CN111360844A - 刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人，所述末段肢杆包括：导管，所述导管的一端具有向内延伸的限位档口；伸缩杆，所述伸缩杆的一端从所述导管的限位档口处伸出并用于连接仿生机器人末端的足部或掌部，所述伸缩杆的第一位置处设有阻挡部，所述阻挡部位于导管内且被所述限位档口阻挡；弹性机构以及直线驱动机构，所述弹性机构置于所述导管的内周面和所述伸缩杆的外周面之间以及所述阻挡部和所述直线驱动机构之间；其中，所述直线驱动机构置于所述导管内，用于产生驱动力推动所述弹性机构，以主动改变所述弹性机构的伸缩量来控制所述末段肢杆的刚度。

Description

刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人。

背景技术

目前，仿生腿足式机器人(双足仿人、四足、多足机器人等)为了在多种复杂环境，及突发情况下，能够快速准确应变，极具有较好的柔顺仿生驱动能力，需要其各肢体具有控制刚度的功能。

目前国内外，机器人肢体的刚度调整，有些通过肢体关节部位施加弹性调整的方式实现，但是通过在肢体关节部位施加弹性调整的方式，有其难以克服的局限性，即关节作为机器人运动动力的具体输出部位，复合可调弹性功能之后，原本较简单的关节驱动与反馈对应关系，将因弹性因素的引入而使局部驱动结构多参数复合而复杂化，正常工况下一些原本可以轻易处理的非线性干扰因素，将因复合弹性因素放大使其处理难度大大增加，甚至难到不可能处理。

还有一些通过使肢杆弹性可调整的方式实现，因末段肢杆直接与外界工况环境接触，因而一般选择末段肢杆作为弹性可调部位，刚度可调的腿足式机器人的末段肢杆(如有踝关节，则非指足部，而指小腿段；如有腕关节，则非指掌部，而指小臂段)，大部分为无主动控制的被动弹性杆。

这些被动弹性杆中，有些是通过内置换向机构和弹性元件实现刚度调整，通过步态规划对应被动换向，在每个步态切换为对应预设的肢杆刚度。有些通过直接使末段肢杆本身设计成被动弹性元件实现刚度调整。此类非主动控制刚度的方式，只能在有限的、不太复杂的环境工况，提前预设步态和对应肢杆刚度，才能较好的实现预期的运动功能，而不能应对多种，复杂，或突发的环境工况，不能有针对性的实时精确调整肢杆刚度。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人，以实现仿生机器人肢体主动、更灵活地刚度调整。

本发明的技术方案如下：

一种刚度主动控制的末段肢杆，所述末段肢杆包括：导管，所述导管的一端具有向内延伸的限位档口；伸缩杆，所述伸缩杆的一端从所述导管的限位档口处伸出并用于连接仿生机器人末端的足部或掌部，所述伸缩杆的第一位置处设有阻挡部，所述阻挡部位于导管内且被所述限位档口阻挡；弹性机构以及直线驱动机构，所述弹性机构置于所述导管的内周面和所述伸缩杆的外周面之间以及所述阻挡部和所述直线驱动机构之间。其中，所述直线驱动机构置于所述导管内，用于产生驱动力推动所述弹性机构，以主动改变所述弹性机构的伸缩量来控制所述末段肢杆的刚度。

在一些实施例中，所述弹性机构为n级弹簧机构，n为正整数；在n大于等于2的情况下，各级弹簧串联设置，各级弹簧的刚度相同或不同。

在一些实施例中，所述直线驱动机构包括用于压靠所述n级弹簧机构的螺柱以及驱动所述螺柱旋转的转轴；其中，所述螺柱的外侧壁具有外螺纹，所述导管的与所述螺柱接触的内侧壁具有与所述螺柱的外螺纹配合的内螺纹，所述螺柱与所述导管的内螺纹形成丝杠螺母副；所述螺柱和转轴中空，以供所述伸缩杆穿过；所述转轴与所述螺柱的内侧面动联接，使得所述螺柱被所述转轴带动旋转的同时实现轴向运动。

在一些实施例中，所述转轴与所述螺柱的动联接方式为花键联接、滑键联接或导键联接。

在一些实施例中，所述直线驱动机构还包括与所述转轴连接的驱动装置。

在一些实施例中，所述驱动装置为外定子内转子的无框电机；所述无框电机的内转子套在所述转轴的外侧并与所述转轴固定连接，所述无框电机的外定子与所述导管的内壁固定连接。

在一些实施例中，所述直线驱动机构还包括与所述转轴连接的驱动装置，所述驱动装置安装在所述导管首端的内腔段。

在一些实施例中，所述驱动装置为外定子内转子的无框电机，所述无框电机的内转子套在所述转轴的外侧并与所述转轴固定连接，所述无框电机的外定子与所述导管的内壁固定连接。

在一些实施例中，所述n级弹簧机构包括n个串联的伸缩单元，其中，n为正整数；

所述伸缩单元包括一个导向隔环和一个弹簧，所述导向隔环套在所述伸缩杆的外周面，所述导向隔环将不同伸缩单元的弹簧隔开；

第一级伸缩单元的导向隔环压靠在所述螺柱的端面处，最后一级伸缩单元的弹簧压靠在所述伸缩杆的阻挡部。

在一些实施例中，所述导向隔环为非封闭的、在其方截面具有斜切断口的圆环。

在一些实施例中，所述导管包括套接的第一导管和第二导管。所述第一导管的尾端具有供所述第二导管伸入的阶梯段，所述第二导管的外径与所述第一导管的阶梯段的内径相同，所述第二导管的内径与所述第一导管的内螺纹段的内径相同。

在一些实施例中，所述第一导管和第二导管为螺纹连接或销连接。

在一些实施例中，所述第一导管或第二导管的与所述n级弹簧机构配合的轴段上设有至少一个与外界联通的通气孔。

在一些实施例中，所述直线驱动机构还包括用于监测所述转轴的角位移以获得所述螺柱轴向位置的编码器，所述编码器带有编码器磁环，编码器磁环通过顶丝固定在所述转轴的从所述无框电机伸出的端部的外周面上。

在一些实施例中，所述无框电机通过电机端盖固定在所述导管的端部，所述磁环编码器通过螺钉固定在所述电机端盖上。

在一些实施例中，所述转轴在靠近所述无框电机的两侧位置分别设有轴承；其中，靠近所述导管首端的轴承通过转轴上的轴肩以及所述电机端盖实现轴向固定，靠近所述螺柱的轴承通过转轴上的轴肩以及导管的轴座实现轴向固定。

在一些实施例中，所述末段肢杆还包括用于将所述末段肢杆固定在肢杆上端关节的关节连接端盖，所述关节连接端盖与所述电机端盖通过圆周均布的多个螺钉连接。

在一些实施例中，所述关节连接端盖与所述电机端盖上均设有供线缆通过的通孔。

在一些实施例中，所述伸缩杆为中空杆件。

在一些实施例中，所述第二导管尾端处的限位挡口具有凹槽，所述凹槽处设有弹性橡胶圈。

在一些实施例中，所述n级弹簧机构包括三个串联的伸缩单元，从靠近所述螺柱端的伸缩单元起始，各级伸缩单元的弹簧的刚度逐渐变大。

一种仿生机器人，所述仿生机器人包括前述的刚度主动控制的末段肢杆。

在一些实施例中，所述仿生机器人还包括控制器，所述控制器与力传感器、直线驱动机构连接，所述控制器基于所述力传感器测得的力信号控制所述直线驱动机构推动所述弹性机构，以主动改变所述弹性机构的伸缩量来控制所述末段肢杆的刚度。

本发明实施例的刚度主动控制的末段肢杆，可通过直线驱动机构推动弹性机构的伸缩量，实现主动地、灵活地肢体刚度调整。

进一步地，通过主动控制，可以实现更精确的刚度调整。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中末段肢杆的剖面结构示意图。

图2为本发明一实施例中末段肢杆爆炸分解的立体结构示意图。

图3为本发明一实施例末段肢杆主动预紧将n级弹簧机构预紧最实，处于刚度最大的结构示意图，在该状态下，伸缩杆处于可外伸极限位置。

图4为本发明一实施例末段肢杆主动预紧将n级弹簧机构预紧最松，伸缩杆处于可回缩极限位置状态的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种刚度主动控制的末段肢杆以及包含该末段肢杆的仿生机器人，以使得仿生机器人末段肢杆能够根据实时工况反馈，实时主动灵活地调整自身刚度，也提高了刚度调节的精度。

在本发明实施例中，采用可主动精确控制刚度的仿生机器人末段肢杆，其可采用单级或多级相同或不同刚度的串联弹簧设计，主动精确可调整刚度范围大(各级弹簧可完全压并而无弹性)。此外，肢杆末端可设有力传感器，可通过肢杆的中空结构布线，可根据肢杆端部力传感器的实时工况反馈，对肢杆的可伸缩刚度做出主动精确调整，调整范围大，精度高，实时性好，肢杆整体结构紧凑轻盈，能很好地适应仿生腿足式机器人末段肢杆的要求。

在发明一实施例中，末段肢杆可包括导管、伸缩杆、弹性机构以及直线驱动机构等，导管内具有用于安装伸缩杆、弹性机构以及直线驱动机构的腔体。

其中，导管、伸缩杆作为末段肢杆的支撑结构，伸缩杆能在导管的腔体内伸缩，弹性机构用于改变末段肢杆的可伸缩刚度，直线驱动机构用于可主动精确控制弹性机构的伸缩量。

在本发明一实施例中，如图1和图2所示，导管的一端(可称为尾端)具有向内延伸的限位挡口51，伸缩杆3的一端从导管的限位档口51处伸出并用于连接仿生机器人末端的足部或掌部1。伸缩杆3的第一位置处设有阻挡部31，阻挡部31位于导管内且被限位档口51阻挡。伸缩杆3的阻挡部可以是凸环，且该凸环位置到足部或掌部的距离不小于弹性机构的可伸缩量。伸缩杆3由于阻挡部31和限位档口51间的相互阻挡而不能从导管的尾端脱出。

弹性机构被设置在导管的内周面和伸缩杆3的外周面之间，以及直线驱动机构以及伸缩杆的阻挡部之间。弹性机构在顶端的直线驱动机构和底端的伸缩杆的阻挡部共同作用下，改变其伸缩量，从而改变末段肢杆的刚度。

直线驱动机构设在导管的另一端(首端)，用于推动弹性机构，通过改变弹性机构的伸缩量以达到主动精度控制末段肢杆的刚度的目的。

本发明一实施例中，弹性机构可采用单级或多级的串联弹簧设计，通过直线驱动机构主动调整弹性机构的伸缩量可实现末段肢杆的刚度的主动、灵活调整，且可实现刚度更高精度的调整。

在一些实施例中，导管可为分体式的可拆卸构造，以便于内部弹性机构等的安装。例如，导管可包括首尾连接的第一导管10和第二导管5。第二导管5与第一导管10的连接方式可为螺纹连接或销连接，例如可通过圆周均布的多个定位销9首尾连接定位并通过胶粘固定。在本发明另一些实施例中，导管也可以是一体式构造。

在上述实施例中，第二导管5尾端处的限位挡口51可具有凹槽(或称内沟槽)，凹槽与伸缩杆3的阻挡部31之间设有弹性橡胶圈4。弹性橡胶圈4可置于凹槽中并通过点胶固定。伸缩杆3的阻挡部外推侧面通过弹性橡胶圈4与第二导管5端部限位挡口的内沟槽面分隔，以避免肢杆伸缩动作时，伸缩杆3的阻挡部的外推侧面直接与第二导管5端部的限位挡口发生硬面撞击。

在一些实施例中，末端肢杆设在仿生机器人的腿部或臂部末端，伸缩杆3的末端可连接有仿生机器人的足部或掌部1。第二导管5的末端与足部或掌部1之间还设有力传感器2。力传感器2可通过胶粘或螺钉固定在伸缩杆3的位于导管外的端部，掌部1可通过胶粘或螺钉固定在伸缩杆3的该端部并将力传感器2包覆。其中，掌部1可以是一个简单触球，也可以是带若干手指和指关节的手掌或带若干脚趾和趾关节的脚掌。

在一些实施例中，弹性机构为n级弹簧机构，n为大于等于2的正整数；在n大于等于2的情况下，各级弹簧机构串联设置，各级弹簧的刚度可以相同，也可以不同。

在一些实施例中，n级弹簧机构可包括n个串联的伸缩单元；伸缩单元包括一个导向隔环和一个弹簧，导向隔环套在伸缩杆3的外周面，导向隔环将不同的伸缩单元的弹簧隔开。其中，第一级伸缩单元的导向隔环压靠在螺柱14的下端面处，最后一级伸缩单元的弹簧压靠在伸缩杆3的阻挡部处。原则上，本发明实施例的末段肢杆根据可调刚度范围大小、各级弹簧的自身刚度和机器人总体尺寸设计范围等具体设计要求，弹簧级数可以从1(单级)到n(任意正整数)，此亦在本发明保护范围中。

例如，本发明实施例的n级弹簧机构可包括三个串联的伸缩单元，从靠近螺柱14端的伸缩单元起始，各级伸缩单元的弹簧的刚度逐渐变大。在第二导管5与第一导管10共同形成的腔体中，从内向外依次放置伸缩杆3、大刚度弹簧6、第一导向隔环7、中刚度弹簧8、第二导向隔环11、小刚度弹簧12、第三导向隔环13、螺柱14和转轴15等。伸缩杆3从内向外依次中空穿过大刚度弹簧6、第一导向隔环7、中刚度弹簧8、第二导向隔环11、小刚度弹簧12和第三导向隔环13，最后穿入转轴15的内腔。第一导向隔环7、第二导向隔环11和第三导向隔环13起到依次分隔大刚度弹簧6、中刚度弹簧8和小刚度弹簧12，传递轴向力，以及对伸缩杆3在第二导管5与第一导管10共同形成的腔体中轴向滑动起到导向作用，螺柱14与第三导向隔环13因弹簧的预紧力而保持端面接触。

在上述实施例中，大刚度弹簧6、中刚度弹簧8和小刚度弹簧12在第二导管5与第一导管10共同形成的腔体中的分隔放置并非必须按上述示例的顺序实施，可以调整为任意顺序分隔放置。

在一些实施例中，导向隔环可为非封闭的、在其方截面具有斜切断口的圆环。例如，第一导向隔环7、第二导向隔环11和第三导向隔环13均为在其方截面设有斜切断口的圆环，使其具有一定的径向大小变化适应能力，以便在第二导管5与第一导管10共同形成的腔体内圆柱面和伸缩杆3外圆柱面之间形成松紧适中的接触，而有利于其滑动导向作用，第一导向隔环7、第二导向隔环11和第三导向隔环13可为具有耐磨、自润滑效果的工程塑料或嵌套MoS₂(二硫化钼)颗粒的铜合金复合材料等。

在一些实施例中，直线驱动机构主要用于在导管的腔内沿轴向主动推动n级弹簧机构，通过改变其伸缩量而实现控制末段肢杆的刚度。直线驱动机构可采用直线电机、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构或其他传动机构，以下以螺母丝杠机构为例，介绍其包含的结构和工作原理。

直线驱动机构可包括用于压靠n级弹簧机构的螺柱14以及转轴15。其中，螺柱14的外侧壁具有外螺纹，第一导管10中部的内侧壁具有与螺柱14的外螺纹配合的内螺纹，螺柱14与第一导管10的内螺纹形成丝杠螺母副。螺柱14和转轴15中空，以供伸缩杆3穿过。

转轴15与螺柱14的内侧面动联接，使得螺柱14被转轴15带动旋转的同时实现轴向运动。此处所述的动联接是指螺柱14和转轴15工作时，螺柱14和转轴15有相对运动的联接。

在一些实施例中，转轴15与螺柱14的动联接方式可为花键联接、滑键联接、导键联接或方键联接等，也可将螺柱14的内壁和转轴15的轴段设计为凹凸相间且相互插接的导向槽，如图2所示，也可使得螺柱14在旋转的同时实现轴向运动，以改变n级弹簧机构的伸缩量。

此外，直线驱动机构还包括与转轴15连接的驱动装置，驱动装置安装在第一导管10首端的内腔段。驱动装置用于驱动转轴15转动，作为末段肢杆控制刚度的动力源。驱动装置可以采用电动马达、液压马达或气动马达等，电动马达可为有框电机或无框电机。由于无框电机只有转子和定子，具有非常高的灵活性可集成到设备中。本发明实施例的驱动装置以采用无框电机17为例，以下介绍其结构和工作原理。

无框电机17可采用外定子内转子的形式，无框电机17的内转子套在转轴15的外侧并与转轴固定连接，无框电机17的外定子与导管的内壁固定连接。详细地，无框电机17的内转子可通过胶粘固定于转轴15的转子安装外圆段，无框电机17的外定子可通过胶粘固定于第一导管10的定子安装内腔段。

在一些实施例中，直线驱动机构还包括用于监测转轴15的角位移以获得螺柱15轴向位置的编码器23，编码器23带有编码器磁环21，编码器磁环21通过顶丝22固定在转轴15的从无框电机17伸出的端部的外周面上。编码器23和编码器磁环21构成的编码器部件，可以实时检测电机旋转角度位置，进而可以换算得到螺柱14相对第一导管10的轴向运动位置，也即可得到(n级串联)弹簧的预紧点位置。

在一些实施例中，无框电机17可通过电机端盖19固定在导管的端部，电机端盖19通过圆周均布的6个第一螺钉20固定在第一导管10的端部。编码器23通过3个第二螺钉24固定在电机端盖19上，关节连接端盖25通过圆周均布的6个第三螺钉26固定在电机端盖19上。关节连接端盖25的外端面设有法兰面与圆周均布的若干安装螺孔，以便与肢杆上端的关节连接。

在一些实施例中，转轴15在靠近无框电机17的两侧位置分别设有轴承；其中，靠近导管首端的第一轴承18通过转轴15上的轴肩以及电机端盖19实现轴向固定，靠近螺柱的第二轴承16通过转轴15上的轴肩以及第一导管10的轴座实现轴向固定。第一轴承18和第二轴承16同时起到转轴15相对第一导管10的旋转支撑作用。

在一些实施例中，伸缩杆3设计为中空杆件，关节连接端盖25端面中间设计可供力传感器2和编码器23线缆通过的通孔，以便供电线路和信号线路铺设。

本发明实施例的肢杆末端设有力传感器，可通过肢杆的中空结构布线，可根据肢杆端部力传感器的实时工况反馈，对肢杆末端的可伸缩刚度做出主动精确调整，调整范围大，精度高，实时性好，肢杆整体结构紧凑轻盈，能很好地适应仿生腿足式机器人末段肢杆的要求。

本发明实施例中刚度主动控制的末段肢杆的主动精确控制刚度原理如下：

末段肢杆，可以根据不同的工况环境的功能需求，在设计时调整选择各级弹簧的自由长度和刚度；

末段肢杆设有n级不同刚度的弹簧分隔串联，各级弹簧按刚度大小排序并设：

K₁、K₂、…、K_n，且K₁>K₂>、…、>K_n；

末段肢杆主动预紧最松时，n级串联弹簧整体可伸缩最大范围设为L_最松，末段肢杆主动预紧最松且伸缩杆3处在可外伸极限时，各级弹簧的可压缩量对应刚度大小排序设为L₁、L₂、…、L_n，则有L₁+L₂+…+L_n＝L_最松，末段肢杆可根据功能需求合理设计各级弹簧的可压缩量L₁、L₂、…、L_n的大小，此即与设计时调整选择各级弹簧的自由长度和刚度关联对应。

末段肢杆在n级串联弹簧整体可伸缩量为L(L_最松≥L≥0)时的刚度设为K_伸缩量L，即为n级串联弹簧整体的刚度，按末段肢杆功能需求设计的各级弹簧，设此状态实际有第a₁、a₂、…、a_p号弹簧已经压并，剩下的第b₁、b₂、…、b_q号弹簧仍可压缩({a₁、a₂、…、a_p}∪{b₁、b₂、…、b_q}＝{1、2、…、n}，{a₁、a₂、…、a_p}∩{b₁、b₂、…、b_q}＝0)，则K_伸缩量L有如下表达式：

且

末段肢杆的在具体某时刻的实际可伸缩量直接确定了其刚度，而末段肢杆的实际可伸缩量由n级串联弹簧整体的上下两端在该时刻的实际位置共同决定，其上端位置即为电机实时主动控制的预紧点位置，其下端位置即为环境工况实时在掌部1的作用力与n级串联弹簧整体对伸缩杆3的弹簧力被动控制的弹簧活动作用点位置，当力传感器2将掌部1的所受的外界作用力作为环境工况的指征实时反馈给控制系统，以此反馈结合当前时刻末段肢杆所属肢体乃至机器人整体运动状态，控制系统根据控制策略，实时计算出此时需要的末段肢杆的目标刚度，以此目标刚度和当前运动状态，控制系统实时计算出末段肢杆的在该时刻的目标可伸缩量，并以此指导电机旋转工作，以实时主动对预紧点位置进行调整的方式使末段肢杆的实际可伸缩量快速向目标可伸缩量变化。

末段肢杆的控制系统的控制策略包含解析主动调整预紧点位置时，因弹簧力的变化，对弹簧活动作用点位置的同步联动影响，并进行实时补偿，具体控制策略和方法不包含在本专利中。

图1为主动预紧将3级串联弹簧预紧最松，伸缩杆3的可外伸极限位置；图3为主动预紧将3级串联弹簧压并的刚度最大状态；图4为主动预紧将3级串联弹簧预紧最松，伸缩杆3的可回缩极限位置。

末段肢杆在掌部1受环境工况外力，以及伸缩杆3受n级串联弹簧整体的弹簧力的合力作用下，伸缩杆3在第二导管5与第一导管10共同形成的腔体内轴向运动，伸缩杆3的可外伸极限位置与可回缩极限位置的距离即为可伸缩最大范围为L_最松。末段肢杆主动预紧最紧时，n级串联弹簧整体可伸缩最大范围为0，即预紧已经将各级弹簧完全压并，末段肢杆已经不具备伸缩弹性。

本发明也提供了一种仿生机器人，所述仿生机器人包括前述的刚度主动控制的末段肢杆。

在一些实施例中，仿生机器人还包括控制器，控制器与力传感器、直线驱动机构连接，控制器基于力传感器测得的力信号控制直线驱动机构推动弹性机构，以主动改变弹性机构的伸缩量来控制末段肢杆的刚度。

上述可见，根据本发明实施例的刚度主动控制的末段肢杆及包含该末段肢杆的仿生机器人，克服了仿生机器人末段肢杆如何根据实时工况反馈，实时主动精确调整自身刚度的难题。该末段肢杆采用单级或多级相同或不同刚度串联弹簧设计，主动精确可调整刚度范围大。并且，肢杆末端可设有力传感器，可通过肢杆的中空结构布线，可根据肢杆端部力传感器的实时工况反馈，对肢杆的可伸缩刚度做出主动精确调整，调整范围大，精度高，实时性好，肢杆整体结构紧凑轻盈，能很好地适应仿生腿足式机器人末段肢杆的要求。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述末段肢杆包括：

导管，所述导管的一端具有向内延伸的限位档口；

伸缩杆，所述伸缩杆的一端从所述导管的限位档口处伸出并用于连接仿生机器人末端的足部或掌部，所述伸缩杆的第一位置处设有阻挡部，所述阻挡部位于导管内且被所述限位档口阻挡；

弹性机构以及直线驱动机构，所述弹性机构置于所述导管的内周面和所述伸缩杆的外周面之间以及所述阻挡部和所述直线驱动机构之间；

其中，所述直线驱动机构置于所述导管内，用于产生驱动力推动所述弹性机构，以主动改变所述弹性机构的伸缩量来控制所述末段肢杆的刚度。

2.根据权利要求1所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述弹性机构为n级弹簧机构，n为正整数；在n大于等于2的情况下，各级弹簧串联设置，各级弹簧的刚度相同或不同。

3.根据权利要求2所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述直线驱动机构包括用于压靠所述n级弹簧机构的螺柱以及驱动所述螺柱旋转的转轴；

其中，所述螺柱的外侧壁具有外螺纹，所述导管的与所述螺柱接触的内侧壁具有与所述螺柱的外螺纹配合的内螺纹，所述螺柱与所述导管的内螺纹形成丝杠螺母副；

所述螺柱和转轴中空，以供所述伸缩杆穿过；

所述转轴与所述螺柱的内侧面动联接，使得所述螺柱被所述转轴带动旋转的同时实现轴向运动。

4.根据权利要求3所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述直线驱动机构还包括与所述转轴连接的驱动装置，所述驱动装置为外定子内转子的无框电机；

所述无框电机的内转子套在所述转轴的外侧并与所述转轴固定连接，所述无框电机的外定子与所述导管的内壁固定连接。

5.根据权利要求3所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述n级弹簧机构包括n个串联的伸缩单元，其中，n为正整数；

所述伸缩单元包括一个导向隔环和一个弹簧，所述导向隔环套在所述伸缩杆的外周面，所述导向隔环将不同伸缩单元的弹簧隔开；

第一级伸缩单元的导向隔环压靠在所述螺柱的端面处，最后一级伸缩单元的弹簧压靠在所述伸缩杆的阻挡部。

6.根据权利要求1所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述导管包括套接的第一导管和第二导管。

7.根据权利要求4所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述直线驱动机构还包括用于监测所述转轴的角位移以获得所述螺柱轴向位置的编码器，所述编码器带有编码器磁环，编码器磁环通过顶丝固定在所述转轴的从所述无框电机伸出的端部的外周面上。

8.根据权利要求7所述的刚度主动控制的末段肢杆，其特征在于，所述伸缩杆的尾端连接有仿生机器人的足部或掌部，所述伸缩杆的尾端与所述足部或掌部之间还设有力传感器。

9.一种仿生机器人，其特征在于，所述仿生机器人包括权利要求1至8之一的刚度主动控制的末段肢杆。

10.根据权利要求9所述的仿生机器人，其特征在于，所述仿生机器人还包括控制器，所述控制器与力传感器、直线驱动机构连接，所述控制器基于所述力传感器测得的力信号控制所述直线驱动机构推动所述弹性机构，以主动改变所述弹性机构的伸缩量来控制所述末段肢杆的刚度。

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