CN110775180B - 一种机器人关节柔性驱动系统及足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种机器人关节柔性驱动系统及足式机器人。其中，机器人关节柔性驱动系统包括关节件、柔性线性驱动装置及驱动控制系统。关节件包括第一关节件和第二关节件。柔性线性驱动装置的一端与第一关节件连接、另一端与第二关节件连接。柔性线性驱动装置包括电动直线驱动装置本体和拉压力传感器；电动直线驱动装置本体具有相对设置第一端和第二端；电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端上安装有拉压力传感器，以感应柔性线性驱动装置与关节件之间连接处的受力信息；驱动控制系统根据拉压力传感器感应到的受力信息，控制柔性线性驱动装置对关节件进行柔性驱动。本发明主要用于对足式机器人的关节进行柔性线性驱动，提高足式机器人的稳定性。

Description

一种机器人关节柔性驱动系统及足式机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域，特别是涉及一种机器人关节柔性驱动系统及足式机器人。

背景技术

仿生学是“模仿生物的科学”。仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求的结合产物。从机器人的角度来看，仿生机器人则是机器人技术发展的高级阶段。

足式机器人是一种模仿人类或动物站立和行走跳跃等运动特点的机器人。足式机器人涉及到了多门学科的交叉融合。足式机器人是多关节系统；而足式机器人的关节驱动控制研究是国内外学术界和工业界的难点。

传统足式机器人的关节驱动主要是采用工业伺服电机或数字舵机驱动机器人的关节运动、以及采用液压系统驱动及其人的关节驱动。但是，这两种传统的驱动方式存在如下技术问题：(1)工业伺服电机或者数字舵机中的电机是关节圆形旋转结构，存在如下无法克服的实际工程问题：第一、能效比低：由于减速和传动机构往往质量比较大，能量大部分用来消耗在电机关节上。第二、成本高昂：关节需要的扭转力巨大，因此需要较高的传动齿轮加工精度，造成了生产制造成本高等问题，极大的阻碍了足式机器人的应用；(2)液压系统存在控制系统复杂、液压系统体积较大等难以克服的工程技术问题。并且，液压系统的庞大和冗余，令其成本造价极其高昂，难以实现大规模商业化和民用化。

基于传统足式机器人的关节驱动存在的上述技术问题，本申请发明人的前期工程研究中(如专利申请号为201821601711.4和201821601708.2的专利)首次提出采用电动直线驱动装置作为足式机器人的关节驱动元件，从而优化了足式机器人的本体结构,提高了足式机器人关节驱动机构的能效比、降低足式机器人的制造成本。

在此，电动直线驱动装置是一种将电机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置，具有结构简单、紧凑、传动效率高、动作可靠等优点，在各个领域有着广泛的应用。

在本申请发明人的进一步研究中，发明人发现：现有的电动直线驱动装置均是刚性驱动元件，这样的足式机器人的关节驱动是一种非力控驱动方式；即，足式机器人的控制系统按照设定的运动路线控制电动直线驱动装置对机器人的关节施加力，使机器人按照设定路线进行动作。但是，在外界条件下，这种非力控的驱动方式会使足式机器人很容易产生碰撞、且稳定性差。因为，真实环境的力学状态是非线性的多变量复杂空间系统，靠非力控方式是无法解决和实现足式机器人的行走稳定性控制问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种机器人关节柔性驱动系统及足式机器人，主要目的在于对足式机器人的关节进行柔性驱动(即，力控系统)，提高足式机器人的稳定性。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，其包括：

关节件，所述关节件包括第一关节件和第二关节件；其中，所述第一关节件与第二关节件连接；且所述第一关节件与第二关节件的连接处形成具有至少一个自由度的关节；

至少一个柔性线性驱动装置，每一所述柔性线性驱动装置的一端与所述第一关节件连接、另一端与所述第二关节件连接；其中，每一所述柔性线性驱动装置包括电动直线驱动装置本体和拉压力传感器；其中，所述电动直线驱动装置本体具有相对设置第一端和第二端；所述电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端上安装有所述拉压力传感器，用于感应所述柔性线性驱动装置与关节件之间的连接处的受力信息；

驱动控制系统，所述驱动控制系统根据所述拉压力传感器感应到的受力信息，控制所述柔性线性驱动装置对所述关节件进行柔性驱动。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，所述电动直线驱动装置本体的第一端、第二端均连接有连接件；其中，所述拉压力传感器安装在所述电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端与所述连接件之间；优选的，所述连接件与所述关节件上的连接件构成转动副、球头副、球副、铰链中的任一种。

优选的，所述电动直线驱动装置本体包括：

推杆组件，所述推杆组件包括推杆和套设于所述推杆之外的套筒；其中，所述推杆具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆的第一端位于所述套筒内、所述推杆的第二端位于所述套筒外；

驱动组件，所述驱动组件与所述推杆驱动连接，用于驱动所述推杆在沿着所述推杆的延伸方向上相对于所述套筒做直线运动；

其中，所述推杆的第二端为所述电动直线驱动装置本体的第一端；所述推杆的第二端与所述拉压力传感器的一端连接，所述拉压力传感器的另一端连接有连接件。

优选的，所述驱动组件包括：

电机；

齿轮减速机构，所述电机与所述齿轮减速机构驱动连接；

丝杆，所述齿轮减速机构与所述丝杆驱动连接，驱动所述丝杆转动；所述丝杆上套装有螺母，其中，所述螺母与所述推杆连接，以使转动的丝杆推动所述推杆相对于所述套筒做直线运动。

优选的，所述电动直线驱动装置本体还包括：

磁性件，所述磁性件与所述电机连接，且随着所述电机的转子轴转动；

霍尔装置，所述霍尔装置套设在所述磁性件上，且所述霍尔装置与所述磁性件之间存在设定间隙；所述霍尔装置通过感应所述磁性件的磁场变化，反馈所述电机的转数。

优选的，所述电动直线驱动装置本体设置成由推杆和套筒组成的笔筒式结构；其中，所述电机安装在所述套筒内；所述推杆的内部为中空腔体，所述丝杆、齿轮减速机构安装在所述中空腔体内；其中，所述套筒的具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆的第二端从所述套筒的第一端处伸出；所述套筒的第二端为所述电动直线驱动装置本体的第二端，且所述套筒的第二端连接有连接件；或所述电动直线驱动装置本体还包括底座；其中，所述推杆组件、电机均安置在所述底座上；所述减速机构安置在所述底座内；所述底座上的远离所述推杆组件的一端为电动直线驱动装置本体的第二端，且所述电动直线驱动装置本体的第二端连接有连接件。

优选的，所述驱动控制系统包括：

信息采集模块：所述信息采集模块与所述拉压力传感器连接，用于实时采集所述拉压力传感器感应到的柔性线性驱动装置与关节件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F；

计算模块：所述计算模块与所述信息采集模块连接；其中，所述计算模块包括实时驱动速度计算模块和/或实时驱动位移计算模块，用于根据所获得的实时受力值F，计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值；

控制模块：所述控制模块与所述计算模块、柔性线性驱动装置连接，用于控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节所述柔性线性驱动装置的实时驱动速度，使其与所述实时驱动速度的计算值一致；和/或用于控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节实时驱动位移，使其与所述实时驱动位移的计算值一致。

优选的，所述驱动控制系统还包括第一参数设置模块，用于设置参考接触力值F_ref；其中，所述计算模块与所述第一参数设置模块连接，用于根据实时受力值F和设置的参考接触力值F_ref，计算出实时受力变化值F_delta；优选的，根据以下公式计算出实时受力变化值F_delta：

F_delta＝F-F_ref；

优选的，所述参考接触力值F_ref根据以下公式进行确定：

F_ref＝P×S；

其中，P为感知的压强阈值；S人或外界物体与所述关节件之间的接触面积。

优选的，所述驱动控制系统还包括第二参数设置模块，用于设置驱动速度控制系数K1；其中，

所述计算模块与所述第二参数设置模块连接；其中，所述计算模块根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动速度控制系数K1，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值：

V_delta＝K1×F_delta；

V＝V_initial+V_delta；

其中，K1是驱动速度控制系数、V_delta是柔性线性驱动装置的驱动速度变化值、V_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动速度值、V是柔性线性驱动装置的实时驱动速度；

优选的，K1是人为设定值；其中，若K1为正值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；若K1为负值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

优选的，所述驱动控制系统还包括第三参数设置模块；其中，所述第三参数设置模块用于设置驱动位移控制系数K2；

所述计算模块与所述第三参数设置模块连接；其中，所述计算模块根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动位移控制系数K2，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动位移的计算值：

S_delta＝K2×F_delta；

S＝S_initial+S_delta；

其中，K2是驱动位移控制系数、S_delta是柔性线性驱动装置的驱动位移变化值、S_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动位移值、S是柔性线性驱动装置的实时驱动位移；

优选的，K2是人为设定值；其中，

若K2为正值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；

K2为负值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

另一方面，本发明的实施例提供一种足式机器人，其中，所述足式机器人包括至少一个关节系统；其中，每一所述关节系统为上述任一项所述的机器人关节柔性驱动系统；

优选的，所述关节系统为踝关节系统；其中，所述踝关节系统中的第一关节件为小腿、所述踝关节系统中的第二关节件为脚掌；进一步优选的，所述踝关节系统包括两个柔性线性驱动装置；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述小腿绕踝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述脚掌绕踝关节的前后转动角度；另一个柔性线性驱动装置用于调节控制小腿绕所述踝关节的左右转动角度和/或用于调节控制脚掌绕所述踝关节的左右转动角度；

优选的，所述关节系统为膝关节系统；其中，所述膝关节系统中的第一关节件为大腿、所述膝关节系统中的第二关节件为小腿；进一步优选的，所述膝关节系统包括一个柔性线性驱动装置，用于调节控制所述大腿绕膝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述小腿绕膝关节的前后转动角度；

优选的，所述关节系统为包括髋关节系统；其中，所述髋关节系统的第一关节件为大腿、所述髋关节系统的第二关节件为腰部；进一步优选的，髋关节系统包括两个柔性线性驱动装置；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕所述髋关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕所述髋关节的前后转动角度；另一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕髋关节的左右转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕髋关节的左右转动角度。

优选的，所述足式机器人包括：机器人主控计算机系统；其中，所述每一关节系统中的驱动控制系统均集成在所述机器人主控计算机系统中、或所述机器人主控计算系统对每一关节系统中的驱动控制系统进行控制；

优选的，所述足式机器人还包括机器人感知系统，所述机器人感知系统与所述机器人主控计算机系统连接；

优选的，所述足式机器人还包括机器人供电系统，所述机器人供电系统与所述机器人主控计算机系统连接。

与现有技术相比，本发明的机器人关节柔性驱动系统及足式机器人至少具有下列有益效果：

一方面，本发明提供的机器人关节柔性驱动系统通过设计柔性线性驱动装置(在此设计的柔性线性驱动装置是在电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端处安装拉压力传感器)，使柔性线性驱动装置的一端与第一关节件连接、柔性线性驱动装置的另一端与第二关节件连接，进一步地设计了驱动控制系统，该驱动控制系统根据拉压力传感器感应到的受力信息，调节柔性线性驱动装置的驱动速度和/或驱动位移，使得柔性线性驱动装置能对关节件进行柔性驱动(力控驱动)。这样，足式机器人在受到外界的力作用时，驱动控制系统根据感应到的关节件受到的力，进而对柔性线性驱动装置进行控制，使得关节件处的受力得到调整，从而使足式机器人处于稳定的状态。

另一方面，本发明还提供一种足式机器人，该足式机器人包括至少一个关节系统，且每一个关节系统设置成上述的机器人关节柔性驱动系统，因此，本发明提供的足式机器人受到外界碰撞或作用时，自身能调节相应的关节运动，使得足式机器人处于稳定状态，从而解决了传统的非力控关节控制使得足式机器人易产生碰撞、稳定性差的技术问题

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种柔性线性驱动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种柔性线性驱动装置的结构分解示意图；

图3是本发明实施例提供的一种拉压力传感器的结构示意图；

图4是发明实施例提供的一种足式机器人的关节驱动机构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种足式机器人的关节驱动机构的结构示意图；

图6是本发明的实施例提供的一种柔性线性驱动控制系统与柔性线性驱动装置配合的示意图；

图7是柔性线性驱动装置在受到压力时的示意图；

图8是柔性线性驱动装置在模式二状态下的示意图；

图9是柔性线性驱动装置在受到拉力时的示意图；

图10是柔性线性驱动装置在模式三状态下的示意图；

图11是足式机器人的整机系统架构的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

一方面，如图1、图2、及图4至图6所示，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，其包括：关节件、至少一个柔性线性驱动装置1及驱动控制系统6。其中，关节件包括第一关节件4和第二关节件5；其中，第一关节件4与第二关节件5连接；且第一关节件4与第二关节件5的连接处形成具有至少一个自由度的关节。每一柔性线性驱动装置1的一端与第一关节件4连接、另一端与第二关节件5连接(第一关节件4、第二关节件5、及每一柔性线性驱动装置1之间构成一个三角形结构)。其中，每一柔性线性驱动装置1包括电动直线驱动装置本体和拉压力传感器2；其中，电动直线驱动装置本体具有相对设置第一端和第二端；电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端上安装有拉压力传感器2，用于感应柔性线性驱动装置1与关节件之间的连接处的受力信息。驱动控制系统6根据拉压力传感器2感应到的受力信息，控制柔性线性驱动装置1对关节件进行柔性驱动。

本实施例提供的机器人关节柔性驱动系统通过设计柔性线性驱动装置(在此设计的柔性线性驱动装置是在电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端处安装拉压力传感器)，使柔性线性驱动装置的一端与第一关节件连接、柔性线性驱动装置的另一端与第二关节件连接，进一步地设计了驱动控制系统，该驱动控制系统根据拉压力传感器感应到的受力信息，调节柔性线性驱动装置的驱动速度和/或驱动位移，使得柔性线性驱动装置能对关节件进行柔性驱动(力控驱动)。这样，应用本实施例提供的机器人关节柔性驱动系统的足式机器人，受到外界的力时，驱动控制系统根据感应到的关节件受到的力，进而对柔性线性驱动装置进行控制，使得关节件处的受力得到调整，从而使足式机器人处于稳定的状态。

在此，本实施例及下述实施例中的术语“驱动速度”指的是柔性线性驱动装置活动端的直线运动速度(如，柔性线性驱动装置中的推杆的直线运动速度)。

本实施例及下述实施例中的术语“驱动位移”指的是柔性线性驱动装置活动端的直线运动位移(如，柔性线性驱动装置中的推杆的直线运动位移)。

实施例2

较佳地，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，与上一实施例相比，如图1、图2、图4及图5所示，本实施例的柔性线性驱动装置设计成如下结构：

电动直线驱动装置本体的第一端、第二端均连接有连接件(在此，电动直线驱动装置本体的第一端、第二端不管是否安装有拉压力传感器；但是，第一端、第二端均会连接有连接件(在此的连接包括直接连接或间接连接)，以实现与关节件的连接；并且，电动直线驱动装置本体的第一端上连接的连接件定义为第一连接件31、电动直线驱动装置本体的第二端上连接的连接件定义为第二连接件32；第一连接件31、第二连接件32的结构可以相同，也可以不同；与第一连接件31连接的关节件为第一关节件4、与第二连接件32连接的关节件为第二关节件5)。其中，连接件与关节件上的连接件构成转动副、球头副、球副、铰链中的任一种。

进一步的，电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端与拉压力传感器2的一端连接，拉压力传感器2的另一端与连接件连接。若电动直线驱动装置本体的第一端安装有拉压力传感器2，那么电动直线驱动装置本体的第一端先与拉压力传感器2的一端连接，拉压力传感器2的另一端再与连接件连接(即，电动直线驱动装置本体的第一端与连接件间接连接)。若电动直线驱动装置本体的第一端不安装拉压力传感器2，那么电动直线驱动装置本体的第一端直接与连接件连接(即，电动直线驱动装置本体的第一端与连接件直接连接)。

较佳地，本实施例及下述实施例中的柔性线性驱动装置中，仅电动直线驱动装置本体的第一端安装拉压力传感器2。

实施例3

较佳地，如图1和图2、图4和图5所示，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，与上述实施例相比，柔性线性驱动装置中的电动直线驱动装置本体的具体结构如下：

电动直线驱动装置本体包括：推杆组件11和驱动组件。其中，推杆组件11包括推杆110和套设于推杆之外的套筒111；其中，推杆110具有相对设置的第一端和第二端；推杆110的第一端位于套筒111内、推杆110的第二端位于套筒111外。驱动组件与推杆110驱动连接，用于驱动推杆110在沿着推杆的延伸方向相对于套筒111做直线运动。

进一步的，驱动组件包括：电机、行星齿轮减速机构(当然也可以选用普通的齿轮减速机构)及丝杆；其中，电机与行星齿轮减速机构驱动连接；行星齿轮减速机构与丝杆驱动连接，驱动丝杆转动；丝杆上套装有螺母，其中，螺母与推杆连接，以使转动的丝杆推动推杆相对于所述套筒做直线运动。

在此，推杆110的第二端为电动直线驱动装置本体的第一端；且推杆的第二端与拉压力传感器2的一端，拉压力传感器2的另一端连接第一连接件31。

较佳地，本实施例中的电动直线驱动装置本体的外形可以设置成以下两种形状：

第一种，如图2所述的笔筒式结构：电动直线驱动装置本体设置成由推杆110和套筒111组成的笔筒式结构；其中，电机122安装在所述套筒111内；所述推杆110的内部为中空腔体，所述丝杆、行星齿轮减速机构安装在所述中空腔体内。

其中，所述套筒111的具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆110的第二端从套筒111的第一端(敞口端)处伸出。

在此，所述套筒111第二端为电动直线驱动装置本体的第二端，且所述套筒111的第二端直接连接第二连接件32。

第二种，如图1所述的底座式结构：电动直线驱动装置本体还包括底座13；其中，推杆组件11、电机122(电机122上连接有电线121)均安置在底座13上；行星减速机构安置在底座13内。

在此，底座13上的远离推杆组件的一端为电动直线驱动装置本体的第二端，且电动直线驱动装置本体的第二端上设置有第二连接件32。

实施例4

较佳地，如图2所示，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，与上述实施例相比，本实施例的电动直线驱动装置本体还设置有霍尔装置，具体如下：

电动直线驱动装置本体还包括：磁性件123和霍尔装置124；磁性件123与所述电机122连接，且随着所述电机122的转子轴转动；霍尔装置124套设在所述磁性件123上，且所述霍尔装置124与所述磁性件之间存在设定间隙；所述霍尔装置通124过感应所述磁性件123的磁场变化，反馈所述电机122的转数。

本实施例通过在电机122的尾端上安装一磁性件123，且使磁性件123能随着转子轴转动，并使霍尔装置124套设在磁性件123上，从而感应出磁性件123的磁场变化，进而能准确地反馈出电机122的转数；这样驱动控制系统能根据霍尔装置124感应的信号，准确检测出推杆110的位置、速度及加速度，最终实现对机器人关节的运动进行精确控制。

较佳地，本实施例中的磁性件123的安装位置如下：电机122的转子轴具有相对设置的首端和尾端；其中，转子轴的首端与形星齿轮减速机构驱动连接；磁性件123固定在转子轴的尾端上(即，电机的尾端)。

较佳地，本实施例中的磁性件为磁铁。

较佳地，霍尔装置124包括霍尔电路板和霍尔元件；其中，霍尔元件安装在霍尔电路板上，且霍尔元件与霍尔电路板形成套状结构，以套在磁性件上；霍尔元件环绕磁性件设置。在此，霍尔电路板与磁性件的远离电机的一端相对设置，霍尔电路板相当于套状结构的底部，而霍尔元件相当于套状结构的筒部(筒部可以是完整的一圈，也可以中间有缺失的部分，在此不做具体限制)。较佳地，霍尔元件为两个，且两个霍尔元件相对设置。在此，霍尔元件不限于两个，也可以为一个或多个。

本实施例是以图2所示的柔性线性驱动装置为例说明如何安装霍尔装置。当然，图1所示的柔性线性驱动装置也是以上方式安装霍尔装置(图1未示出霍尔装置等结构)。

实施例5

如图1至图3所示，较佳地，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，与上述实施例相比，本实施例中的拉压力传感器2的结构及与电动直线驱动装置本体、连接件的连接方式如下：

拉压力传感器2的一端设置有第一螺纹紧固件21，第一螺纹紧固件21与电动直线驱动装置本体上的螺纹孔适配。拉压力传感器2的另一端设置有第二螺纹紧固件22，所述第二螺纹紧固件22与连接件上的螺纹孔适配。

较佳地，拉压力传感器2包括主体20、第一螺纹紧固件21、第二螺纹紧固件22；其中，主体20包括壳体及设置在壳体内的电路及电子元器件。第一螺纹紧固件21设置在主体20的一端、第二螺纹紧固件22设置在主体20的另一端；主体20上还设置有接线端23。其中，第一螺纹紧固件21、第二螺纹紧固件22、主体20上的壳体为一体式结构。

实施例6

较佳地，本实施例提供一种机器人关节柔性驱动系统，与上述实施例相比，如图6所示，本实施例中的驱动控制系统设计如下：

驱动控制系统6用于控制柔性线性驱动装置1对关节件进行柔性驱动；其中，驱动控制系统6包括：信息采集模块64、计算模块65及控制模块66。其中，信息采集模块64与拉压力传感器2连接，用于实时采集拉压力传感器2感应到的柔性线性驱动装置1与关节件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F。计算模块65与信息采集模块64连接；其中，计算模块65包括实时驱动速度计算模块和/或实时驱动位移计算模块，用于根据所获得的实时受力值F，计算出柔性线性驱动装置1进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值。控制模块66与计算模块65、柔性线性驱动装置1连接，用于控制柔性线性驱动装置1的运行，调节柔性线性驱动装置1的实时驱动速度，使其与实时驱动速度的计算值一致；和/或用于控制柔性线性驱动装置的运行，调节实时驱动位移，使其与实时驱动位移的计算值一致。

较佳地，驱动控制系统6还包括第一参数设置模块61，用于设置参考接触力值F_ref；其中，计算模块64与第一参数设置模块61连接，用于根据实时受力值F和设置的参考接触力值F_ref，计算出实时受力变化值F_delta；优选的，根据以下公式计算出实时受力变化值F_delta：

F_delta＝F-F_ref；

参考接触力F_ref是人为设定的，具体根据被驱动件(如，机器人的关节件)的实际工况设定。较佳地，F_ref根据以下公式进行确定：

F_ref＝P×S；其中，P为感知的压强阈值(如，人类感知的压强阈值)；S为接触面积(如，人或外界物体与关节件的接触面积)。较佳地，接触面积S设置成1cm²-100cm²。

较佳地，驱动控制系统6还包括第二参数设置模块62，用于设置驱动速度控制系数K1；其中，计算模块64与所述第二参数设置模块62连接；其中，所述计算模块64根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动速度控制系数K1，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值：

V_delta＝K1×F_delta；

V＝V_initial+V_delta；

其中，K1是驱动速度控制系数、V_delta是柔性线性驱动装置的驱动速度变化值、V_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动速度值、V是柔性线性驱动装置的实时驱动速度；

优选的，K1是人为设定值；其中，

若K1为正值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；

K1为负值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

较佳地，驱动控制系统6还包括第三参数设置模块63；其中，第三参数设置模块用于设置驱动位移控制系数K2；所述计算模块64与第三参数设置模块63连接；其中，所述计算模块63根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动位移控制系数K2，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动位移的计算值：

S_delta＝K2×F_delta；

S＝S_initial+S_delta；

其中，K2是驱动位移控制系数、S_delta是柔性线性驱动装置的驱动位移变化值、S_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动位移值、S是柔性线性驱动装置的实时驱动位移。

较佳地，在上述的驱动控制系统6中，控制模块66与柔性线性驱动装置1中的驱动装置(优选电机122)连接。

较佳的，上述的驱动控制系统独立于柔性线性驱动装置之外的一个控制元件。也可以是置于柔性线性驱动装置上(如，连接在柔性线性驱动装置中的电机上)的控制元件。

在此，驱动控制系统通过以下步骤控制柔性线性驱动装置对关节件进行柔性线性驱动：

S1信息采集步骤：实时采集所述拉压力传感器感应到的柔性线性驱动装置与关节件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F。

在此，实时受力值F指的是柔性线性驱动装置与被驱动件之间连接处的实时受力值。

S2计算步骤：根据所获得的实时受力值F，计算出柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值。

在此，计算步骤具体包括：

1)根据所获得的实时受力值F，计算出实时受力变化值F_delta；

该步骤中，根据以下公式计算出实时受力变化值F_delta：

F_delta＝F-F_ref；

其中，F_delta为实时受力变化值、F为实时受力值、F_ref为预设的参考接触力值。

参考接触力F_ref是人为设定的，具体根据被驱动件(如，机器人的关节件)的实际工况设定。较佳地，F_ref根据以下公式进行确定：

F_ref＝P×S；其中，P为感知的压强阈值(如，人类感知的压强阈值)；S为接触面积(如，人或外界物体与关节件的接触面积)。较佳地，接触面积S设置成1cm²-100cm²。

2)根据实时受力变化值F_delta，计算出柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值。

在该步骤中，实时驱动速度指的柔性线性驱动装置的直线驱动速度，即柔性线性驱动装置中推杆的移动速度；实时驱动位移指的是柔性线性驱动装置的直线驱动位移，即，柔性线性驱动装置中推杆的移动位移。

一方面，根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动速度控制系数K1(即，用于控制柔性线性驱动装置的驱动速度变化)，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值：

V_delta＝K1×F_delta；

V＝V_initial+V_delta；

其中，K1是驱动速度控制系数、V_delta是柔性线性驱动装置的驱动速度变化值、V_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动速度值、V是柔性线性驱动装置的实时驱动速度；

在此，K1是人为设定值；其中，若K1为正值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；K1为负值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

另一方面，根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动位移控制系数K2，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动位移的计算值：

S_delta＝K2×F_delta；

S＝S_initial+S_delta；

其中，K2是驱动位移控制系数(人为设定值，用于控制柔性线性驱动装置的驱动位移变化)、S_delta是柔性线性驱动装置的驱动位移变化值、S_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动位移值、S是柔性线性驱动装置的实时驱动位移。

在此，柔性线性驱动装置实时驱动位移与实时驱动速度相关，具体如下：

式V＝V_initial+V_delta的微分形式为dS/dt＝dS/dt|initial+k1×F_delta；

S_delta＝S-S₀＝K2×F_delta；

由此可见：dS＝K2×F_delta。

在此，K2是人为设定值；其中，若K2为正值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；K2为负值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

S3控制步骤：控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节所述柔性驱动装置的实时驱动速度，使其与所述实时驱动速度的计算值一致；和/或控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节实时驱动位移，使其与所述实时驱动位移的计算值一致。

实施例7

对于实施例6中的驱动速度控制系数K1是人为设定的；具体根据关节件在实际工况下，要求的柔性线性驱动装置的V_delta值决定；如机器人的某一关节件(被驱动件)在某一工况下(例如精细动作)要求的V_delta极限值是1mm/s-1cm/s；而在另一工况下(例如作为机械臂使用时)要求的V_delta极限值是1m/s-10m/s。

同理，驱动位移控制系数K2是人为设定的，具体根据关节件在实际工况下，要求的柔性线性驱动装置的S_delta值决定。

上述K1、K2是人为设定的；其设置的值直接决定柔顺效果和阻抗效果。

参见图7至图10所示，本实施例通过举例说明K1的设置是如何直接决定柔顺效果和阻抗效果：

如图7至图10中的柔性线性驱动装置中的拉压力传感器2用于感应压力或拉力。

例1：在X轴坐标系下，若柔性线性驱动装置上的拉压力传感器感应到的受力状态为压力状态。如图7所示，设定柔性线性驱动装置的初始驱动速度V_initial＝0，在设定压力情况下,力F为负(X轴负方向)。

模式一：若K1设置为负值，则柔性线性驱动装置的驱动速度V增加(V为负值)，导致F_delta持续增大。该模式为阻抗模式。

模式二：若K1设置为正值，则柔性线性驱动装置的驱动速度V减小到X轴负向，导致F_delta持续减小直到0，即压力为F_ref处，并维持力学平衡匀速运动。该模式为柔顺模式，参见图8所示。

在此，柔性线性驱动装置用于连接被驱动件的连接处一旦受力，就减速(驱动速度V减小)，力F开始减小，F_delta变为负值，V_delta为正，V开始减速，导致F_delta减小直到0，即压力为F_ref处,并维持力学平衡，匀速运动。

例2：在X轴坐标系下，若柔性线性驱动装置上的拉压力传感器感应到的受力状态拉力状态时：如图9所示，拉力情况下，力F为正(X轴正方向)。

模式三：若K1设置为正值，则柔性线性驱动装置的驱动速度V增加,最的简单情况是：设定F_ref＝0，则：

V_delta＝K1×F_delta＝K1×(F-F_ref)＝K1×F；

若拉力F越大、驱动速度V越大；若拉力F越小、驱动速度V越小,拉力F为0，则驱动速度V＝0。模式三为柔顺模式，参见图10所示。

模式四：若K1设置为负值，设定F_ref＝0，若拉力F小，则反向驱动速度V小；若拉力F越大，则反向驱动速度V越大。该模式为阻抗模式。

综上，K1若为正值，则驱动速度变化值V_delta和力F同向，相应的模式为柔顺模式；K1为负值，则驱动速度变化值V_delta和力F相反向，相应的模式阻抗模式。

实施例8

另一方面，本实施例提供一种足式机器人，该足式机器人包括至少一个关节系统；其中，每一关节系统为上述任一项所述的机器人关节柔性驱动系统；

较佳地，关节系统为踝关节系统；其中，所述踝关节系统中的第一关节件为小腿、所述踝关节系统中的第二关节件为脚掌(如图4和图5所示的机器人关节柔性驱动系统中的第一关节件4为小腿、第二关节件5为脚掌)。较佳地，踝关节系统包括两个柔性线性驱动装置1；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述小腿绕踝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述脚掌绕踝关节的前后转动角度；另一个直线驱动器用于调节控制小腿绕所述踝关节的左右转动角度和/或用于调节控制脚掌绕所述踝关节的左右转动角度。较佳地，当柔性线性驱动装置中的线性直线驱动装置本体包括推杆时，推杆的第二端与小腿连接。

优选的，所述关节系统包括膝关节系统；其中，所述膝关节系统中的第一关节件4为大腿、所述膝关节系统中的第二关节件5为小腿。较佳地，所述膝关节系统包括一个柔性线性驱动装置1，用于调节控制所述大腿绕膝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述小腿绕膝关节的前后转动角度。较佳地，当柔性线性驱动装置中的线性直线驱动装置本体包括推杆时，推杆的第二端与大腿连接。

优选的，所述机器人关节柔性驱动系统包括髋关节系统；其中，所述髋关节系统的第一关节件4为大腿、所述髋关节系统的第二关节件5为腰部。较佳地，髋关节系统包括两个柔性线性驱动装置1；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕所述髋关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕所述髋关节的前后转动角度；另一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕髋关节的左右转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕髋关节的左右转动角度。较佳地，当柔性线性驱动装置中的线性直线驱动装置本体包括推杆时，所述推杆的第二端与所述大腿连接。

在此，以踝关节柔性驱动系统为例说明足式机器人是如何实现柔性驱动：参见图4和图5、图6所示，柔性线性驱动装置1上的拉压力传感器2可以实时感应足式机器人的第一关节件4(即，小腿)与柔性线性驱动装置1之间连接处的受力。柔性线性驱动控制系统6中的信息采集模块64实时采集拉压力传感器2感应到的柔性线性驱动装置1与第一关节件4之间连接处的受力信息，获得实时受力值F。计算模块根据所获得的实时受力值F，计算出柔性线性驱动装置1对第一关节件4进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值。控制模块66用于控制柔性线性驱动装置1的运行，调节柔性线性驱动装置1的实时驱动速度和/或驱动位移，使其柔性线性驱动装置能对第一关节件4进行柔性驱动。

在此，本实施例的足式机器人受到外界碰撞或作用时，自身能调节相应的关节运动，使得足式机器人处于稳定状态，从而解决了传统的非力控关节控制使得足式机器人易产生刚性碰撞、行走稳定性差的技术问题。

实施例9

较佳地，本实施例提供一种足式机器人，与实施例8相比，本实施例进一步对机器人的总控制系统进行如下设计：

如图11所示，足式机器人包括机器人主控计算机系统，用于控制足式机器人所有动作及部位的运行。在此，对于每一关节系统中的驱动控制系统与机器人主控计算机系统的关系可以设计成以下两种方式：

第一种方式：每一关节系统中的驱动控制系统均集成在所述机器人主控计算机系统中，由机器人主控计算机系统控制；此时，图11中的踝关节柔性线性驱动模组包括踝关节系统中的关节件和柔性线性驱动装置、膝关节柔性线性驱动模组包括膝关节系统中的关节件和柔性线性驱动装置、髋关节柔性线性驱动模组包括髋关节系统中的关节件和柔性线性驱动装置。

第二种方式：每一关节系统中的驱动控制系统未集成在所述机器人主控计算机系统中，但由机器人主控计算机系统控制。此时，图11中的踝关节柔性线性驱动模组为踝关节系统、膝关节柔性线性驱动模组为膝关节系统、髋关节柔性线性驱动模组为髋关节系统。

另外，足式机器人还包括机器人感知系统，用于感知外界信息，如摄取图像信息、声音信息等，所述机器人感知系统与所述机器人主控计算机系统连接；

另外，所述足式机器人还包括机器人供电系统，所述机器人供电系统与所述机器人主控计算机系统连接，用于向主控计算机系统、踝关节柔性线性驱动模组、膝关节柔性线性驱动模组及髋关节柔性线性驱动模组提供电能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (17)

1.一种机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，其包括：

关节件，所述关节件包括第一关节件和第二关节件；其中，所述第一关节件与第二关节件连接；且所述第一关节件与第二关节件的连接处形成具有至少一个自由度的关节；

至少一个柔性线性驱动装置，每一所述柔性线性驱动装置的一端与所述第一关节件连接、另一端与所述第二关节件连接；其中，每一所述柔性线性驱动装置包括电动直线驱动装置本体和拉压力传感器；其中，所述电动直线驱动装置本体具有相对设置第一端和第二端；所述电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端上安装有所述拉压力传感器，用于感应所述柔性线性驱动装置与关节件之间的连接处的受力信息；

驱动控制系统，所述驱动控制系统根据所述拉压力传感器感应到的受力信息，控制所述柔性线性驱动装置对所述关节件进行柔性驱动；

其中，所述驱动控制系统包括：

信息采集模块：所述信息采集模块与所述拉压力传感器连接，用于实时采集所述拉压力传感器感应到的柔性线性驱动装置与关节件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F；

计算模块：所述计算模块与所述信息采集模块连接；其中，所述计算模块包括实时驱动速度计算模块和/或实时驱动位移计算模块，用于根据所获得的实时受力值F，计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值和/或需要的实时驱动位移的计算值；

控制模块：所述控制模块与所述计算模块、柔性线性驱动装置连接，用于控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节所述柔性线性驱动装置的实时驱动速度，使其与所述实时驱动速度的计算值一致；和/或用于控制所述柔性线性驱动装置的运行，调节实时驱动位移，使其与所述实时驱动位移的计算值一致；

所述驱动控制系统还包括第一参数设置模块，用于设置参考接触力值F_ref；其中，所述计算模块与所述第一参数设置模块连接，用于根据实时受力值F和设置的参考接触力值F_ref，计算出实时受力变化值F_delta；根据以下公式计算出实时受力变化值F_delta：F_delta＝F-F_ref；所述参考接触力值F_ref根据以下公式进行确定：F_ref＝P×S；其中，P为感知的压强阈值；S为人或外界物体与所述关节件之间的接触面积；

所述驱动控制系统还包括第二参数设置模块，用于设置驱动速度控制系数K1；其中，所述计算模块与所述第二参数设置模块连接；其中，所述计算模块根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动速度控制系数K1，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度的计算值：V_delta＝K1×F_delta；V＝V_initial+V_delta；其中，K1是驱动速度控制系数、V_delta是柔性线性驱动装置的驱动速度变化值、V_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动速度值、V是柔性线性驱动装置的实时驱动速度；K1是人为设定值；其中，若K1为正值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；若K1为负值，则驱动速度变化值V_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式；和/或所述驱动控制系统还包括第三参数设置模块；其中，所述第三参数设置模块用于设置驱动位移控制系数K2；所述计算模块与所述第三参数设置模块连接；其中，所述计算模块根据实时受力变化值F_delta、预设的驱动位移控制系数K2，通过以下公式计算出所述柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动位移的计算值：S_delta＝K2×F_delta；S＝S_initial+S_delta；其中，K2是驱动位移控制系数、S_delta是柔性线性驱动装置的驱动位移变化值、S_initial是柔性线性驱动装置的初始驱动位移值、S是柔性线性驱动装置的实时驱动位移；K2是人为设定值；其中，若K2为正值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相同，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于柔顺模式；K2为负值，则驱动位移变化值S_delta和实时受力F的方向相反，所述柔性线性驱动装置的驱动模式处于阻抗模式。

2.根据权利要求1所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，所述电动直线驱动装置本体的第一端、第二端均连接有连接件；其中，

所述拉压力传感器安装在所述电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端与所述连接件之间。

3.根据权利要求2所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，

所述连接件与所述关节件上的连接件构成转动副、球头副、球副、铰链中的任一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，所述电动直线驱动装置本体包括：

推杆组件，所述推杆组件包括推杆和套设于所述推杆之外的套筒；其中，所述推杆具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆的第一端位于所述套筒内、所述推杆的第二端位于所述套筒外；

驱动组件，所述驱动组件与所述推杆驱动连接，用于驱动所述推杆在沿着所述推杆的延伸方向上相对于所述套筒做直线运动；

其中，所述推杆的第二端为所述电动直线驱动装置本体的第一端；所述推杆的第二端与所述拉压力传感器的一端连接，所述拉压力传感器的另一端连接有连接件。

5.根据权利要求4所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，所述驱动组件包括：

电机；

齿轮减速机构，所述电机与所述齿轮减速机构驱动连接；

丝杆，所述齿轮减速机构与所述丝杆驱动连接，驱动所述丝杆转动；所述丝杆上套装有螺母，其中，所述螺母与所述推杆连接，以使转动的丝杆推动所述推杆相对于所述套筒做直线运动。

6.根据权利要求5所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，所述电动直线驱动装置本体还包括：

磁性件，所述磁性件与所述电机连接，且随着所述电机的转子轴转动；

霍尔装置，所述霍尔装置套设在所述磁性件上，且所述霍尔装置与所述磁性件之间存在设定间隙；所述霍尔装置通过感应所述磁性件的磁场变化，反馈所述电机的转数。

7.根据权利要求5所述的机器人关节柔性驱动系统，其特征在于，

所述电动直线驱动装置本体设置成由推杆和套筒组成的笔筒式结构；其中，所述电机安装在所述套筒内；所述推杆的内部为中空腔体，所述丝杆、齿轮减速机构安装在所述中空腔体内；其中，所述套筒具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆的第二端从所述套筒的第一端处伸出；所述套筒的第二端为所述电动直线驱动装置本体的第二端，且所述套筒的第二端连接有连接件；或

所述电动直线驱动装置本体还包括底座；其中，所述推杆组件、电机均安置在所述底座上；所述减速机构安置在所述底座内；所述底座上的远离所述推杆组件的一端为电动直线驱动装置本体的第二端，且所述电动直线驱动装置本体的第二端连接有连接件。

8.一种足式机器人，其特征在于，所述足式机器人包括至少一个关节系统；其中，每一所述关节系统为权利要求1-7任一项所述的机器人关节柔性驱动系统。

9.根据权利要求8所述的足式机器人，其特征在于，

所述关节系统为踝关节系统；其中，所述踝关节系统中的第一关节件为小腿、所述踝关节系统中的第二关节件为脚掌。

10.根据权利要求9所述的足式机器人，其特征在于，

所述踝关节系统包括两个柔性线性驱动装置；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述小腿绕踝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述脚掌绕踝关节的前后转动角度；另一个柔性线性驱动装置用于调节控制小腿绕所述踝关节的左右转动角度和/或用于调节控制脚掌绕所述踝关节的左右转动角度。

11.根据权利要求8所述的足式机器人，其特征在于，

所述关节系统为膝关节系统；其中，所述膝关节系统中的第一关节件为大腿、所述膝关节系统中的第二关节件为小腿。

12.根据权利要求11所述的足式机器人，其特征在于，

所述膝关节系统包括一个柔性线性驱动装置，用于调节控制所述大腿绕膝关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述小腿绕膝关节的前后转动角度。

13.根据权利要求8所述的足式机器人，其特征在于，

所述关节系统为包括髋关节系统；其中，所述髋关节系统的第一关节件为大腿、所述髋关节系统的第二关节件为腰部。

14.根据权利要求13所述的足式机器人，其特征在于，

髋关节系统包括两个柔性线性驱动装置；其中一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕所述髋关节的前后转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕所述髋关节的前后转动角度；另一个柔性线性驱动装置用于调节控制所述大腿绕髋关节的左右转动角度和/或用于调节控制所述腰部绕髋关节的左右转动角度。

15.根据权利要求8所述的足式机器人，其特征在于，

所述足式机器人包括：机器人主控计算机系统；其中，所述每一关节系统中的驱动控制系统均集成在所述机器人主控计算机系统中、或所述机器人主控计算系统对每一关节系统中的驱动控制系统进行控制。

16.根据权利要求15所述的足式机器人，其特征在于，

所述足式机器人还包括机器人感知系统，所述机器人感知系统与所述机器人主控计算机系统连接。

17.根据权利要求15所述的足式机器人，其特征在于，

所述足式机器人还包括机器人供电系统，所述机器人供电系统与所述机器人主控计算机系统连接。

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