基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法

1.本发明涉及腿足式机器人领域，具体地，涉及一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法。特别的，提出了一种采用平行双向驱动实现腿足高效运动的控制方法。


背景技术：

2.在医护场景和城市搜救这些特殊场景中,相较于轮式机器人和履带式机器人，腿足式机器人具有较好的路面适应能力及动态稳定性，但是传统的足式机器人构型仅简单的模仿人类或动物的腿部结构,使用刚性连杆配置，通过低扭矩的舵机或高扭矩但噪声、体积大的液压驱动关节驱动，较难实现对步伐的大小、快慢、幅度的高效控制。引入柔性关节虽然能提升系统安全性和稳定的力输出，但其弹性结构一定程度上降低了机器人的运动控制精度，难以满足足式机器人在关节柔顺性与适应不同地形要求的动态平衡。
3.其次，人类在跑跳运动的过程中，往往会通过肌肉的弹性循环利用运动过程中的能量降低运动过程中能量的消耗。机器人需要具有更高的能量利用效率，有效利用弹性元件运动时的能量，充分利用机器人的自然特性，在有节律的运动中循环能量，降低机器人系统的能量输入。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法。
5.根据本发明提供的一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，包括大腿部、小腿部、分布式驱动机构以及髋关节驱动器；
6.所述髋关节驱动器安装在所述大腿部的一端，用于驱动所述大腿部旋转；
7.所述大腿部与小腿部可转动连接；
8.所述分布式驱动机构用于驱动所述小腿部旋转。
9.优选的，所述分布式驱动机构包括膝关节底部驱动器、膝关节关节处驱动器以及传动组件；
10.所述膝关节底部驱动器安装在所述大腿部的一端，且通过传动组件与所述小腿部传动连接；
11.所述膝关节关节处驱动器安装在所述大腿部的另一端，且能够驱动所述小腿部旋转。
12.优选的，所述传动组件包括线缆，主动轮、从动轮；
13.所述主动轮安装在所述大腿部的一端，且与所述膝关节底部驱动器连接，所述膝关节底部驱动器能够带动所述主动轮旋转；
14.所述从动轮安装在所述大腿部的另一端；所述线缆套装在所述从动轮与主动轮上，主动轮能够通过线缆驱动所述从动轮旋转；
15.所述从动轮与小腿部连接，从动轮能够带动所述小腿部旋转。
16.优选的，还包括线缆驱动器，所述线缆驱动器能够驱动所述线缆运动。
17.优选的，还包括足部与踝关节储能件；所述小腿部通过所述踝关节储能件与所述足部连接。
18.优选的，所述踝关节储能件为压缩弹簧。
19.优选的，所述膝关节底部驱动器与髋关节驱动器均为串联弹性驱动器；
20.所述膝关节关节处驱动器为伺服电机。
21.优选的，所述串联弹性驱动器用于提供低频高扭矩；
22.所述膝关节关节处驱动器用于提供高频低扭矩。
23.本发明还提供了一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构的控制方法，采用所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构；
24.低频的膝关节底部驱动器采用基于速度源控制的sea控制，
25.将电机的输出转速作为理想的输入源，通过串联弹性驱动器中电机的输出转速控制串联弹性驱动器的输出力、速度和位移，以实现串联弹性驱动关节的期望力矩跟踪。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、本发明多个驱动器分别分布在仿生足结构的不同位置，降低了腿部的有效惯量，实现了仿生足结构的高效控制与轻量化。
28.2、本发明通过串联弹性驱动器用于提供低频扭矩，所述膝关节关节处驱动器用于提供高频扭矩，结合传动组件设计，
29.满足了足式机器人关节的柔顺地面适应要求和动态平衡要求。
30.3、本发明采用的串联弹性驱动器中具有弹性元件，模拟肌腱的传动特性，提高了腿足结构的仿生特性，能够实现关节的柔顺运动。
31.4、本发明采用的串联弹性驱动器中具有弹性元件可作为储能机构，并且在小腿部与足部之间设置了压缩弹簧，实现了离地阶段释放势能，推动腿足运动，提高能量的利用率的技术效果。
附图说明
32.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
33.图1为本发明的结构示意图；
34.图2为平行双向驱动分布的示意图；
35.图3为单关节平行双向驱动控制方法的示意图
36.图4a为简化后的驱动控制框图示意图
37.图4b为等效平行结构的分频示意图
38.图中示出：
39.具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
41.本发明提供了一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，如图1所示，所述基于平行双向驱动的仿生腿足结构包括大腿部1、小腿部2、分布式驱动机构3以及髋关节驱动器4。
42.所述大腿部1可与外界机器人躯干连接。所述髋关节驱动器4安装在所述大腿部1的一端，用于驱动所述大腿部1旋转；所述大腿部1与小腿部2可转动连接；所述分布式驱动机构3用于驱动所述小腿部2旋转。
43.所述分布式驱动机构3包括膝关节底部驱动器5、膝关节关节处驱动器6以及传动组件7；所述膝关节底部驱动器5安装在所述大腿部1的一端，且通过传动组件7与所述小腿部2传动连接，即膝关节底部驱动器5能够通过传动组件7驱动所述小腿部2旋转。述膝关节关节处驱动器6安装在所述大腿部1的另一端，且能够驱动所述小腿部2旋转。
44.所述传动组件7包括线缆8，主动轮9、从动轮10；所述主动轮9安装在所述大腿部1的一端，且与所述膝关节底部驱动器5连接，所述膝关节底部驱动器5能够带动所述主动轮9旋转；在一个优选中，所述线缆8为电缆。
45.所述从动轮10安装在所述大腿部1的另一端；所述线缆8套装在所述从动轮10与主动轮9上，主动轮9能够通过线缆8驱动所述从动轮10旋转；所述从动轮与小腿部2连接，从动轮10能够带动所述小腿部2旋转。
46.在一个优选例中，所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，还包括线缆驱动器13、足部11与踝关节储能件12，所述线缆驱动器13能够驱动所述线缆8运动，优选的，线缆驱动器13用于在主动轮9带动线缆8运动时，再给线缆8施加另一个动力，进一步增强从动轮10的旋转运动。所述小腿部2通过所述踝关节储能件12与所述足部11连接。优选的，所述踝关节储能件12为压缩弹簧，通过小腿部2、压缩弹簧以及足部11的串联，可降低腿部整体等效刚度，并且在运动过程中能够储存释放能量，推动腿部运动。对于踝关节储能件12，其没有驱动，在运动过程中是被动的储存释放能量，落地阶段，踝关节储能件12将动能转化成弹性势能，减小碰撞过程中的能量损失。离地阶段，将存储的势能释放，转化成动能，推动腿部运
动。综上所述，本发明中，所述仿生腿足结构具有两个主动关节和一个被动关节，其中髋关节和膝关节为主动驱动关节，加入了驱动元件，踝关节为被动关节。
47.具体的，所述膝关节底部驱动器5与髋关节驱动器4均为串联弹性驱动器；所述串联弹性驱动器用于提供低频扭矩；所述串联弹性驱动器是本领域技术人员可以结合现有技术实现的具体结构，更具体的，所述串联弹性驱动器包括弹性元件(如弹簧)、伺服电机、减速器和连杆，减速器输出端与负载端之间安装弹性元件，对外界扰动进行缓冲，并通过控制弹性元件的压缩量对关节的输出力矩进行控制，使系统具有柔顺耦合。更具体的，所述对于膝关节底部驱动器5来说，所述负载为主动轮9，对于髋关节驱动器4来说，所述负载为大腿部1。髋、膝关节的储能特性依赖于串联弹性驱动器，基于弹性元件的被动特性，在弹簧压缩和伸展过程中，利用串联弹性驱动关节的能量解耦特性减少能量损失。所述膝关节关节处驱动器6为伺服电机；所述膝关节关节处驱动器6用于提供高频扭矩。
48.所述平行双向驱动为平行驱动和分布式驱动耦合而成，所述平行驱动为高频低扭矩驱动与低频高扭矩驱动并联，即高频扭矩与低频扭矩同时对仿生腿足结构进行驱动；所述分布式驱动即分布式驱动机构3的结构，即小腿部2相对与大腿部1的旋转，由分布在不同位置的膝关节关节处驱动器6与膝关节底部驱动器5共同驱动。
49.在一个优选例中，所述基于平行双向驱动的仿生腿足结构还包括控制器。控制器将电机的输出转速作为理想的输入源，通过串联弹性驱动器中电机的输出转速控制串联弹性驱动器的输出力、速度和位移，以实现串联弹性驱动关节的期望力矩跟踪。
50.由上可知，平行双向驱动的第一个要素是将扭矩产生分为独立的低频和高频。平行双向驱动的第二个要素是分布式驱动，如图2所示，将低频和高频驱动分配到腿部的不同位置，低频部分是膝关节底部驱动器5与髋关节驱动器4，且采用串联弹性控制。高频驱动位于膝关节处，提供低频底部驱动无法提供的高频扭矩分量。
51.也就是说，如图1-图4b所示，所述双向平行驱动可分为两个部分。一是低频的关节底部驱动器5部分，采用基于速度源的sea控制，包括了控制器、弹性元件等单元，通过电机的速度反馈与串联弹性驱动器中弹簧位移的反馈，对理想的输入力矩进行跟踪。二是高频的关节驱动器控制部分，采用开环控制，跟踪底部驱动器理想力矩输入与实际力矩输出之差，提供低频驱动器无法提供的高频扭矩分量。两者通过控制器与传动组件7进行相互关联。
52.如图4a与图4b所示,展示了控制方法如何利用低频的底部驱动器将控制扭矩划分为低频和高频分量。其中图4a将控制结构进行简化，排列为纯平行结构，低频的底部驱动器采用闭环控制，输入为期望力矩，高频的关节驱动器采用开环控制，输入为期望力矩与底部驱动器输出力矩的差值。将两者对力矩的跟踪效果进行叠加得到实际输出力矩。
53.图4b是解耦后的等效平行结构，展示了低频和高频在不同频率范围内对期望力矩的跟踪效果，以及两者叠加产生的跟踪效果。曲线的横轴表示频率，纵轴表示实际力矩与期望力矩的比值其中ω
base
表示底部驱动器闭环传递函数可跟踪输入力矩的带宽频率，ωs为关节驱动器开环传递函数跟踪力矩的转折频率。不同位置的驱动器(即关节底部驱动器5与膝关节关节处驱动器6)在频率划分上对期望力矩的跟踪效果不同。底部驱动器在低频部分较好地跟踪期望力矩，当达到带宽频率ω
base
后，跟踪效果迅速下降，此时关节
处驱动器作用，补偿底部驱动器的非理性状态，在开环频率ωs后增加相位，跟踪期望力矩。将两者的作用效果叠加，输出力矩可以在较宽的频率范围内跟踪期望力矩，达到很好的控制效果。通过这样的控制结构和控制方法，可以使驱动方式更具有安全性、低阻抗性，提供所需的宽带宽扭矩控制。
54.如图1-图2所示，本发明在膝关节处配置的膝关节关节处驱动器6为小型低惯量伺服电机，可保持高频扭矩能力；并且对于膝关节，即对于小腿部2的运动，还设置了膝关节关节处驱动器6及传动组件7的驱动路径，此驱动路径为高频驱动路径，通过低摩擦、低减速的传动组件7连接小腿部2，通过串联弹性驱动实现低阻抗，可以提供高性能任务所需的高频扭矩，同时不会显著增加驱动系统的组合阻抗。
55.本发明的主要原理为：
56.本发明将高频和低频分配到最有效的腿足位置上。其中髋关节驱动器4和膝关节底部驱动器5为低频部分，膝关节关节处驱动器6为高频部分。对于膝关节的驱动采用分布式驱动，分为膝关节底部驱动与关节处驱动两个部分，膝关节底部驱动器对应低频部分，需要大扭矩，关节处驱动为高频部分，需要的扭矩小。所述膝关节底部驱动器5与髋关节驱动器4均使用串联弹性驱动器，所述膝关节关节处驱动器6为高频驱动，使用小型低惯性的伺服电机，通过低摩擦、低减速的电缆传动组件连接小腿部2，为小腿部2提供低频驱动器无法提供的高频扭矩分量。
57.本发明参照动物对能量的利用，模拟四足动物的腿部肌腱作用，采用了串联弹性驱动器，其中包括了弹性元件，弹性元件可为弹性储能机构，所述弹性储能机构能够起到模拟肌腱的作用，且具有储能特性，其中的弹性元件具有被动柔性，将串联弹性驱动应用于关节，当机器人落地与地面发生撞击时，弹性元件的输出作用力不会产生能量突变，并且弹性元件的存在能够将部分动能转化为弹性势能，辅助电机在足式机器人腿部着地阶段压缩弹性元件储能，配合电机输出在离地阶段释放更多的能量，实现关节的柔顺运动。但串联弹性驱动关节弹性元件的能力有限，储存的能量会受到限制。如图1所示，本发明在踝关节处加入踝关节储能件12，踝关节储能件12为压缩弹簧。踝关节是一个被动关节，没有驱动源，在足部前段添加弹簧，连接于靠近小腿末端的位置，通过弹簧的串联起到降低腿部整体等效刚度的作用。腿足向下运动时弹簧压缩，产生一定的预紧力积累势能。放松过程中，弹簧恢复原长会释放压缩力，将存储的势能释放，转化成动能，推动腿部运动。
58.本发明将仿生学研究中的柔性特性、变刚性特性引入腿足结构的设计过程中，同时采用了一种新颖的驱动方式提高环境适应能力，降低运动能量消耗。
59.本发明还提供给了一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构的控制方法，参考图3，低频部分，采用基于速度源控制的sea控制，将电机的输出转速作为理想的输入源，通过串联弹性驱动器中电机的输出转速控制串联弹性驱动器的输出力、速度和位移，串联弹性控制器中的弹簧也通过弹簧位移进行力矩反馈，以实现串联弹性驱动关节的期望力矩跟踪。其中电机的速度通过内部编码器进行反馈。膝关节底部驱动器5输出的负载端连接传动组件，并将力矩传递到小腿部2。关节处驱动器的力矩输入为低频部分理想力矩输入与实际力矩输出比较的差值，采用开环控制跟踪这个误差值，体现了高频部分的主要功能，为小腿部2提供低频驱动器无法提供的高频扭矩分量。即，在本发明中，低频的膝关节底部驱动器5通过传动组件，传动连接到小腿部2。膝关节底部驱动器的控制与关节处驱动器的控制结合，
组成了单关节的平行双向驱动。
60.本发明使用平行双向驱动机构，多个驱动单元分布在机器人腿部的不同位置，降低了腿部的有效惯量，实现轻量化；所述控制方法具有低输出阻抗，系统可以在宽频率范围内进行非常好的关节扭矩控制。本发明引入柔软元件，即串联弹性结构中的弹性元件，一方面模拟了肌腱的传动特性，提高了腿足结构的仿生特性，能够实现关节的柔顺运动；另一方面能够配合腿足在落地阶段压缩弹性元件储能，离地阶段释放势能，推动腿足运动，提高能量的利用率，以适应不同步态、步频及地形地况。
61.除此以外，动物在运动时能够根据地形变化实时调整运动姿态，保证运动的稳定性，模仿动物的运动方式设计仿生腿足。基于此本发明针对仿生弹性关节和力矩伺服电机进行研究，可以提高腿足式机器人对环境的适应能力，抗扰动能力，满足动态交互的需求。
62.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
63.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，包括大腿部(1)、小腿部(2)、分布式驱动机构(3)以及髋关节驱动器(4)；所述髋关节驱动器(4)安装在所述大腿部(1)的一端，用于驱动所述大腿部(1)旋转；所述大腿部(1)与小腿部(2)可转动连接；所述分布式驱动机构(3)用于驱动所述小腿部(2)旋转。2.根据权利要求1所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述分布式驱动机构(3)包括膝关节底部驱动器(5)、膝关节关节处驱动器(6)以及传动组件(7)所述膝关节底部驱动器(5)安装在所述大腿部(1)的一端，且通过传动组件(7)与所述小腿部(2)传动连接；所述膝关节关节处驱动器(6)安装在所述大腿部(1)的另一端，且能够驱动所述小腿部(2)旋转。3.根据权利要求2所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述传动组件(7)包括线缆(8)，主动轮(9)、从动轮(10)；所述主动轮(9)安装在所述大腿部(1)的一端，且与所述膝关节底部驱动器(5)连接，所述膝关节底部驱动器(5)能够带动所述主动轮(9)旋转；所述从动轮(10)安装在所述大腿部(1)的另一端；所述线缆(8)套装在所述从动轮(10)与主动轮(9)上，主动轮(9)能够通过线缆(8)驱动所述从动轮(10)旋转；所述从动轮与小腿部(2)连接，从动轮(10)能够带动所述小腿部(2)旋转。4.根据权利要求3所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，还包括线缆驱动器(13)，所述线缆驱动器(13)能够驱动所述线缆(8)运动。5.根据权利要求1所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，还包括足部(11)与踝关节储能件(12)；所述小腿部(2)通过所述踝关节储能件(12)与所述足部(11)连接。6.根据权利要求5所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述踝关节储能件(12)为压缩弹簧。7.根据权利要求2所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述膝关节底部驱动器(5)与髋关节驱动器(4)均为串联弹性驱动器；所述膝关节关节处驱动器(6)为伺服电机。8.根据权利要求7所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述串联弹性驱动器用于提供低频高扭矩；所述膝关节关节处驱动器(6)用于提供高频低扭矩。9.一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构；低频的膝关节底部驱动器(5)采用基于速度源控制的sea控制；将电机的输出转速作为理想的输入源，通过串联弹性驱动器中电机的输出转速控制串联弹性驱动器的输出力、速度和位移，以实现串联弹性驱动关节的期望力矩跟踪。

技术总结
本发明提出一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法，所述基于平行双向驱动的仿生腿足结构包括大腿部、小腿部、分布式驱动机构以及髋关节驱动器。所述分布式驱动机构包括膝关节底部驱动器、膝关节关节处驱动器以及传动组件。在驱动方面本发明采用平行双向驱动，将驱动器分布在腿足结构的不同位置，针对平行双向驱动的特性，提供了一种控制方法实现腿足高效控制，将扭矩产生分为高频和低频，驱动各关节转动。并通过添加弹性元件，模拟肌腱传动作用，实现关节柔顺控制，提高能量利用率。提高能量利用率。提高能量利用率。


技术研发人员：李智军 刘晓彤 李国欣
受保护的技术使用者：中国科学技术大学先进技术研究院
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/23