CN110789633A - 一种柔性线性驱动控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种柔性线性驱动控制方法及控制系统。主要采用的技术方案为：柔性线性驱动控制方法用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；包括如下步骤：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被驱动件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F；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；控制柔性线性驱动装置的运行，调节柔性驱动装置的实时驱动速度和/或驱动位移，使实时驱动速度与实时驱动速度的计算值一致和/或实时驱动位移与实时驱动位移的计算值一致。本发明主要用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动。

Description

一种柔性线性驱动控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种柔性线性驱动技术领域，特别是涉及一种柔性线性驱动控制方法及控制系统。

背景技术

足式机器人是一种模仿人类和动物站立和行走跳跃等运动特点的机器人。仿生足式机器人涉及到了多门学科的交叉融合，是机器人研究的高级阶段。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。

基于传统的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线性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(也称为刚性驱动)；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；这是因为，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稳定性控制问题。

因此，为了解决现有电动直线驱动装置存在的上述技术问题，本发明的发明人认为亟需设计出一种柔性线性驱动控制系统及控制方法，以对被驱动件(如，机器人的关节件)进行柔性驱动控制(即，力控驱动控制)。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种柔性线性驱动控制系方法及控制系统，主要目的在于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动。

当所柔性线性驱动装置及控制系统应用在机器人上时，能达到在复杂力学环境下的机器人平衡控制以及其他各种复杂运动控制。

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柔性线性驱动控制方法，其中，所述柔性线性驱动控制方法用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；其中，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；所述拉压力传感器用于感应所述柔性线性驱动装置与被驱动件之间的连接处的受力信息；其中，所述柔性线性驱动控制方法包括如下步骤：

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被驱动件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F；

计算步骤：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；

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。

优选的，所述计算步骤，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；

2)根据实时受力变化值F_delta，计算出所述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。

优选的，在所述步骤1)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。

优选的，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为人或外界物体与被驱动件之间的接触面积。

优选的，在所述步骤2)中：

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。

优选的，在所述计算步骤的步骤2)中：

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柔性线性驱动控制系统；其中，所述柔性线性驱动控制系统用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；其中，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；所述拉压力传感器用于感应所述柔性线性驱动装置与被驱动件之间的连接处的受力；其中，所述柔性线性驱动控制系统包括：

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被驱动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，所述柔性线性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为人或外界物体与被驱动件之间的接触面积。

优选的，所述柔性线性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；

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，所述柔性线性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。

与现有技术相比，本发明柔性线性驱动控制方法及控制系统至少具有下列有益效果：

本发明提供一种柔性线性驱动控制方法及控制系统，通过实时采集柔性线性驱动装置与被驱动件连接处的受力信息，并根据该实时受力信息计算出柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度和/或实时驱动位移，控制柔性线性驱动装置的运行并调节其驱动速度和/或驱动位移，实现柔性线性驱动装置对被驱动件的柔性驱动。在此，本发明提出的柔性线性驱动控制方法及控制系统控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动，能够提高被驱动结构(被驱动件属于被驱动结构的一部分，如，被驱动结构为足式机器人，被驱动件为关节件)的稳定性。

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。

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。

本发明人为了解决背景技术中提到的现有电动直线驱动装置存在的技术问题，本发明人设计一种柔性线性驱动装置(在另一个专利中保护)、同时设计一种柔性线性驱动控制方法及控制系统，以控制上述设计的柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动(柔性驱动)。

为了更好地理解本发明的柔性线性驱动控制方法及控制系统，在此，如图1至图5所示，先介绍一下本发明人设计的柔性线性驱动装置，具体如下：

如图1和图2所示，一种柔性线性驱动装置，具体包括：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的第一端和第二端(即，沿着电动直线驱动装置本体的直线运动的方向上的第一端和第二端)；且第一端、第二端用于连接被驱动件。其中，电动直线驱动装置本体的第一端和/或第二端安装有拉压力传感器，用于感应柔性线性驱动装置与被驱动件之间连接处的受力(如，拉力和压力)。在此，柔性线性驱动装置通过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，以感应到柔性线性驱动装置与被驱动件之间连接处的受力；从而使的控制系统根据该受力能调节柔性线性驱动装置的驱动速度，使得柔性线性驱动装置能对被驱动件进行柔性驱动(力控驱动)。

进一步地，如图1和图2所示，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)，以实现与被驱动件的连接；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连接的被驱动件为第一被驱动件、与第二连接件32连接的被驱动件为第二被驱动件)。其中，连接件与被驱动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的一端连接，拉压力传感器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，在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。

进一步地，如图3所述，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。

进一步地，如图1和图2所示，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：

所述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和套设于所述推杆之外的套筒111；其中，所述推杆110具有相对设置的第一端和第二端；所述推杆110的第一端位于所述套筒111内、所述推杆110的第二端位于所述套筒111外。驱动组件与推杆110驱动连接，用于驱动推杆110在沿着所述推杆的延伸方向相对于所述套筒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，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第二端为所述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：所述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)均安置在所述底座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，且所述电动直线驱动装置本体的第二端上设置有第二连接件32。

进一步地，如图2所示，柔性线性驱动装置中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。

在此，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；这样在本实施例的柔性线性驱动装置应用于机器人的关节驱动中时(当然，也可以用于其他驱动技术中，在此以机器人的关节驱动为例进行说明)，机器人的控制器能根据霍尔装置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，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。

在此是以图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)。

上述的柔性线性驱动装置可以应用到任一种工业机电设备中(不仅仅限定于足式机器人领域中)，以实现柔性驱动。

下面以将上述设计的柔性线性驱动装置应用到足式机器人领域中为例进行详细说明。

当柔性线性驱动装置应用到足式机器人领域中时，被驱动结构为足式机器人。其中，该足式机器人包括关节驱动机构，其中，如图4和图5所示，足式机器人的关节驱动机构包括：第一关节件4、第二关节件5及至少一个柔性线性驱动装置1(在此，第一关节件、第二关节件为被驱动件)。其中，第二关节件5与第一关节件4连接，且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具有相对设置的第一端和第二端；其中，柔性线性驱动装置1的第一端与第一关节件4连接、第二端与第二关节件5连接，以在柔性线性驱动装置1的驱动下，调整关节的角度；其中，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电驱动结构。

较佳地，柔性线性驱动装置的第一端上的第一连接件31与第一关节件上4的连接件连接；其中，第一连接件与第一关节件上的连接件形成转动副、球头副、球副、铰链中的一种。柔性线性驱动装置的第二端上的第二连接件32与第二关节件的连接件连接；其中，第二连接件32与第二关节件上的连接件形成转动副、球头副、球副、铰链中的一种。

较佳地，第一关节件4和第二关节件5通过铰链或虎克副连接，具体选择铰链或者虎克副根据关节的自由度要求而定。

上述的关节驱动机构可以为机器人上的任一关节驱动机构，如踝关节驱动机构、膝关节驱动机构、髋关节驱动机构等等。若关节驱动机构为踝关节驱动机构时，第一关节件为小腿、第二关节件为脚掌。若关节驱动机构为膝关节驱动机构时，第一关节件为大腿、第二关节件为小腿。若关节驱动机构为髋关节驱动机构时，第一关节件为腰部，第二关节件为大腿。当然，足式机器人包括踝关节驱动机构、膝关节驱动机构、髋关节驱动机构。

下面通过实施例详细介绍本发明人设计的柔性线性驱动控制方法及柔性线性驱动控制系统；具体如下：

实施例1

本实施例提供一种柔性线性驱动控制方法，其中，该柔性线性驱动控制方法用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；其中，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(优选的，柔性线性驱动装置为上述内容、图1及图2所述的柔性线性装置)。拉压力传感器用于感应所述柔性线性驱动装置与被驱动件之间的连接处的受力；其中，柔性线性驱动控制方法通过以下步骤控制柔性线性驱动装置对被驱动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被驱动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，人或外界物体与被驱动件(如，机器人的关节件)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。

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

在此，K1是人为设定的，具体根据被驱动件在实际工况下，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1mm/s-10m/s。

同理，K2是人为设定的，具体根据被驱动件在实际工况下，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3

本实施例提供一种柔性线性驱动控制系统，如图6所示，柔性线性驱动控制系统6用于控制柔性线性驱动装置1对被驱动件进行柔性驱动；其中，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；拉压力传感器2用于感应所述柔性线性驱动装置1与被驱动件之间的连接处的受力。其中，所述柔性线性驱动控制系统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与被驱动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，柔性线性驱动控制系统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，所述计算模块64与所述第一参数设置模块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，人或外界物体与被件的最小接触面积)。较佳地，接触面积S设置成1cm²-100cm²。

较佳地，柔性线性驱动控制系统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，所述柔性线性驱动控制系统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与所述第三参数设置模块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，在上述的柔性线性驱动控制系统，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，上述的柔性线性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。

实施例4

上述实施例提供的柔性线性驱动控制方法及控制系统可以应用到任一种工业机电设备中，以实现柔性驱动。本实施例是以应用到足式机器人领域中为例进行详细说明。

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(如，腿部)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进行柔性驱动。

在此，本发明的柔性线性驱动控制方法及控制系统应用在足式机器人上时，使得足式机器人受到外界碰撞时，自身能调节关节运动，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。

综上，本发明提供一种柔性线性驱动控制方法及控制系统，通过实时采集柔性线性驱动装置与被驱动件连接处的受力信息，并根据该实时受力信息计算出柔性线性驱动装置进行力控驱动时，需要的实时驱动速度和/或实时驱动位移，控制柔性线性驱动装置的运行并调节其驱动速度和/或驱动位移，实现柔性线性驱动装置对被驱动件的柔性驱动。在此，本发明提出的柔性线性驱动控制方法及控制系统控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行力控驱动，能够提高被驱动结构(被驱动件属于被驱动结构的一部分，如，被驱动结构为足式机器人，被驱动件为关节件)的稳定性。

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 (10)

1.一种柔性线性驱动控制方法，其特征在于，所述柔性线性驱动控制方法用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；其中，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；所述拉压力传感器用于感应所述柔性线性驱动装置与被驱动件之间的连接处的受力信息；其中，所述柔性线性驱动控制方法包括如下步骤：

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被驱动件之间连接处的受力信息，获得实时受力值F；

计算步骤：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；

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。

2.根据权利要求1所述的柔性线性驱动控制方法，其特征在于，所述计算步骤，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；

2)根据实时受力变化值F_delta，计算出所述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。

3.根据权利要求2所述的柔性线性驱动控制方法，其特征在于，在所述步骤1)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。

4.根据权利要求3所述的柔性线性驱动控制方法，其特征在于，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为人或外界物体与被驱动件之间的接触面积。

5.根据权利要求2所述的柔性线性驱动控制方法，其特征在于，在所述步骤2)中：

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。

6.根据权利要求2所述的柔性线性驱动控制方法，其特征在于，在所述计算步骤的步骤2)中：

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。

7.一种柔性线性驱动控制系统，其特征在于，所述柔性线性驱动控制系统用于控制柔性线性驱动装置对被驱动件进行柔性驱动；其中，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；所述拉压力传感器用于感应所述柔性线性驱动装置与被驱动件之间的连接处的受力；其中，所述柔性线性驱动控制系统包括：

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被驱动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。

8.根据权利要求7所述的柔性线性驱动控制系统，其特征在于，所述柔性线性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为人或外界物体与被驱动件之间的接触面积。

9.根据权利要求8所述的柔性线性驱动控制系统，其特征在于，所述柔性线性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；

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。

10.根据权利要求9所述的柔性线性驱动控制系统，其特征在于，所述柔性线性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。

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