯量，其限制机器人的响应性和运行特性。

对于尺寸更小的机器人，如本发明所述，机电致动器可设计为相比于相应液压致动器实现高的运行特性。本文公开的是能降低机器人构件的转动惯量的系统、致动器、构造和设备，以允许获得高的峰值转矩，以能提供适于高性能机器人的足够高的加速度。

a.用于机器人关节的示例性螺旋致动器

在一些例子中，机器人的膝关节会经历高加速度，其例如是致动机器人快速运动(例如奔跑或慢跑)造成的。还会在机器人在其腿处经历干扰，且机器人做出响应以让腿且尤其是让膝关节以高加速度以保持平衡时形成高加速度。在一些例子中，电动机可联接到机器人的膝关节，使得马达的旋转运动使得机器人的下腿构件相对于在膝关节处联接到下腿构件的上腿构件旋转。在该构造中，马达的转动惯量会限制机器人的响应性，且会由此降低下腿构件的力控制策略的有效性。

进一步地，如果传动装置联接到马达，且传动装置具有允许速度减小和转矩放大的特定传动比，则膝关节处的转动惯量与传动比的平方成比例。因此，允许更高转矩的更高传动比会导致更高的转动惯量，由此降低机器人的响应性。

降低膝关节处的转动惯量可以改善机器人的响应性。在一例子中，螺旋致动器可用于驱动机器人的膝关节，因为螺旋致动器轻且纤细且由此相比其他致动器构造具有低惯量。进一步地，使用螺旋致动器允许减小膝处的远端质量，这又可以允许更高的加速度能力。

图4A根据示例性实施方式示出了具有螺旋致动器400的机器人腿的截面。电动机402位于机器人的髋关节403处或附近。在其他例子中，电动机402可以位于机器人的上腿部分处。无论电动机402位于上腿部分还是髋关节403处，马达402的质量都被移动远离膝关节404。由此，这些构造可以降低机器人膝关节404处的远端质量，且因此减少髋关节403处的转动惯量。

螺旋致动器400是将旋转运动以小的摩擦转换为直线运动的机械线性致动器。在一例子中，螺旋致动器400可以是行星式滚柱丝杠类型且可以包括螺纹轴406和螺母408。螺纹轴406可以在其周边上具有多头V形螺纹。V形螺纹为围绕螺纹轴406径向排布且被螺母408封闭的多个滚子提供螺旋滚道。滚子在图4A中未示出，以降低附图中的视觉混乱。

螺母408在其内周表面上旋拧以与螺纹轴406的V形螺纹接合。螺纹轴406的螺纹螺距可以与螺母408的内螺纹的螺距相同。滚子与螺纹轴406和螺母408旋转接触且在二者之间用作低摩擦传动元件。滚子可以具有单头螺纹，具有凸齿腹，该凸齿腹限制滚子与螺纹轴406和螺母408接触时的摩擦。滚子可以在它们旋转时以螺纹轴406为轨道(以行星齿轮相对于太阳齿轮的方式)，且可由此称为行星或卫星滚子。

马达402联接到螺纹轴406，且由此在马达402旋转时，螺纹轴406随之旋转。螺纹轴406的旋转实现螺母408的轴向或纵向行进。

马达402和螺旋致动器400被承装在机器人的上腿构件410的本体(例如机加工的铝本体)中。上腿构件410在膝关节404处联接到下腿构件412。

螺母408被承装在托架(carrier)414的近端端部413中且在肩部416处与托架414接合，使得在螺母408沿螺纹轴406行进时，托架414也在上腿构件410中直线运动。本文中，术语“近端端部”是指托架414的更靠近马达402的端部。

螺母408被肩部416和螺母417轴向约束在托架414的近端端部413中，该螺母417将螺母408轴向捕获在托架414中。进一步地，螺母408可以相对于托架414受到旋转约束，以防止螺母408相对于托架414旋转。例如，螺母408可以经由键-键槽构造联接到托架414。

联动机构联接到托架414，以有助于将托架414的直线运动转换为下腿构件412相对于上腿构件410绕膝关节404的旋转动作。作为例子，联动机构可以包括联接到托架414的远端端部420第一连杆418(例如连接杆)。本文中，术语“远端端部”是指托架414的最远离马达402的端部。在另一例子中，第一连杆418可以在更靠近马达402的其他位置处以凸耳方式安装到托架414。

第一连杆418可以在关节424处联接到第二连杆422，且第二连杆可以在膝枢轴426处联接在膝关节404上。下腿构件412也在膝枢轴426处联接到膝关节404。在该构造中，托架414的直线运动使得第一连杆418运动，由此使得第二连杆422和下腿构件412绕膝枢轴426旋转。可使用其他联动机构。例如，四杆机构可用于实现不同的传动曲线形状。

马达402的旋转方向决定下腿构件412相对于上腿构件410的旋转方向。例如，如果马达402沿给定方向(例如顺时针)旋转，则螺母408和托架414可以让第一连杆418延伸并对其推动。结果，从图4A的观察者角度看，第二连杆422绕膝枢轴426沿顺时针方向旋转。结果，从图4A的观察者角度看，下腿构件412也可以顺时针旋转，由此例如将脚428推靠表面430。

相反地，如果马达402沿相反方向(例如逆时针)旋转，则螺母408和托架414可以缩回并拉动第一连杆418。结果，从图4A的观察者角度看，第二连杆422绕膝枢轴426沿逆时针方向旋转，由此使得下腿构件412向上卷曲。由此，在马达402的顺时针和逆时针旋转之间进行交替能使得机器人实现步伐(例如以特定步速走步或跑步)。

在一例子中，马达402可以包括编码器431。编码器431配置为产生表明马达402的转子的旋转位置的信号。编码器431可以向机器人的控制器提供表明转子旋转位置的信息。控制器可以对马达402的旋转位置执行闭环反馈控制，以便准确地将螺母408定位在上腿构件410中。

通过将马达402置于更靠近髋关节403并使用螺旋致动器400，膝关节404处的远端质量减小。进一步地，使用螺旋致动器400作为减速器以代替旋转齿轮箱可以降低有效转动惯量，因为螺旋致动器400相比于旋转齿轮箱具有减少的转动惯量。

图4B根据示例性实施方式示出了上腿构件410的截面。如图4B所示，上腿构件410可以承装轴承托架432。轴承托架432可以沿圆锥形座434坐落，该圆锥形座434从上腿构件410的内表面向内突出。

轴承托架432承装轴承435，该轴承435配置为允许螺纹轴406自由地旋转。轴承435的外座圈的外径接合轴承托架432的内周表面。轴承435的外座圈保持抵靠用轴承托架432的内周表面上的阶梯表面所形成的肩部436。

进一步地，螺纹轴406包括用螺纹轴406的外周表面上的阶梯表面所形成的肩部438。肩部438接合轴承435的内座圈。以此方式，轴承435被轴向约束在肩部438和肩部436之间。

如图4B所示，第一连杆418经由销440联接到托架414的远端端部420。第一连杆418相对于螺纹轴406的纵向轴线442形成一角度。由此，在螺纹轴406旋转而使得螺母408和托架414推动第一连杆418时，第一连杆418可以在托架414上赋予反作用力，其被传输到螺母408和螺纹轴406。反作用力可分解为沿纵向轴线442作用的纵轴向力分量444和垂直于上腿构件410的内表面和纵向轴线442作用的径向或偏轴力分量446。

为了降低偏轴力分量446及其带来的摩擦的影响，滑动轴承448被安装在远端端部420处的托架414的外周表面和上腿构件410的内周表面之间。滑动轴承448可以配置为降低摩擦且有助于托架414在上腿构件410中的轴向动作。尤其时，滑动轴承448可以配置为让螺母408上的偏轴力分量446反作用于上腿构件410，并使得沿轴线442约束第一连杆418和托架414之间的相互作用所带来的力。在一例子中，滑动轴承448可以用制造。

在一例子中，另一滑动轴承450可安装在近端端部413处的托架414的外周表面和上腿构件410的内周表面之间。在这些例子中，滑动轴承448和450可以操作为引导衬套，其允许托架414经历轴向力分量444同时对偏轴力分量446发生反作用并降低摩擦。

如上所述，作用在托架414上的轴向力分量444被传输到螺母408和螺纹轴406。螺纹轴406在肩部438处与轴承435接合，且由此轴承432经历轴向力分量444。轴向力分量444随后从轴承435经由肩部436传递到轴承托架432。

轴向测压元件440(load cell)可以设置在轴承托架432的外周表面上。由此，轴向测压元件440也经历轴向力分量444，其在机器人腿的操作期间被赋予到托架414和螺纹轴406。轴向测压元件440可以产生与被赋予螺纹轴406的轴向力分量444成比例的电信号。电信号可以被提供给机器人的控制器或机器人的腿构件。

在一例子中，控制器可以使用编码器431和轴向测压元件440来基于机器人的状态、机器人的环境和所命令的加速度执行各种控制策略。例如，在第一控制策略中，控制器可以对如上所述的马达402的旋转位置执行闭环位置控制。在第二控制策略中，控制器可以针对脚428在表面430上施加的力执行闭环力控制。该控制策略可以为机器人腿允许高加速度能力。在第三控制策略中，控制器可以执行闭环的位置和力控制，其中力控制回路可以用于缓冲机器人腿的动作。这些控制策略是用于展示的例子，且可实施其他控制策略。

在一些例子中，可以经由抗旋转机构或构造防止托架414和与之联接的部件(例如螺母408)绕纵向轴线442旋转。图5A-5C根据示例性实施方式显示了用于托架414的抗旋转构造。具体地，图5A根据示例性实施方式示出了托架414，其具有设置在托架414的外表面上的至少一个纵向通道500。如图5A所示，纵向通道500设置在托架414的远端端部420和近端端部413之间。在一些例子中，纵向通道500可以采取在托架414的外表面上纵向机加工出的槽道的形式。

图5B根据示例性实施方式示出了抗旋转元件502。抗旋转元件502包括弯曲板504和从弯曲板504的凹表面突出的凸块506。抗旋转元件502配置为联接到上腿构件410的外表面，使得凸块506在上腿构件410中径向向内突出且接合纵向通道500。

作为例子，弯曲板504可以具有孔，例如孔508。上腿构件410的外表面可以具有相应孔。紧固件可用于经由弯曲板504中的孔和上腿构件410中的相应孔而将弯曲板504联接到上腿构件410。进一步地，上腿构件410可以具有对应于且配置为穿过其中接收凸块506的中央孔。

图5C根据示例性实施方式示出了上腿构件410和与之联接的抗旋转元件502的透视图。上腿构件410的外表面或其一部分可以弯曲，以匹配弯曲板504的凹表面的曲率。以此方式，弯曲板504的凹表面可以符合上腿构件410的外表面的轮廓或形貌(在与之联接时)。

凸块506突出穿过上腿构件410的外表面并接合托架414的纵向通道500。通过该构造，在托架414在上腿构件410中轴向运动时，凸块506不让托架414绕纵向轴线442旋转。在一些例子中，凸块506可以用在托架410在上腿构件410中运动时减少与纵向通道500的摩擦的材料制造(例如Teflon)。

可实施其他示例性抗旋转机构。图6A-6C根据示例性实施方式显示了另一抗旋转机构。具体地，图6A根据示例性实施方式示出了托架600，其具有与之联接的滚子(一个或多个)602。图6A显示了在托架600的一侧的一个滚子602。另一滚子可以在其另一侧联接到托架600。在一些例子中，类似于滚子602的更多滚子可以联接到托架600。滚子602配置为在轨道604中滚动，且与托架600另一侧的滚子602对应的滚子配置为在平行于轨道604的轨道606中滚动。两滚子共同称为滚子(一个或多个)602。

轨道604和606配置为将滚子(一个或多个)602约束在其中。以这种方式，轨道604和606可以操作为用于滚子(一个或多个)602的轨道，使得轨道604和606和滚子(一个或多个)602形成滚子元件轴承构造。该构造在托架600在机器人腿中运动时减少摩擦。另外，在一例子中，例如用制造的滑动轴承607可绕托架600的外表面设置，以与机器人腿的内表面接合，进一步降低摩擦。

两轨道604和606具有形成在其中的孔，例如孔608A、608B、608C、608D、和608E，其可以配置为接收紧固件，以固定地将轨道604和606安装到机器人腿，如下针对图6B所述的。因为轨道604和606固定地安装到机器人腿且同时它们将滚子(一个或多个)602的动作约束于其中，所以托架600不会绕其纵向轴线609旋转。

图6B根据示例性实施方式示出了上腿构件610，其配置为将托架600和轨道604和606接收在其中。上腿构件610可以类似于上腿构件410，但是可以另外具有在其外表面上的孔图案612。孔图案612对应于设置在轨道604和606中的孔。例如，孔图案612中的孔614A、614B、614C和614D可以分别对应于轨道604的孔608A、608B、608C、和608D。紧固件可随后用于固定地将轨道604和606安装在上腿构件610中。

图6C根据示例性实施方式示出了上腿构件610和设置在其中的部件的俯视截面图。如图6C所示，滚子托架616联接到托架600的远端端部且设置为垂直于纵向轴线609。滚子(一个或多个)602联接到滚子托架616且配置为在轨道604和606中滚动，同时被约束在其中。具体说，至少一个滚子602联接到滚子托架616的第一端且在轨道604中滚动，且另一滚子602联接到滚子托架616的与第一端相反的第二端且配置为在轨道606中滚动。尽管图6A和6C显示了轨道604和606是与上腿构件610分离的部件，但是在一些例子中，轨道604和606可替换地与上腿构件610的内表面整合并内置于其中。

轴向测压元件618设置为比如上所述的轴向测压元件440更靠近马达402。轴向测压元件618也可以具有不同类型。例如，尽管轴向测压元件440显示为是柱式测压元件，但是轴向测压元件618是弯曲梁式测压元件。也可使用测压元件的其他样式和位置。

随机器人运动且图4A所示的下腿构件412相对于上腿构件410或610旋转，螺纹轴406经历交替的挤压力和拉伸力。例如，如果螺纹轴406沿使得螺母406退回的方向(例如逆时针)旋转，由此拉动托架414和第一连杆418，则螺纹轴406受到拉伸。然而，如果螺纹轴406沿相反方向(例如顺时针)旋转，使得螺母406伸出，由此推动托架414和第一连杆418，则螺纹轴406受到挤压。

进一步地，为了让机器人运动，下腿构件412(其可以接触地面表面(例如表面430))被推靠到地面表面。甚至在机器人站立就位时，下腿构件412也施加抵靠地面表面的推力，以保持机器人站立和平衡。无论机器人是运动还是站立，抵靠地面表面的推力可以基于第一连杆418相对于膝枢轴426的几何构造在螺纹轴406中造成拉伸力或挤压力。

图7根据示例性实施方式示出了具有受到挤压的螺纹轴406的构造。图7所示的构造类似于图4A的构造。在该构造中，第一连杆418在关节424处联接到下腿构件412，该关节424位于膝枢轴426和脚428之间。结果，在下腿构件412被推靠到表面430时，挤压力沿第一连杆418的长度在箭头700的方向上施加。该挤压力被传递到托架414并通过螺母408传递到螺纹轴406。由此，在该构造中，螺纹轴406受到挤压。

图8根据示例性实施方式示出了具有受到拉伸的螺纹轴406的构造。在该构造中，第一连杆418在关节800处联接到下腿构件412，使得膝枢轴802设置在关节800和脚428之间。结果，在下腿构件412被推靠到表面430时，拉伸力沿第一连杆418的长度在箭头804的方向上施加。该拉伸力被传递到托架414并通过螺母408传递到螺纹轴406。由此，在该构造中，螺纹轴406受到拉伸。

图7或8的构造都可被使用。然而，在一些例子中，机器人可以经历环境条件，其会使得螺纹轴406中的力足够高以置于卡在其中。在这些例子中，可使用图8的构造，以便防止卡在螺纹轴406中。机器人腿的峰值伸展力(extension force)通常比峰值收回力更高，且图8的构造在高伸展力事件期间让螺纹轴406受到拉伸。

可实施用于机器人腿的其他构造。图9根据示例性实施方式示出了上腿构件410相对于髋关节403偏开。如所示的，包括上腿构件410和其中部件的组件相对于髋关节403偏开。该构造可以缓解因基于髋关节403的位置限制了上腿构件410的长度而造成的封装局限。换句话说，例如，相对于图4A的构造，在图9的构造中，上腿构件410的长度可增加。替换地，在其他例子中，上腿构件410相对于髋关节403偏开可以有助于减小从膝枢轴426到髋关节403的总长度。

进一步地，在如上所述的构造中，马达402按照螺纹轴406设置。在一些例子中，这些构造可使得上腿构件410或610相对长。其他构造可用于使得上腿构件410或610变短。

图10根据示例性实施方式示出了马达402从上腿构件410偏开。如所示的，通过将马达402从上腿构件410去除并让其相对于上腿构件410偏开，上腿构件410可变短。在该构造中，带驱动(belt drive)可设置为马达402和螺纹轴406之间的减速前级(speedreduction pre-stage)。该减速前级可允许降低螺旋致动器400的减速比。降低螺旋致动器400的减速比可以降低转动惯量，导致更高的运行特性，如下所述。

通常，在给定空间中，滚柱丝杠可以比滚珠丝杆提供更多轴承点或区域，且可以由此降低接触应力。还有，滚柱丝杠对于给定负荷容量来说更紧凑同时如滚珠丝杠那样在低速到中速时提供相似的效率(例如75％-90％)，且在高速时保持相对高的效率。与滚珠丝杆相比，滚柱丝杠可以进一步实现更好的定位准确性、额定负荷、刚度、速度、加速度、和寿命。然而，滚珠丝杆可以比滚柱丝杠更便宜，且由此希望的是针对一些应用使用滚珠丝杆。

b.针对超载保护的具有整合离合器的示例性传动装置

转动惯量影响机器人的位置和力控制响应性。机器人关节处的有效转动惯量可以取决于联接到关节的马达的转动惯量和联接到马达的传动装置的转动惯量。传动装置可以具有允许减速和转矩放大的特定传动比，且关节处的有效转动惯量与传动比的平方成比例。因此，允许更高转矩的更高传动比会导致更高的转动惯量，由此降低机器人的响应性。

通常，与小马达和高传动比相比，大马达和低传动比可以提供更低的输出惯量，但是代价是质量更大。由此，使用大马达以实现更高转矩和强度会导致高转动惯量，其降低机器人的响应性。即使使用小马达，具有高齿轮减速比的传动装置也会导致高的有效转动惯量。

在为机器人关节选择马达时，一种方法是确定关节期望经历的最大转矩并选择可实现该最大转矩的马达。然而，该方法会导致高的有效转动惯量。例如，在撞击情况下，例如在机器人的腿意外撞击地面表面或腿经历物体带来的突然撞击时，撞击会使得马达以高速旋转，以对撞击做出响应并保持机器人平衡。尤其是，撞击使得马达和传动装置的输入侧快速加速。最终的惯性转矩被传动比放大，在关节处造成高转矩，这会损坏传动装置和/或腿结构。这种情况下的反射惯量可以基于马达转动惯量与传动系数乘以传动装置减速比的平方之和确定。选择可实现这种撞击情况下发生的最大转矩的马达会导致具有相应大转动惯量的大马达。

另一方法可以是实现阻抗匹配。具体地，关节处的马达和传动装置被选择为具有反射或输出惯量，其等于被关节控制的机器人构件的惯量。该方法可以增加关节的加速能力。

在另一例子中，马达可以用于直接驱动构件，而没有与之联接的传动装置。以此方式，反射惯量可以减少。然而，没有传动装置，则没有转矩放大且最大转矩受到马达可实现的转矩的限制。即使使用具有减小传动比的传动装置，马达也可以随后具有较大尺寸，以补偿传动装置处的减小转矩放大，由此导致过大的重量和尺寸。

本文呈现的改善方法可以实现在马达或传动装置中整合过载保护系统。过载保护系统可以将传动装置与在撞击情况下经历的高转矩隔离。以此方式，可以选择能实现适当转矩和加速度的尺寸减小的传动装置。更小的传动装置可以具有更低的惯量，由此允许更小的马达实现期望加速度，因为总体惯量减小。

本文公开的系统和设备涉及将离合器整合到谐波驱动传动装置，以允许减小马达和传动装置的尺寸，由此质量和惯量，以改善机器人的响应性。如下文所述的整合离合器系统例如可以用在机器人的髋关节或其他关节处。

图11根据示例性实施方式示出了机器人腿。如上所述，例如螺旋致动器400这样的螺旋致动器可以代替旋转齿轮箱使用，以驱动膝关节404。螺旋致动器400可以允许降低膝关节404处的远端质量。远端质量影响腿的惯量，且使得质量更靠近髋部能减小髋关节处所需的惯性转矩。螺旋致动器400也可以降低有效转动惯量，因为螺旋致动器400与旋转齿轮箱相比具有减小的转动惯量。

另外，具有本文所述的过载保护系统的马达和传动装置可以联接到髋关节403，以降低该处的转动惯量。例如，马达和传动装置可以在髋关节403处沿x轴线1100和y轴线1102中之一或两者安装。

根据示例性实施方式，图12A示出了操作谐波驱动部1200的图，且图12B示出了谐波驱动部1200的分解视图。本文使用的谐波驱动部1200是示例性传动系统，以操作为减速器和转矩放大器。谐波驱动部特征在于零齿隙特性、宽范围的减速比、相对于其他传动装置系统的重量和空间节约、高位置准确性和可重复性。然而，可使用其他传动装置系统(例如摆线传动装置(cycloidal transmission))。

如图12A所示，谐波驱动部1200包括三个主要部件：输入构件，其可以被称为波形发生器1202；中间构件，可以被称为柔性齿轮(flexspline)1204；和外构件，可以称为刚性齿轮1206。如图12B所示，波形发生器1202可以包括薄滚道球轴承(thin raced ballbearing)1208，其装配到椭圆形毂1210上。椭圆形毂1210在图12B可能不呈现椭圆形，因为其长轴和短轴之间的尺寸差很小。波形发生器1202操作为变矩器且连接到从马达而来的输入轴，且由此操作为到谐波驱动部1200的输入。

柔性齿轮(flexspline)1204是薄圆柱形杯状件，其例如用合金钢制造，在杯状件开口端的外周表面上具有外部齿1212。柔性齿轮1204是径向柔性或可挠的，但是是扭转刚性的。在波形发生器1202插入到柔性齿轮1204，波形发生器1202在柔性齿轮1204的开口端处与柔性齿轮1204的外部齿1212接合。由此，柔性齿轮1204的开口端采取椭圆形形状。

刚性齿轮(circular spline)1206是具有内部齿1214的刚性环。在谐波驱动部1200被组装时，刚性齿轮1206的内部齿1214跨经椭圆形波形发生器1202的主轴线1216接合柔性齿轮1204的外部齿1212。刚性齿轮1206可以具有比柔性齿轮1204更多的齿。例如，刚性齿轮1206可以比柔性齿轮1204多两个齿。

在一些例子中，柔性齿轮1204用作输出且可以由此连接到输出凸缘，而刚性齿轮1206固定安装。在其他例子中，刚性齿轮1206用作输出且可以由此连接到输出凸缘，而柔性齿轮1204固定安装。在如下提供的示例性描述中，刚性齿轮1206被允许旋转且可以连接到输出，而柔性齿轮1204固定安装。然而，可使用其他构造。

在波形发生器1202的椭圆形毂1210旋转时，柔性齿轮1204变形成椭圆形毂1210的形状，且不在球轴承1208外周向表面上滑动。结果，柔性齿轮1202的外部齿1212跨经波形发生器1202的主轴线1216在两个相反区域处接合刚性齿轮1206的内部齿1214。对于波形发生器1202的每180度的旋转，刚性齿轮1206的内部齿1214相对于柔性齿轮1204的外部齿1212前进一个齿。由此，波形发生器1202的每一个完整旋转都可以使得刚性齿轮1206相对于柔性齿轮1204从其原始位置运动两个齿。

通过例如谐波驱动部1200这样的谐波驱动部，可在小空间中实现宽范围的齿轮减速比(例如从30:1到320:1的比)。如上所述，具有低比例可以降低传动装置(即谐波驱动部1200)的反射或输出惯量，以有助于机器人的高性能。为了在高撞击情况下保护谐波驱动部1200，过载保护系统被整合在其中，如下所述。

根据示例性实施方式，图13A示出了具有整合的过载保护系统的示例性驱动系统，图13B示出了图13A中的驱动系统的放大视图，且图13C示出了图13A的驱动系统的分解视图。图13A-13E被一起描述。图13A-13C中的驱动系统可联接到髋关节403的任一或两轴线1100和1102，或机器人的任何其他关节。下文描述是指髋关节403处的用于驱动机器人腿的马达和传动装置。然而，本文所述的系统可用在任何其他关节处，以驱动机器人的任何其他构件(例如臂)。

马达1300安装在机器人髋关节403处的壳体1302中。壳体1302经由凸缘1306联接到机器人和紧固件，例如紧固件1308A和1308B。

马达1300的转子联接到配置为随转子旋转的轴1310。可类似于波形发生器1202的波形发生器1312联接到且配置为随轴1310旋转。波形发生器1312与类似于柔性齿轮1204的柔性齿轮1314的带齿部分接合。柔性齿轮1314经由紧固件(例如紧固件1315A和1315B)固定安装到测压元件或转矩传感器1316，其又固定安装到壳体1302。柔性齿轮1314的带齿部分的外部齿与可类似于刚性齿轮1206的刚性齿轮1318的内部齿接合。柔性齿轮1314和刚性齿轮1318的齿在图13A-13C中未示出，以减少附图中的视觉混乱。

通过该构造，在波形发生器1312随轴1310旋转时，刚性齿轮1318绕纵向轴线1319旋转，因为柔性齿轮1314被固定。刚性齿轮1318的近端侧表面接合第一离合器垫1320，且刚性齿轮1318的远端侧表面接合第二离合器垫1322。本文中，近端侧是指更靠近马达1300的一侧，且远端侧是指更远离马达1300的一侧。

离合器垫1320和1322具有安装到其表面的摩擦材料，所述表面与刚性齿轮1318的相应表面接合。由此，只要离合器垫1320和1322朝向刚性齿轮1318的相应表面充分预压抵靠或偏压，则离合器垫1320和1322随刚性齿轮1318旋转。

离合器垫1320还接合并联接到压板1324。类似地，离合器垫1322还接合并联接到输出挠曲部(output flexure)1326。在一例子中，离合器垫1320可以经由任何种类的粘接剂粘接到压板1324，且离合器垫1322可以经由任何种类的粘接剂粘接到输出挠曲部1326。其他紧固器件可用于将离合器垫1320联接到压板1324并将离合器垫1322联接到输出挠曲部1326。在一例子中，压板1324可用铝制造。然而，其他材料也是可以的。还有，在另一例子中，离合器垫1320和1322可以胶粘到刚性齿轮1318并允许相对于压板1324和输出挠曲部1326滑动。在另一例子中，离合器垫1320和1322不胶粘到任何其他部件且可以被允许沿任何四个表面滑动，每一个离合器垫对应两个表面。

Belleville弹簧1328设置在机器人构件1330(例如腿构件)和输出挠曲部1326之间。Belleville弹簧1328在输出挠曲部1326上施加轴向偏压力，以便在离合器垫1322上施加轴向预压力。离合器垫1322上的轴向预压力类似地对离合器垫1320施加预压力，因为轴向预压力通过刚性齿轮1318传输到离合器垫1320，其被压板1324约束。

轴向预压力可以保持离合器垫1320和1322摩擦联接到刚性齿轮1318，直到超过预定转矩极限。如果转矩极限被超过，则会超过离合器垫1320和1322的静摩擦极限，且刚性齿轮1318会相对于离合器垫1320和1322打滑。因此，转矩极限可以被称为打滑转矩。

转矩极限基于Belleville弹簧1328的弹性系数。例如垫片1332这样的垫片可添加在Belleville弹簧1328和机器人构件1330之间，以改变离合器垫1320和1322上的轴向预压力且由此改变转矩极限。

输出挠曲部1326可以是扭转刚性的，但是轴向可挠。例如，输出挠曲部可用例如钛这样的柔性材料制造。在一例子中，输出挠曲部1326可以用比Belleville弹簧1328更软的材料制造。例如，输出挠曲部1326可以具有的弹性系数小于(例如10％)Belleville弹簧1328的弹性系数。在该例子中，Belleville弹簧1328提供比通过输出挠曲部1326施加在离合器垫1322上的力更具支配性的轴向预压力。然而，其他构造也是可以的。输出挠曲部1326配置为将机器人构件1330扭转连接到离合器垫1322，同时允许其轴向动作适应磨损且还允许Belleville弹簧1328将离合器垫1322预压靠刚性齿轮1318。

在一例子中，约束环1334可以设置在压板1324和机器人构件1330之间。约束环1334具有开放环形空间，刚性齿轮1318和离合器垫1320和1322设置且被约束在该空间中。在一例子中，约束环1334可以用铝制造；然而，其他材料也是可以的。

紧固件或螺栓的径向阵列(例如螺栓1335A和1335B)可以配置为将包括压板1324、约束环1334、输出挠曲部1326、和机器人构件1330在内的组件保持在一起。由于通过Belleville弹簧1328施加的轴向预压力，离合器垫1320和1322和刚性齿轮1318被挤压在输出挠曲部1326和压板1324之间。如此，离合器垫1320和1322和刚性齿轮1318也是被包括螺栓1335A和1335B在内的螺栓径向阵列保持在一起的组件的一部分。

如上所述，随波形发生器1312旋转，刚性齿轮1318旋转，因为柔性齿轮1314固定。刚性齿轮1318相对于波形发生器1312以减小的旋转速度旋转，但是相对于通过波形发生器1312施加的转矩可施加经放大的转矩。随刚性齿轮1318旋转，与之摩擦联接的离合器垫1320和1322也旋转，且从刚性齿轮1318传输到离合器垫1320和1322的转矩经由两个路径被传输到机器人构件1330。第一路径包括将转矩从刚性齿轮1318通过离合器垫1322传递到输出挠曲部1326，该输出挠曲部1326经由螺栓阵列联接到机器人构件1330。第二路径包括将转矩从刚性齿轮1318通过离合器垫1320传递到压板1324，该压板1324经由螺栓阵列联接到机器人构件1330。

交叉滚子轴承1336可以安装到壳体1302的内表面和约束环1334之间的约束环1334的外周表面。交叉滚子轴承1336有助于机器人构件1330相对于壳体1302旋转且可以配置为应对径向推力和施加到机器人构件1330的力矩反作用负荷。

如上所述的系统有助于马达1302和谐波驱动部的过载保护，同时允许降低谐波驱动部的减速比，且由此降低其转动惯量。作为例子，马达1302可快速旋转，以尝试让机器人构件1330运动到特定位置。随机器人构件1330运动，其可能撞击或碰到意外的或未检测到的物体。结果，在没有过载保护系统的情况下，马达1302会被迫在小时间段内(例如1毫秒)停止。会对其施加量值可为谐波驱动部的转矩容量四倍的转矩，以使其停止。如果谐波驱动部被设计为能承受或施加这种高转矩，则谐波驱动部将更大并呈现更大的转动惯量。

作为另一例子，机器人会撞击物体，例如机器人会从特定高度落到地面表面，且撞击会造成高转矩施加到谐波驱动部，这会造成损坏。在另一例子中，机器人会处于停用状态(例如经由电池对机器人的供电例如被关闭，线缆破坏，或发生控制器故障)。如果物体在这种状态下撞击机器人，则机器人的控制器可能无法获得电力且可能由此无法向电动安全部件发送信号以保护机器人。在所有这些例子中，谐波驱动部和马达1302会经历高转矩，这可能对其部件造成损坏。

在具有图13A-13C所述的整合过载保护系统的情况下，如果机器人构件1330上的负荷转矩超过Belleville弹簧1332的轴向预压力设定的转矩极限，则刚性齿轮1318将相对于离合器垫1320和1322打滑。以这种方式，谐波驱动部(即刚性齿轮1318)从机器人构件1330脱开联接一段时间，并由此针对高负荷转矩进行保护。进一步地，在刚性齿轮1318相对于离合器垫1320和1322滑入时，机器人构件1330的动能由于刚性齿轮1318和离合器垫1320和1322之间的摩擦而消散。一旦负荷转矩下降至转矩极限以下，则谐波驱动部重新接合机器人构件1330。

过载保护系统的优势是离合器垫1320和1320被整合在谐波驱动部中且与其部件(即刚性齿轮1318)接合。这种整合允许紧凑设计，而不是根据谐波驱动部添加离合器系统，这将要求更多的纵向空间。

另一优势是输出挠曲部1326被配置为允许机器人构件1330以零间隙(zerobacklash)将其动作方向逆转。例如机器人构件1330这样的大多数机器人构件沿两个方向操作。例如，如果机器人构件1330是机器人的腿，则马达1302可以沿一个方向旋转，以沿相应方向摆动腿，随后让腿停止并沿逆向方向旋转，以沿相反方向摆动腿。除了通过腿施加的力的控制外，腿的准确位置控制、速度和加速度可以取决于包括在逆转动作方向时的零间隙在内的几个因素。

如果存在间隙，则两个离合器垫1320和1322中的一个离合器垫会在逆转方向时接合刚性齿轮1318，而另一离合器垫可能无法接合。由此，被接合的离合器垫可以开始相对于刚性齿轮1318开始打滑，并在一段时间之后，另一离合器垫可以起动以被加载，且两离合器垫1320和1322将相对于刚性齿轮1318一起滑动。

因为Belleville弹簧1328和输出挠曲部1326的柔性，它们可适应驱动系统的部件相对于彼此的轴向运动。例如，它们可适应离合器垫1320和1322中的磨损，机器人构件1330相对于谐波驱动部的轴向运动等，而不会让部件受到过应力。由此，输出挠曲部1326和Belleville弹簧1328可对各种部件的制造公差进行补偿。

同时，输出挠曲部1326推靠到离合器垫1322且使得离合器垫1320和1322保持与刚性齿轮1318接触，由此消除间隙。因此，即使马达1302和刚性齿轮1318停止且随后其旋转方向逆转，输出挠曲部1326也可以确保机器人构件1330的平稳运动。

进一步地，输出挠曲部1326可以使得转矩负荷在两个离合器垫1320和1322之间均等共享。通过输出挠曲部1326施加的力保持离合器垫1322抵靠刚性齿轮1318的接触。通过输出挠曲部1326施加的相同力进一步将离合器垫1322压靠刚性齿轮1318以及将离合器垫1320压靠压板1324。以此方式，离合器垫1320和1322在刚性齿轮1318旋转时均等受力。

在一些例子中，油脂或其他润滑剂可施加到图12A-13B所示的谐波驱动部的部件或驱动系统中的轴承。润滑剂降低驱动系统的啮合部件之间的磨损和摩擦。在这些例子中，密封件(例如O型环和1338B)可用于使得油脂远离离合器垫1320和1322。特别是，O型环1338A可保持油脂远离离合器垫1320和刚性齿轮1318的近端面之间的发生离合的界面。且，O型环1338B可保持油脂远离离合器垫1322和刚性齿轮1318的远端面之间的发生离合的界面。以此方式，油脂不会影响至少部分地通过Belleville弹簧1328的弹性系数确定的转矩极限(即打滑转矩)。

然而，在其他示例性实施方式中，O型环1338A和1338B可能无法使用。通过Belleville弹簧1328施加的轴向预压力可以随后被调整，例如通过选择具有不同弹性系数的Belleville弹簧，以适应油脂的存在。改变Belleville弹簧的弹性系数可以调节离合器垫1320和1322的性能，以在因油脂造成的减小摩擦系数下操作。

如上所述，在波形发生器1312随马达1302的轴1310旋转时，刚性齿轮1318也由于柔性齿轮1314被固定而旋转。在刚性齿轮1318旋转时，包括离合器垫1320-1322、压板1324、和约束环1334的组件也旋转。机器人构件1330也经由径向螺栓阵列(例如螺栓1335A-1335B)旋转。只要施加到机器人构件1330的负荷转矩不超过转矩极限，则组件和机器人构件1330随刚性齿轮1318旋转。如果负荷转矩超过转矩极限，则刚性齿轮1318相对于离合器垫1320和1320打滑。

在转矩过载情况下，波形发生器1312的椭圆形形状会使得刚性齿轮1318也扭曲成椭圆形形状。在转矩下降至转矩极限以下时，离合器垫1320和1322重新接合刚性齿轮1318，且可以由此使得其形状保持椭圆形。刚性齿轮1318的这种扭曲椭圆形形状会在机器人构件1330处造成转矩脉动(torque pulsation)。

为了不让刚性齿轮1318保持在扭曲的形状状态，约束衬套1340可以插在刚性齿轮1318的外周表面和约束环1334的内周表面之间。刚性齿轮1318的外周表面和约束环1334的内周表面之间的间隙以及约束衬套1340的厚度较小。例如，过盈量(interference)可以是1/1000英寸。

在一些例子中，约束衬套1340可以用塑料材料制造，例如聚醚醚酮(PEEK)材料或其他聚合物材料。约束衬套1340的可塑性为其赋予相对较低的刚性，由此有助于将约束衬套1340以轻的压配合插入到过盈部位中。该构造适应刚性齿轮1318和约束环1334的尺寸和同心性方面的制造差异。

在机器人操作期间，约束衬套1340、刚性齿轮1318和约束环1334的各自温度会上升。刚性齿轮1318和约束环1334可能以不同比率膨胀和收缩，因为它们可能用具有不同热膨胀系数的不同材料制造。然而，约束衬套1340的塑料材料会变得更软，且由此适应由于温度变化造成的刚性齿轮1318和约束环1334的任何尺寸变化。

进一步地，约束衬套1340将刚性齿轮1318和约束环1334联接使得它们作为一个组件运动。由此，在刚性齿轮1318的形状在转矩负载下改变(例如椭圆化)时，刚性齿轮1318和约束环1334可以与约束衬套1340一起扭曲。以此方式，在转矩负载下降至低于转矩极限时，刚性齿轮1318、约束衬套1340和约束环1334可以一起回弹到未扭曲的形状。还有，因为约束衬套1340的存在(与具有间隔或间隙相比)，刚性齿轮1318、约束衬套1340和约束环1334可以较少地变形。由此，约束衬套1340的存在可以防止转矩脉动。

刚性齿轮1318和约束环1334可用不同材料制造。例如，刚性齿轮1318可用铸铁制造，而约束环1334可以用钛制造。允许刚性齿轮1318与约束环1334接触可使得在它们之间形成粘结和粘合。约束衬套1340操作为刚性齿轮1318和约束环1334之间的接合部件，以防止这种粘结和粘合，同时防止如上所述的转矩脉动。

如上针对图12A-13C所述的部件和构造是示例性部件和构造且不应认为是限制性的。可使用其他部件和构造。例如，代替使用两个离合器垫，可以使用一个离合器垫。在另一例子中，离合器垫可以被用在刚性齿轮1318一侧，且可在其另一侧使用在金属接触部位上具有裸露金属的任何类型的摩擦材料。

在如上所述的构造中，在离合器垫1320和1322和刚性齿轮1318之间的界面上发生带有过载保护的离合操作。在另一示例性实施方式中，离合操作可发生在离合器垫1320和输出挠曲部1326之间的界面以及离合器垫1322和压板1324之间的界面上。在该例子中，离合器垫1320和1320可以与刚性齿轮1318整合。换句话说，刚性齿轮的近端面和远端面可具有设置在其上的摩擦材料。进一步地，在其他例子中，其他部件可以添加到刚性齿轮1318和离合器垫1320和1322之间。在另一示例性变化例中，输出挠曲部1404和Belleville弹簧1328可以整合到一个可挠部件中。还有，本文使用是一个例子，且在其他实施方式中，可使用任何其他类型的弹性或可挠、柔性元件。

图14根据示例性实施方式示出了用于机器人构件1400的驱动系统的替换构造。如图14所示，螺栓环1402代替压板1324和约束环1334。换句话说，压板1324和约束环1334可整合到单个部件中，如图14中的螺栓环1402所示。

输出挠曲部1404(其可以执行与输出挠曲部1326相似的操作)经由包括例如螺栓1408这样的螺栓在内的螺栓阵列而在中央区域1406处联接到机器人构件1400。与螺栓1335A-1335B相比，例如图14中的螺栓1410这样的螺栓将螺栓环1402联接到机器人构件1400，而没有将输出挠曲部1402与之联接。

这些变化仅是用于展示的例子，且本领域技术人员应理解，可代替地使用其他结构和其他元件(例如部件、接口、顺序和部件组合)，且根据期望的结果，一些元件可以全部省略。

c.示例性马达-控制器整合构造

示例性机器人可以包括几个关节，以控制机器人的相应构件的动作。作为例子，四足机器人可以具有17个关节，其连接和控制机器人的构件(例如臂，腿，等)。在一些例子中，许多这些关节可以具有各自的马达，其配置为让机器人的构件运动。每一个马达被控制器控制，所述控制器接收几个输入(例如来自传感器)且相应地向马达提供控制信号，以控制机器人的关节和构件。

在一例子中，控制器可以置于机器人上的中央位置处，且可在控制器和各种马达和传感器之间连接导线。该构造会涉及复杂的配线和长导线，这会降低机器人的可靠性并增加故障可能性。

在其他例子中，每一个关节可以具有各自的马达和用于马达的控制器。将马达和其控制器整合并共同定位可改善机器人的可靠性。这种整合会降低配线构造的复杂性。

本文公开了具有整合的马达和控制器组件的系统和设备，以降低机器人的复杂性并增加可靠性。特别是，马达和其控制器可以彼此靠近地整合到紧凑封装结构中，以有助于共享传感器和热管理部件。通过本文公开的构造，导线的数量和长度减小，由此通过减少潜在故障点而增强机器人的可靠性。这些构造可以由此降低机器人的故障可能性和停机时间并降低机器人的维护成本。

图15A根据示例性实施方式示出了整合的马达控制器组件1500。如所示的，组件1500包括设置在壳体1504中的马达1502。壳体1504包括热沉鳍片1506，其绕壳体1504的外表面以圆形阵列周向间隔开。

组件1500包括控制器1508，其可以包括一个或多个印刷电路板(PCB)。例如，控制器1508可以包括功率级(power stage)PCB 1510和逻辑级(logic stage)PCB 1512。功率级PCB 1510可以例如包括功率电子器件，其可包括固态电子器件，该固态电子器件配置为用于向马达1502的定子绕组提供电功率的控制和转换。例如，功率级PCB 1510可以包括多个场效应晶体管(FET)。

逻辑级PCB 1512例如可以包括一个或多个微处理器和数据存储器，其包括指令，以被一个或多个微处理器执行，以执行用于马达1502的各种控制操作。功率级PCB 1510和逻辑级PCB 1512彼此通信。在图15A所示的示例性实施方式中，功率级PCB 1510和逻辑级PCB 1512并置或布置在各自的轴向间隔开的平面上。但是，在其他例子中，它们可以设置在不同构造中和功率级PCB 1510的一些示例性部件中，且逻辑级PCB 1512的部件可以整合到单个PCB中。

马达1502的转子联接到轴1514，该轴1514将转子的旋转动作传递到例如谐波驱动部1516这样的传动装置。在一例子中，轴1514可以是中空的且磁体1518可以设置在其中的近端端部处。本文中，术语“近端端部”是指轴1514的更靠近控制器1508的端部，而轴1514的“远端端部”是指联接到谐波驱动部1516的端部。

如所示的，轴1514延伸穿过功率级PCB 1510，使得磁体1518设置为更靠近并面对逻辑级PCB 1512。进一步地，逻辑级PCB 1512可以包括设置在其上且面对磁体1518的旋转位置传感器1520(例如磁阻传感器或霍耳效应传感器)。

磁体1518可以沿直径被磁化，使得在与之联接的轴1514和磁体1518旋转时，传感器1520向控制器1508提供表明轴1514的旋转位置的信息。该信息被控制器1508使用以控制马达1502的换向。通过该构造，马达1502的旋转位置传感器1520被整合到马达控制器1508中。该构造与其他构造(其中马达的旋转位置传感器设置为更靠近马达且导线将传感器与控制器连接)形成对比，由此增加导线破坏和故障的可能性。

组件1500可以进一步包括另一旋转位置传感器或输出编码器1522，其配置为向逻辑级PCB 1512提供表明机器人构件1524的旋转位置的信息。例如，输出编码器1522可以联接到压板1526，该压板1526可以联接到机器人构件1524。通过测量压板1526的旋转位置，输出编码器1522提供机器人构件1524的旋转位置的测量结果。

以这种方式，控制器1508接收表明马达1502和机器人构件1524的旋转位置的信息。如此，控制器1508可以确定谐波驱动部1516的刚性齿轮1528是否由于如上针对图13A-14所述的过载而打滑。组件1500进一步包括转矩测压元件或转矩传感器1530，其配置为测量谐波驱动部1516上的转矩负载。

图15B根据示例性实施方式示出了将转矩传感器1530和输出编码器1522连接到控制器1508。从转矩传感器1530和输出编码器1522而来的导线可以在固定到转矩传感器1530的连接部1532处布设和组合，所述转矩传感器1530固定到马达1502的定子壳体。导线可以随后连接到柔性PCB 1534，该柔性PCB可被配置为对从转矩传感器1530和输出编码器1522而来的信号执行初步处理(例如信号放大、滤波等)。

来自柔性PCB 1534的导线可以随后布设为穿过壳体1504并到达一个或多个连接件1536。连接件1536可以配置为通过密封扣板(sealing grommet)1538与联接到控制器1508(例如联接到功率级PCB 1510)的相应连接件1537(如图15D和15G所示)匹配。通过该构造，让输出编码器1522和转矩传感器1530靠近控制器1508有助于导线的集成和缩短，由此改善机器人的可靠性。

如图15A-15B所示的构造也可以用于在马达1502和控制器1508之间共享热管理部件。根据示例性实施方式，图15C示出了组件1500的热管理，且图15D示出了功率级PCB 1510的仰视图。

FET 1540可以在设置在功率级PCB 1510的背离逻辑级PCB 1512的表面上。还有，热传感器1542设置在功率级PCB 1510的其上设置了FET 1540的同一表面上。热界面材料(thermal interfacial material)1544将功率级PCB 1510和安装在其上的部件与肋1546分离，该肋从壳体1504的内周表面向内径向伸出。在其他示例性实施方式中，任何其他热耦合表面或导热结构可代替肋1546使用或额外使用。例如，代替明显的肋，可使用固体表面。其他例子也是可以的。

热界面材料1544可以是可挠、柔性材料，其对安装在功率级PCB 1510上的部件的高度变化进行补偿。热界面材料1544包括导热材料，其可以增加经相连结的固体表面的接触热导率，以便增加热传输效率。并非在功率级PCB 1510和肋1546之间留下填充有空气(其是差的热导体)的间隙，而提供热界面材料1544以用于增强热效率和传输。特别是，功率级PCB 1510和肋1546之间的热传输被增强。

热界面材料1544可以包括基于硅的材料或不基于硅的材料且可以采取几种形式。例如，热界面材料1544可以包括浆体或热油脂，其例如是用填充有氧化铝、氧化锌或氮化硼的硅油制造的。热界面材料1544也可以使用微粒化或粉末状的银。在一些例子中，热界面材料1544可以包括用于加强的玻璃纤维。

肋1546还配置为向通过马达1502且尤其是通过其定子绕组产生的热量提供热路径。通过该构造，控制器1508和马达1502共享共用的热管理和散耗结构。图15D中的箭头显示了用于马达1502和控制器1508两者的示例性热路径。从马达1502和控制器1508产生的热量通过肋1546传导到设置在壳体1504上的鳍片1506。

遮罩1548围绕风扇1550，该风扇在被启动时，抽取空气并将空气朝向鳍片1506引导。以这种方式，风扇1550可以增强鳍片1506处的散热并冷却马达1502和控制器1508两者。

热传感器1542被置于如上所述的功率级PCB 1510的具有FET 1540的同一表面上，且由此提供表明控制器1508的其他部件和FET 1540的温度的信息。热传感器1542也可以接触或靠近肋1546。热传感器1542还可由此提供表明马达1502的定子(其在肋1546附近)的温度的信息。通过该构造，马达1502和控制器1508两者共享共用的热传感器。通过热传感器1542向控制器1508提供的传感器信息可以用于控制何时以何种速度操作风扇1550。

热传感器1542也可以用于马达1502和谐波驱动部1516的安全监测(如图15A所示)。例如，热传感器1542可以表明定子温度超过临界温度，其又可以表明马达1502或谐波驱动部1516过载。替换地，高温度可以表明谐波驱动部1516的部件可能未对准且应当进行维护。

以这种方式，热传感器1542可以向控制器1508表明控制器1508的各种部件本身和马达1502的状态。控制器1508可以随后确定是否继续关节操作或出于安全原因将其关闭。由此，如图15A-15D所示地将马达1502和控制器1508整合允许为它们两者设置共用的热传感器，由此减小与热管理关联的配线的长度和范围。

如果马达1502和控制器1508每一个具有其各自的热传感器，则将为机器人增加双倍的传感器和配线数量。对于具有17个关节的四足机器人，配线量和范围会极大地增加，由此降低机器人作为一个整体的可靠性。这种整合实现部件数量和配线复杂度的减小，其可以增强机器人的总体可靠性。

在一些例子中，如图15C所示，逻辑级支柱(例如支柱(stand-off)1551A)可用于在逻辑级PCB 1512和功率级PCB 1510之间提供一致的距离。这些支柱可以确保两PCB的部件不彼此接触。

进一步地，功率级支柱(例如支柱1551B)可用于在FET 1540和肋1546之间提供一致的间隙或距离。FET 1540可是“活跃的(live)”且由此可以具有高电压，该高电压会在其他部件与之导电时对其造成损坏。功率级支柱防止FET 1540接触任何其他部件。进一步地，在FET 1540和肋1546之间提供一致的距离有助于估计要设置在它们之间的热界面材料1544的量和厚度。

在一些例子中，马达1502可以是三相马达，其具有以120°定位而电气间隔开的三个绕组或相。马达1502的定子可以包括12个槽绕组，且可以由此具有从其引出的12根导线。这12根导线可布置成几种构造，例如三角形、星形、并联或串联构造。构造会影响马达1502的性能和扭矩输出。

虽然从定子引出12根导线，但是在将导线配置为星形、并联或串联构造之后，导线数量减小到3或6根导线，以在控制器1508处被接收。为了有助于从定子引出的12根导线与控制器1508的接合，可以在它们之间设置相电路板1552。相电路板1552操作为马达1502的定子和控制器1508之间的中间或转换电路板。

根据示例性实施方式，图15E示出了从马达1502的定子1554出来的12根线，且图15F示出了配置为与定子1554接合的相电路板1552。定子1554通过12根绕组线，例如线1555A和1555B。相电路板1552配置为从定子1554接收12根线且将导电线包括在其中，使得最终连接形成星形、三角形、并联或串联的期望构造。相电路板1552随后向控制器1508(即向功率级PCB 1510)提供3个或6个管脚，例如管脚1556A和1556B。通过该构造，相电路板1552将从定子1554而来的线转为被接收在功率级PCB 1510的连接件处的鲁棒管脚(robustpin)。该构造降低配线复杂性并增加可靠性，并增加修理组件1500的能力。

在一些例子中，相电路板1552可以联接(例如经由任何类型的粘接剂胶粘)到定子1554。为了改变配线构造(例如从星形到三角形)，相电路板1552可以被去除，且实现期望配线构造的不同相电路板可以联接到定子1554，而不改变定子1554。以这种方式，在定子1554上执行最小的改变，且减小损坏定子1554的风险。

类似地，对控制器1508不执行改变或执行最小的改变。用于更换的相电路板将向控制器1508提供相同数量的管脚。以这种方式，降低昂贵的控制器1508损坏的风险。

图15G根据示例性实施方式示出了组件1500的分解视图。图15G中的分解视图进一步示出了组件1500的各种部件的关系和组装顺序。在一例子中，如图15G所示，电绝缘片1558可设置在相电路板1552和壳体1504之间，以确保在它们之间的电绝缘。

如此，整合马达1502和控制器1508并共享部件允许降低组件1500的尺寸和复杂性。进一步地，导线损坏的可能性降低，且组件1500的可靠性增加。在机器人可以包括类似于组件1500的许多组件的情况下，可靠性增加对作为一个整体的机器人来说作用非常大。

III.结论

本文所述的结构仅是用于例子的目的。如此，本领域技术人员应理解，根据期望的结果，其他构造和其他元件(例如，机器、接口、操作、顺序、和操作分组等)可代替地使用，且一些元件可以完全省略。进一步地，被描述为功能实体的许多元件可以组合，所述功能实体可以实施为离散的或分布式的部件或与其他部件关联，处于任何合适组合和位置。

尽管已经在本文公开了各种方面和实施例，其他方面和实施例对本领域技术人员来说是明显的。公开本文的各种方面和实施例用于展示的的目的而不是限制性的，实际范围通过之后的权利要求以及这种权利要求所限定的等效形式的全部范围给出。还有，本文使用的术语目的仅是描述具体例子而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种机器人(300)，包括：

腿(304、306)，具有上腿构件(410)和在膝关节(404)处联接到上腿构件(410)的下腿构件(412)；

螺旋致动器(400)，设置在上腿构件(410)中，其中螺旋致动器(400)具有螺纹轴(406)和与螺纹轴同轴安装的螺母(408)，使得螺纹轴(406)可在螺母(408)中旋转；

马达(402)，安装在上腿构件(410)的上部部分处且联接到螺纹轴(406)；

托架(414)，与螺母(408)同轴联接并安装，使得螺母(408)设置在托架(414)的近端端部(413)处；和

联动装置(418、422)，联接到托架(414)，其中联动装置(418、422)在膝关节(404)处联接到下腿构件(412)，其中：

马达(402)的旋转使得螺纹轴(406)旋转，其进一步使得(i)螺母(408)和托架(414)沿螺纹轴(406)的轴线(442)行进，和使得(ii)联动装置(418、422)让下腿构件(412)在膝关节(404)处相对于上腿构件(410)旋转。

2.如权利要求1所述的机器人(300)，进一步包括：

轴承托架(432)，与螺纹轴(406)同轴地安装在上腿构件(410)中；和

轴承(435)，在轴承托架(432)和螺纹轴(406)之间与螺纹轴(406)同轴安装，使得轴承(435)的外座圈与轴承托架(432)的内周表面(430)相接，且轴承(435)的内座圈与螺纹轴(406)的外周表面(430)相接。

3.如权利要求2所述的机器人(300)，其中轴承(435)经由第一肩部(436)和第二肩部(438)被轴向保持，该第一肩部形成为螺纹轴(406)的外周表面(430)上的阶梯表面(430)，该第二肩部形成为轴承托架(432)的内周表面上的相应阶梯表面(430)。

4.如权利要求3所述的机器人(300)，进一步包括轴向测压元件(440)，在轴承托架(432)和上腿构件(410)的内表面(430)之间安装在轴承托架(432)的外周表面(430)上。

5.权利要求1–4中任一项所述的机器人(300)，其中螺母(408)抵靠肩部(416)固定在托架(414)的近端端部(413)中，该肩部形成为托架(414)的内周表面(430)上的阶梯表面(430)，使得在螺纹轴(406)旋转且螺母(408)沿螺纹轴(406)的轴线(442)行进，螺母(408)推靠到肩部(416)，以使得托架(414)朝向膝关节(404)行进。

6.权利要求1–5中任一项所述的机器人(300)，其中联动装置(418、422)包括：

第一连杆(418)，联接到托架(414)；和

第二连杆(422)，在关节处联接到第一连杆(418)，该关节配置为允许第一连杆(418)和第二连杆(422)之间的相对旋转，其中第二连杆(422)联接到膝枢轴(426)，下腿构件(412)联接到膝枢轴，使得在托架(414)行进时，托架(414)推动第一连杆(418)，这使得第二连杆(422)绕膝枢轴(426)旋转，第二连杆(422)的旋转使得下腿构件(412)绕膝枢轴(426)旋转。

7.如权利要求1–6中任一项所述的机器人(300)，进一步包括：

脚构件(428)，联接到下腿构件(412)，其中上腿构件(410)在膝关节(404)处的膝枢轴(426)处联接到下腿构件(412)，其中联动装置(418、422)在设置在膝枢轴(426)和脚构件(428)之间的关节处联接到下腿构件(412)，使得在机器人(300)经由脚构件(428)置于表面(430)上时，螺纹轴(406)经历挤压力。

8.如权利要求1–7中任一项所述的机器人(300)，进一步包括：

脚构件(428)，联接到下腿构件(412)，其中上腿构件(410)在膝关节(404)处的膝枢轴(426)处联接到下腿构件(412)，其中联动装置(418、422)在一关节处联接到下腿构件(412)，且其中膝枢轴(426)设置在该关节和脚构件(428)之间，使得在机器人(300)经由脚构件(428)而置于表面(430)上时，螺纹轴(406)经历拉伸力。

9.权利要求1–8中任一项所述的机器人(300)，其中托架(414)包括设置在托架(414)的外表面(430)上的纵向通道(500)，机器人(300)进一步包括凸块(506)，该凸块固定安装到上腿构件(410)且在上腿构件(410)中径向向内突出，以接合纵向通道(500)，以便防止托架(414)绕螺纹轴(406)的轴线(442)旋转。

10.如权利要求9所述的机器人(300)，其中凸块(506)联接到板，该板配置为安装到上腿构件(410)的外表面(430)。

11.如权利要求1–10中任一项所述的机器人(300)，进一步包括滑动轴承(448)，安装在托架(414)的近端端部处的托架外周表面(430)和上腿构件(410)的内周表面(430)之间。

12.如权利要求11所述的机器人(300)，其中滑动轴承(448)是第一滑动轴承(448)，机器人(300)进一步包括第二滑动轴承(450)，该第二滑动轴承安装在托架(414)的远端端部(420)处的托架外周表面(430)和上腿构件(410)的内周表面(430)之间。

13.权利要求1–12中任一项所述的机器人(300)，其中马达(402)安装在机器人(300)的髋关节(403)处。

14.权利要求1–13中任一项所述的机器人(300)，其中螺纹轴(406)的轴线(442)是第一轴线(442)，且其中马达(402)设置在第二轴线(446)上，该第二轴线与第一轴线(442)偏开并平行。

15.一种组件(300)，包括：

机器人(300)的第一构件(410)和机器人(300)的第二构件(412)，其中第二构件(412)在一关节(404)处联接到第一构件(410)；

螺旋致动器(400)，设置在第一构件(410)中，其中螺旋致动器(400)具有螺纹轴(406)和与螺纹轴(406)同轴安装的螺母(408)，使得螺纹轴(406)可在螺母(408)中旋转；

马达(402)，安装在第一构件(410)的上部部分处且联接到螺纹轴(406)；

托架(414)，与螺母(408)同轴联接并安装，使得螺母(408)设置在托架(414)的近端端部(413)处；和

联动装置(418、422)，联接到托架(414)，其中联动装置(418、422)在该关节(404)处联接到第二构件(412)，其中：

马达(402)的旋转使得螺纹轴(406)旋转，其进一步使得(i)螺母(408)和托架(414)沿螺纹轴(406)的轴线(442)行进，和使得(ii)联动装置(418、422)让第二构件(412)在所述关节(404)处相对于第一构件(410)旋转。

16.如权利要求15所述的组件(300)，进一步包括：

轨道(604)，纵向安装到第一构件(410)的内表面(430)；和

滚子(602)，联接到托架(414)的远端端部(420)和配置为滚动且被约束在轨道(604)中。

17.如权利要求16所述的组件(300)，其中轨道(604)是第一轨道(604)且滚子(602)是第一滚子(602)，组件(300)进一步包括：

第二轨道(606)，与第一轨道(604)平行地纵向安装到第一构件(410)的内表面(430)；和

第二滚子(602)，联接到托架(414)的远端端部(420)且配置为滚动且被约束在第二轨道(606)中。

18.如权利要求17所述的组件(300)，进一步包括滚子托架(616)，联接到托架(414)的远端端部(420)且设置为垂直于螺纹轴(406)的轴线(442)，其中第一滚子(602)联接到滚子托架(616)的第一端，且第二滚子(602)联接到滚子托架(616)的与第一端相反的第二端。

19.如权利要求15–18中任一项所述的组件(300)，其中螺母(408)抵靠肩部(416)固定在托架(414)的近端端部(413)中，该肩部形成为托架(414)的内周表面(430)上的阶梯表面(430)，使得在螺纹轴(406)旋转且螺母(408)沿螺纹轴(406)的轴线(442)行进时，螺母(408)推靠到肩部(416)，以使得托架(414)朝向关节行进。

20.如权利要求15–19中任一项所述的组件(300)，其中联动装置(418、422)包括：

第一连杆(418)，联接到托架(414)；和

第二连杆(422)，联接到第一连杆(418)，使得第二连杆(422)被允许相对于第一连杆(418)旋转，其中第二连杆(422)联接到枢轴，该第二构件(412)联接到该枢轴，使得在托架(414)行进时，托架(414)推动第一连杆(418)，其使得第二连杆(422)绕枢轴旋转，第二连杆(422)的旋转使得第二构件(412)绕枢轴旋转。